Лазерный дальномер

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя. Объектив состоит из цилиндрического первого оптического компонента с фокусным расстоянием f1, образующая которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго оптического компонента. Второй компонент симметричен относительно оси объектива и имеет фокусное расстояние f2 ≥ А/α, где α - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения. Параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям f 1 = l 1 ϕ 2 ϕ ϕ 2 ; В / β f f 2 t g ( θ α / 2 ) t g ( θ β / 2 ) , где f - фокусное расстояние системы; β - угловой размер удаленного объекта, соответствующий габариту B, ϕ2=1/f2; ϕ=1/f; l1=f2-l; l - расстояние между компонентами; θα - угол расходимости в плоскости габарита А; θβ - угол расходимости габарита В. Причем второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l2=f2+Δf2 для изменения углов расходимости выходного излучения. Технический результат заключается в упрощении изготовления устройства при сохранении габаритов и КПД. 5 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.

Известен лазерный дальномер [1], содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого расположено в фокальной плоскости объектива излучателя.

Недостаток такой конструкции - невозможность обеспечить в малых габаритах малую выходную расходимость выходного излучения и одновременно апертурный угол объектива, достаточный для сбора всего светового пучка с выхода излучателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерный дальномер, описанный в [2]. Указанный лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из первого цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f1, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения лазерного излучателя и параллельна его максимальному габариту А, и второго цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f2, с образующей цилиндра, перпендикулярной максимальному габариту А тела свечения, которые удалены от эквивалентного тела свечения излучателя на расстояния l1 для первого цилиндрического компонента и l2 для второго цилиндрического компонента, причем l1=f1>В/β для первого цилиндрического компонента и l2=f2>A/α для второго цилиндрического компонента, где α и β - угловые размеры удаленного объекта, соответствующие по ориентации габаритам А и В эквивалентного тела свечения излучателя.

Недостаток такого технического решения - относительно высокая трудоемкость изготовления цилиндрических компонентов, особенно если их оптические поверхности имеют полиномиальную образующую, в чем возникает необходимость при больших апертурных углах и высоких требованиях к расходимости выходного изучения дальномера.

Задачей изобретения является снижение трудоемкости изготовления оптической системы излучателя лазерного дальномера при сохранении ее малых габаритов, малой расходимости выходного излучения и максимальных апертурных углов оптической системы, обеспечивающих полный сбор энергии излучения с выхода лазерного излучателя.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого с габаритами АхВ расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из первого оптического компонента - цилиндрической линзы с фокусным расстоянием f1 и образующей цилиндра перпендикулярной минимальному габариту В тела свечения лазерного излучателя и параллельной его максимальному габариту А, и второго оптического компонента, второй оптический компонент оптически симметричен относительно оптической оси объектива излучателя и имеет фокусное расстояние f2≥А/α, где α - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения, а параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям

f 1 = l 1 φ 2 φ φ 2 ; В / β f f 2 ( θ α / 2 ) t g ( θ β / 2 ) ,

где f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;

ϕ2=1/f2; ϕ=1/f; l1=f2-l;

l - расстояние между оптическими компонентами;

θα - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита А;

θβ - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита В,

причем величина l1 не превышает значения, при котором астигматизм системы As удовлетворяет требованиям допуска, а второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l2=f2+Δf2 для изменения углов расходимости выходного излучения системы.

На фиг.1 представлена блок-схема лазерного дальномера. Фиг.2а и 2б служат для пояснения вида эффективного тела свечения и апертурного угла θβα) соответственно у твердотельного лазерного излучателя с линзой и полупроводникового лазера. Фиг.2в иллюстрирует связь между габаритами В и А тела свечения с фокусными расстояниями f и f2 и углами β и α расходимости выходного излучения. На фиг.3а показано взаимное положение эквивалентного тела свечения и компонентов объектива излучателя. На фиг.3б изображены вид и габариты двухполоскового тела свечения полупроводникового лазера с двумя излучающими переходами. На фиг.4 представлены сечения передающего устройства вдоль оси излучения в двух перпендикулярных плоскостях. На фиг 5 показаны зависимости фокусного расстояния f1 и астигматизма As от расстояния между оптическими компонентами l.

Лазерный дальномер (фиг.1) содержит передающее устройство, состоящее из лазерного излучателя 1, сопряженного с объективом 2 излучателя, и приемное устройство, состоящее из приемника 3, сопряженного с объективом 4 приемника. Лазерный дальномер сориентирован так, чтобы оси приемного и передающего устройств были направлены в сторону удаленного объекта. Если лазер 5 формирует квазипараллельный пучок излучения, то введением в состав лазерного излучателя линзы 6 можно создать эквивалентное тело свечения 7, расположенное на конечном расстоянии от объектива излучателя (фиг.2а). Тело свечения 7 полупроводникового лазера 5 совпадает с его выходной гранью (фиг.2б). Перед телом свечения размещен первый оптический компонент 8, представляющий собой цилиндрическую линзу (фиг.2в, 4а). Второй оптический компонент 9, представляющий собой сферическую линзу, удален от тела свечения 7 на расстояние l2, примерно равное его фокусному расстоянию f2 (фиг.4б).

Устройство работает следующим образом.

При срабатывании лазерного излучателя 1 на его выходе образуется тело свечения 7, испускающее расходящийся пучок лазерного излучения. Первый цилиндрический компонент 8, не влияя на расходимость пучка лазерного излучения в горизонтальной плоскости, перехватывает этот пучок излучения в вертикальной плоскости в апертурном угле θβ и направляет его в сторону оптического компонента 9, совместно с ним формируя выходной пучок с угловой расходимостью в вертикальной плоскости β=B/f, где В - вертикальный габарит тела свечения 7, a f - эквивалентное фокусное расстояние системы из первого и второго оптических элементов (Н - главная плоскость этой системы). Второй оптический компонент 9 работает также в горизонтальном апертурном угле θα и формирует в горизонтальной плоскости выходной пучок с угловой расходимостью α=A/f2, где А - горизонтальный габарит тела свечения 7.

В описанной конфигурации первый и второй оптические компоненты объектива в общем случае создают астигматизм. Предлагаемые ограничения на соотношение параметров элементов объектива позволяют уменьшить его до приемлемого уровня, обеспечивая при этом выполнение решаемой задачи.

Основная функция объектива излучателя - сформировать выходной пучок зондирующего излучения с угловой расходимостью αхβ. Это требование выполняется при соблюдении условий, которые следуют из расчетных соотношений для двухлинзовой системы фиг.4а [3, стр.35-36] и требований к ее астигматизму As и углам α и β расходимости выходного излучения.

f 2 l 2 А / α ;                                       ( 1 )

f 1 = l 1 φ 2 φ φ 2 ;                                           ( 2 )

А s = f 2 + Δ f Δ l b Δ Н ;                        ( 3 )

f В / β ,                                               ( 4 )

где

f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;

ϕ2=1/f2; ϕ=1/f; l1=f2-l;

l - расстояние между оптическими компонентами;

As - астигматизм объектива излучателя;

Δf - удлинение фокального отрезка объектива за счет толщины первого компонента в плоскости, параллельной образующей цилиндра;

b = f ( 1 l φ 2 ) .                                           ( 5 )

ΔН - удлинение фокального отрезка объектива за счет расстояния между главными плоскостями первого компонента в плоскости, перпендикулярной образующей цилиндра.

Вторая важнейшая функция объектива излучателя - собрать излучаемый телом свечения лазера пучок в апертурных углах, соответствующих углам расходимости излучения. Этому требованию отвечает условие, получаемое из рассмотрения хода лучей в оптической системе фиг.4 [3, стр.21-22, 35-36].

f f 2 ( θ α / 2 ) t g ( θ β / 2 ) ,                                            ( 6 )

где

θα - угол расходимости излучения лазера в плоскости его габарита А;

θβ - угол расходимости излучения лазера в плоскости его габарита В.

Отраженное удаленным объектом излучение с помощью объектива 4 приемника 3 фокусируется на чувствительную площадку приемника. Дальность до объекта R=ct/2,

где t - задержка принятого сигнала, с - скорость света.

Пример

Исходные данные. В=0,01 мм; А=0,1 мм; α=β=10-3 рад; θα=10°; θβ=20°.

Из условий (1) и (4) следует f2=100 мм. l2~f2=100 мм. f=10 мм.

По конструктивным условиям принято l=99,5 мм.

Тогда по формуле (2) определяется величина фокусного расстояния цилиндрического компонента.

f 1 = l 1 ϕ 2 ϕ ϕ 2 0,05  мм .

Такое расстояние может быть получено, например, при использовании в качестве первого оптического компонента отрезка стекловолокна с круглым сечением.

Фокусное расстояние подобного элемента определяется формулой [3, стр.37]

f 1 = n n 1 r 2 ( 2 n 1 ) ,

где n - показатель преломления материала стекловолокна;

r - радиус стекловолокна.

Для стекловолокна из оптического стекла К8 с показателем преломления n=1,516 [4] фокусному расстоянию f1=0,05 мм соответствует волокно диаметром 2r=0,14 мм.

При этом согласно (3) астигматизм As~0,4 мм.

При сборке дальномера углы расходимости излучения α и β можно оптимизировать продольной подвижкой второго оптического компонента с введением поправки Δf2<<f2.

Предлагаемое изобретение позволяет существенно упростить изготовление оптических элементов лазерного дальномера за счет применения типовых оптических деталей, тем самым обеспечивая поставленную задачу - снижение трудоемкости изготовления оптической системы излучателя лазерного дальномера при сохранении ее малых габаритов, малой расходимости выходного излучения и максимальных апертурных углов оптической системы, обеспечивающих полный сбор энергии излучения с выхода лазерного излучателя.

Источники информации

1. Патент США №6903811.

2. Патент РФ №2341771 - прототип.

3. И.Л.Сакин. Инженерная оптика. Изд. «Машиностроение», Л., 1976 г.

4. М.Я.Кругер и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Изд. «Машиностроение», Л., 1968 г.

Лазерный дальномер, содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из цилиндрического первого оптического компонента с фокусным расстоянием f1, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго оптического компонента, отличающийся тем, что второй оптический компонент оптически симметричен относительно оптической оси объектива излучателя и имеет фокусное расстояние f2 ≥ А/α, где α - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения, а параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям
f 1 = l 1 φ 2 φ φ 2 ; В / β f f 2 t g ( θ α / 2 ) t g ( θ β / 2 ) ,
где f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;
ϕ2=1/f2; ϕ=1/f; l1=f2-l;
l - расстояние между оптическими компонентами;
β - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации габариту B тела свечения излучателя;
θα - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита А;
θβ - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита В,
причем величина l1 не превышает значения, при котором астигматизм системы As удовлетворяет требованиям допуска, а второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l2=f2+Δf2 для изменения углов расходимости выходного излучения системы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя.

Дальномер имеет частично совмещенные визирный, излучающий, приемный и проекционный каналы. Объективы всех каналов выполнены двухкомпонентными, первый компонент объектива визирного канала входит в состав объектива приемного и излучающего каналов.

Изобретение относится к области вооружений и может быть использовано во взрывателях различных боеприпасов, для определения расстояния между телами. .

Изобретение относится к области вооружений и может быть использовано во взрывателях различных боеприпасов, для определения расстояния до цели. .

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. .

Изобретение относится к системам с использованием отражения или вторичного излучения электромагнитных волн, а именно к дальномерам. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для обнаружения и фиксации нарушений правил дорожного движения транспортным средством.

Изобретение относится к системам с использованием отражения или вторичного излучения электромагнитных или иных волн, а именно к дальномерам. .

Изобретение относится к системам измерения дальности с использованием отражения зондирующих импульсов и может быть использовано в дальномерах, установленных на ракетах с полуактивным подсветом.

Изобретение относится к лазерной технике к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя.

В телевизионно-лазерном визире-дальномере установлена спектроделительная призма, на одной грани которой нанесена полевая диафрагма приемного канала лазерного дальномера, которая используется в качестве опорной марки, а на другой грани приклеено сферическое зеркало, проектирующее диафрагму в телекамеру визирного канала.

Дальномер имеет частично совмещенные визирный, излучающий, приемный и проекционный каналы. Объективы всех каналов выполнены двухкомпонентными, первый компонент объектива визирного канала входит в состав объектива приемного и излучающего каналов.

Изобретение относится к области метеорологии и гляциологии и может быть использовано при определении толщины снежного покрова на склонах для прогноза лавинной опасности и определения снегонакопления в горах. Согласно заявленному способу с помощью лазерного дальномера, размещенного в долине, определяют расстояние до контрольной точки на склоне (L1), азимут (А1) и угол зондирования (β).

Изобретение относится к области информационно-измерительных систем и предназначается для решения задач измерения дальности и линейных размеров объектов по их цифровым фотографическим изображениям.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. .

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. .

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. .

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. .

Способ включает детектирование отраженных импульсов света, оцифровывание принятых сигналов, расчет дальностей до объектов и скоростей движущихся объектов, определение угловых координат. При оцифровывании сигналы дифференцируют. Одновременно измеряют временные интервалы между моментами излучения и частями дифференцированных сигналов, соответствующих фронтам принятых импульсов света, и временные интервалы t2 между частями дифференцированных сигналов, соответствующих фронтам и спадам принятых импульсов света. Рассчитывают скорости υ движущихся объектов: υ = c ⋅ ( 1 − t 2 t 1 ) , где с - скорость света в среде; t1 - длительность излученного импульса света. Устройство содержит блок оцифровывания сигнала, выполненный из многоканального измерителя временных интервалов и n-дифференциаторов, входы которых соединены с выходами фоточувствительных элементов, а выходы - с входами сигналов многоканального измерителя временных интервалов, выход которого соединен с входом блока управления. Технический результат - одновременность и точность обнаружения объектов, измерения скорости движения объектов, расстояний и угловых координат. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя. Объектив состоит из цилиндрического первого оптического компонента с фокусным расстоянием f1, образующая которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго оптического компонента. Второй компонент симметричен относительно оси объектива и имеет фокусное расстояние f2 ≥ Аα, где α - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения. Параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям f1l1ϕ2ϕ−ϕ2; Вβ≤f≤f2tgtg, где f - фокусное расстояние системы; β - угловой размер удаленного объекта, соответствующий габариту B, ϕ21f2; ϕ1f; l1f2-l; l - расстояние между компонентами; θα - угол расходимости в плоскости габарита А; θβ - угол расходимости габарита В. Причем второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l2f2+Δf2 для изменения углов расходимости выходного излучения. Технический результат заключается в упрощении изготовления устройства при сохранении габаритов и КПД. 5 ил.

Наверх