Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков

Авторы патента:

Вильнер Валерий Григорьевич (RU)

Моисеев Дмитрий Иванович (RU)

Волобуев Владимир Георгиевич (RU)

G01C3/08 - с использованием детекторов излучения

Владельцы патента RU 2621476:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя со взаимно параллельными излучающими площадками, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины и полуволновой пластины, установленной перед одним из лазерных излучателей. При этом излучающие площадки ориентированы так, чтобы их максимальный габарит располагался параллельно максимальному габариту заданной цели, причем одна излучающая площадка находится в фокусе передающей оптической системы, состоящей из объектива и оптического сумматора, а расстояние а между излучающими площадками удовлетворяет условию

где β - угол преломления необыкновенного луча;

f - фокусное расстояние передающей оптической системы;

ϕ₀ - предельно допустимая угловая расходимость выходного излучения в плоскости минимального габарита излучающей площадки;

n_o - показатель преломления обыкновенного луча двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины;

n_е - показатель преломления необыкновенного луча;

D_o - диаметр передающего объектива.

Технический результат - наиболее эффективное использование суммарной энергии зондирующего излучения при измерении больших дальностей и обеспечение возможности измерения меньших дальностей при грубом наведении, например при работе с рук. 1 з.п. ф-лы, 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 и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора. Оптический сумматор выполнен в виде поляризационного светоделительного кубика, а оптические оси лазерных излучателей расположены перпендикулярно его смежным граням и взаимно перпендикулярны между собой.

При таком построении оптического сумматора лазерные излучатели разнесены относительно друг друга, что усложняет конструкцию лазерного дальномера, увеличивает его габариты и затрудняет сопряжение оптических осей лазерных излучателей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерный дальномер, описанный в [2]. Этот лазерный дальномер с оптическим сумматором зондирующих пучков содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, оптический сумматор выполнен в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, излучающие площадки лазерных диодов расположены параллельно со стороны одной из ее граней, причем перед одной из площадок установлена полуволновая пластинка.

Особенность полупроводниковых лазерных излучателей - их протяженный характер, обусловленный конфигурацией излучающего р-n перехода. При этом возможны потери энергии зондирующего импульса при измерении дальности до целей с иной формой или при ошибках наведения оси дальномера на цель. Это приводит к уменьшению дальности действия дальномера.

Задачей изобретения является наиболее эффективное использование суммарной энергии зондирующего излучения при измерении больших дальностей и обеспечение возможности измерения меньших дальностей при грубом наведении, например при работе с рук.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя со взаимно параллельными излучающими площадками, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины и полуволновой пластины, установленной перед одним из лазерных излучателей, излучающие площадки ориентированы так, чтобы их максимальный габарит располагался параллельно максимальному габариту заданной цели, причем, одна излучающая площадка находится в фокусе передающей оптической системы, состоящей из объектива и оптического сумматора, а расстояние а между излучающими площадками удовлетворяет условию

где β - угол преломления необыкновенного луча;

f - фокусное расстояние передающей оптической системы;

n_o - показатель преломления обыкновенного луча двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины;

n_e - показатель преломления необыкновенного луча;

D_o - диаметр передающего объектива.

В фокусе передающей оптической системы может быть установлена излучающая площадка с более высоким уровнем выходной энергии излучения.

На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2 - оптическая схема передающего устройства. На фиг. 3 показан ход лучей в передающем устройстве при астигматизме А и трех вариантах фокусировки. Фиг. 4 иллюстрирует варианты распределения энергии в картинной плоскости дальномера при трех вариантах фокусировки. На фиг. 5 изображены варианты наведения зондирующего пятна на цель.

Лазерный дальномер (фиг. 1) содержит передающее устройство 1, приемное устройство 2 и блок управления и обработки данных 3. Передающее устройство 1 состоит из двух лазерных излучателей 4 и 5, подключенных к оптическому сумматору 6, за которым установлен объектив 7. Приемное устройство 2 включает последовательно установленные объектив 8 и фотоприемное устройство 9. Входы лазерных излучателей 4, 5 и выход фотоприемного устройства 9 связаны с блоком управления и обработки данных 3.

Передающее устройство (фиг. 2) содержит два излучателя 4 и 5, излучающие площадки которых (р-n переходы лазерных диодов) расположены взаимно параллельно на расстоянии а между ними. Перед ними могут быть установлены цилиндрические линзы 10 и 11 [2], параллельно направляющие оси пучков лазерного излучения на двулучепреломляющую плоскопараллельную пластину 12, после которой лазерное излучение поступает на объектив 7 передающего устройства 1. Чтобы произошло совмещение пучков лазерного излучения, толщина АВ=h (фиг. 2) двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины 12 должна обеспечивать схождение оптических осей лазерных излучателей в точке А выходной грани пластины 12. Из фиг. 2 следует, что для этого должно соблюдаться условие

h = АВ - толщина пластины;

а = ВС - расстояние между оптическими осями лазерных излучателей;

β - угол преломления необыкновенного луча.

Перед лазерным излучателем 4 установлена полуволновая пластина 13, для того, чтобы поляризация излучения от источников 4 и 5 на входе пластины 12 была взаимно перпендикулярной [2, 4].

Устройство работает следующим образом.

При поступлении управляющего сигнала от блока управления и обработки данных 3 лазерные излучатели 4 и 5 одновременно излучают лазерные импульсы, причем благодаря полуволновой пластине 13 (фиг. 2), направления поляризации пучков выходного излучения перпендикулярны. Пучок излучения от лазерного излучателя 4 распространяется в двулучепреломляющей плоскопараллельной пластине 12 в направлении обыкновенного луча. Пучок излучения от лазерного излучателя 5 с ортогональным направлением поляризации распространяется в двулучепреломляющей плоскопараллельной пластине 12 в направлении необыкновенного луча. На выходной грани двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины 12 пучки лазерного излучения совмещаются и через объектив 7 передающего устройства 1 направляются на цель. Отраженное целью излучение через объектив 8 приемного устройства 2 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемного устройства 9, на выходе которого формируется электрический импульс, поступающий на блок управления и обработки данных 3, где по задержке между переданным и принятым импульсами определяется дальность до цели.

Удлинение оптического хода обыкновенного ОО' и необыкновенного ОО'' лучей в плоскопараллельной пластине равно, соответственно, Δf_o=h/n_o и Δf_e=h/n_e, где h - толщина пластины, n_o и n_e - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей [3].

Астигматизм оптической системы

При установке главной плоскости объектива 7 в положение H₁ фокальная плоскость системы совпадет с изображением 4* излучающей площадки лазерного излучателя 4 (фиг. 3). При этом, как следует из пропорциональных отношений отрезков фиг. 3, в плоскости F₃ изображения 5* излучающей площадки 5 образуется кружок рассеяния диаметром

где А - астигматизм; D_o и f - диаметр и фокусное расстояние объектива 7.

Угловая расходимость излучения от излучателя 4, расположенного в фокусе оптической системы, определяется его шириной и оптическими аберрациями и обычно не превышает 0,1 мрад. Угловая расходимость ϕ излучения от излучателя 5

Учитывая требование ϕ<ϕ₀, из выражений (1)-(4) можно получить условие, связывающее параметры системы и предъявляемые к ней требования.

Пример 1. Исландский шпат на длине волны лазерного излучения 1 мкм имеет следующие характеристики.

β=6°; n_o=1,642; n_e=1,479.

При заданных f=100 мм; D_o=25 мм; ϕ_o=3 мрад из выражения (5) следует а<1,88 мм.

При максимально допустимом расстоянии а=1,88 мм толщина двулучепреломляющей пластины h=a/tgβ=17,9 мм; астигматизм

В зависимости от установки объектива в положения H₁, Н₂, Н₃ распределение энергии излучения в картинной плоскости принимает вид, показанный на фиг. 4.

При распределении H₁ и Н₃ часть зондирующего пятна имеет вид узкой полосы, повторяющей форму излучающей площадки одного из лазерных излучателей. Это позволяет с высокой эффективностью фокусировать излучение на вытянутых целях - столбах, трубах, мачтах при точном наведении на них, как показано на фиг. 5а). Это достигается при наведении с треноги или иных жестких оснований. На малых расстояниях запас энергетического потенциала прибора достаточен, чтобы при такой форме зондирующего пятна измерять дальность при неточном наведении, например при работе с рук (фиг. 5б).

Пример 2. Поперечная расходимость излучения от площадок, расположенных в плоскостях F₁ и F₂, ϕ₁=0,1 мрад; ϕ₂=3 мрад.

Цель - труба диаметром 1 м.

На расстоянии R₁=1 км и R₂=0,5 км поперечные угловые размеры цели составляют соответственно 1 и 2 мрад.

При точном наведении на максимальной дальности от первого источника попадает на цель все излучение, а от второго - 1/3 (фиг. 5 а). Таким образом, доля энергии зондирующего излучения, перехватываемого целью, составляет η₁=1+1/3=4/3.

При точном наведении на дальности 0,5 км эта доля составляет 1+2/3=5/3, а при неточном, как на фиг. 5б) - η₂=1/3.

Энергетический проигрыш составляет η₁/η₂=4.

Энергетический выигрыш равен (R₁/R₂)²=(1/0,5)²=4.

Таким образом, если при точном наведении обеспечивается дальность действия 1 км, то возможно измерение дальности 0,5 км при неточном наведении (например, при работе с рук, сопровождаемой мышечным тремором).

Благодаря указанному построению дальномера обеспечивается решение поставленной задачи - наиболее эффективное использование суммарной энергии зондирующего излучения при измерении больших дальностей и обеспечение возможности измерения меньших дальностей при грубом наведении, например при работе с рук.

Источники информации

1. Патент США №6714285 от 30 марта 2004 г., кл. США 356/4.01.

2. Лазерный дальномер. Патент РФ №2362120 по з-ке 2007145830 от 12.12.2007 г. - прототип.

3. М.И. Апенко, А.С. Дубовик. Прикладная оптика. М.: Наука, 1971 г. - 392 с.

4. А.Н. Матвеев. Оптика. М.: Высшая школа, 1985 г. - 351 с.

1. Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков, содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя со взаимно параллельными излучающими площадками, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины и полуволновой пластины, установленной перед одним из лазерных излучателей, отличающийся тем, что излучающие площадки ориентированы так, чтобы их максимальный габарит располагался параллельно максимальному габариту заданной цели, причем одна излучающая площадка находится в фокусе передающей оптической системы, состоящей из объектива и оптического сумматора, а расстояние а между излучающими площадками удовлетворяет условию

β - угол преломления необыкновенного луча;

f - фокусное расстояние передающей оптической системы;

n_o - показатель преломления обыкновенного луча двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины;

n_e - показатель преломления необыкновенного луча;

D_o - диаметр передающего объектива.

2. Лазерный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что в фокусе передающей оптической системы установлена излучающая площадка с более высоким уровнем выходной энергии излучения.

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с оптическим сумматором излучения содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора.

Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков излучения // 2620767

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков излучения содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора.

Лазерный дальномер // 2620765

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство, включающее приемный объектив и фотоприемник, и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины.

Лазерный дальномер с двулучепреломляющим сумматором излучения // 2619040

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с двулучепреломляющим сумматором излучения содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины.

Лазерный дальномер с комбинированным лазерным излучателем // 2618787

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с комбинированным лазерным излучателем содержащит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив с фокусным расстоянием Fo.

Лазерный фазовый дальномер // 2610514

Лазерный фазовый дальномер содержит передающую систему и приемную систему. Передающая система состоит из масштабного генератора, источника излучения в виде лазера, коллиматора лазерного излучения, поворотного зеркала и поворотной призмы.

Ручной лазерный дальномер // 2602992

Изобретение относится к ручному лазерному дальномеру. Дальномер содержит лазерный узел для определения отличающихся первого и второго расстояний в первом и втором относительных направлениях через короткий промежуток времени и устройство ввода для установки угла между первым и вторым относительными направлениями.

Способ определения расстояния до объекта при помощи камеры (варианты) // 2602729

Способ определения расстояния при помощи камеры основан на том, что получают один видеокадр, получают калибровочные характеристики камеры, выделяют на кадре объект, до которого измеряют расстояние.

Способ измерения линейных перемещений объекта // 2596774

Способ измерения линейных перемещений объекта основан на том, что лучи двух лазерных дальномеров направляют параллельно на плоскую поверхность, находящуюся на объекте измерений.

Отическое экранирующее устройство для разделения оптических путей // 2594949

Датчик для дальномера имеет чувствительный элемент и оптическое экранирующее устройство. Чувствительный элемент имеет первую детектирующую часть для детектирования измерительного излучения и вторую детектирующую часть для детектирования контрольного излучения.

Дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем // 2622229

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и раздельно размещенные лазерные излучатели, выполненные в виде полупроводникового лазерного диода. При этом перед излучающей площадкой лазерного диода установлена коллекторная линза, излучающие площадки расположены в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, а каждая коллекторная линза выполнена в виде цилиндрической линзы, фокус которой смещен параллельно оптической оси объектива на расстояние z1 от своей излучающей площадки в сторону, противоположную объективу, центр цилиндрической линзы смещен перпендикулярно оптической оси объектива и параллельно излучающей площадке на расстояние yN в сторону от оптической оси объектива так, чтобы оптические оси лазерных излучателей пересекались в фокусе объектива передающего устройства. Кроме того, излучающие площадки расположены в фокальной плоскости системы из объектива и цилиндрической линзы, причем параметры оптических элементов лазерного дальномера удовлетворяют условию , где ψ - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости, перпендикулярной излучающему лазерному переходу; D2 - световой диаметр цилиндрической линзы; f - фокусное расстояние цилиндрической линзы; D0 - световой диаметр объектива; - расстояние между цилиндрическими линзами; ΔN - расстояние между излучающими площадками; z1 и z2 - расстояния от излучающей площадки до фокуса линзы и от фокуса линзы до фокуса объектива; z1=f-D2/2tg(ψ/2); z2=f2/z1; N=(RN/R1)2 - количество лазерных излучателей; RN - заданная дальность действия дальномера; R1 - дальность действия с одним излучателем. Технический результат - обеспечение максимальной дальности действия дальномера при минимальных габаритах устройства. 5 ил.

Устройство для измерения аэродинамического давления на тоннельные сооружения // 2624786

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения аэродинамического давления, и может быть использовано в тоннелях на высокоскоростных железнодорожных магистралях. Техническим результатом изобретения является расширение области использования устройства для измерения давления воздуха, а именно измерение аэродинамического давления на тоннельные конструкции при движении высокоскоростных поездов. Данное устройство для измерения аэродинамического давления на тоннельные сооружения содержит корпус (1), на передней стенке которого установлена эластичная мембрана (2). Внутри корпуса (1) установлен измерительный прибор в виде лазерного дальномера (3), установленный в корпусе (1) таким образом, что его луч (4) перпендикулярен эластичной мембране (2). Корпус (1) устройства присоединен к тоннельной обделке (5). Передача данных на ЭВМ осуществляется через выход (6) с лазерного дальномера (3). 1 ил.

Лазерный измеритель дальности с оптическим сумматором // 2629684

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный измеритель дальности с оптическим сумматором содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы взаимно перпендикулярно и совмещены с помощью оптического сумматора в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины. Причем лазерные диоды установлены со стороны ее грани, противоположной объективу, в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, двулучепреломляющая пластина наклонена относительно линии, соединяющей излучающие площадки лазерных диодов на угол γ=γн+γс, удовлетворяющий условию ⎜Xo(γ)-Хе(γ)⎜≤ΔХмакс, где γн - номинальное значение угла наклона пластины; γс - постоянная поправка; Xo(γ) и Xe(γ) - продольное положение фокусов соответственно для обыкновенного и необыкновенного пучка лучей; ΔХмакс - предельно допустимое расстояние между фокальными плоскостями; Yo(γ) и Ye(γ) - поперечное положение фокусов соответственно для обыкновенного и необыкновенного пучка лучей; F - положение фокуса объектива на оси x в отсутствие двулучепреломляющей пластины, причем Xo(γ)=F+Yo(γ)/tgγ; Xe(γ)=F+h⋅tgβ/Sinγ+Ye(γ)/tgγ; Yo(γ)=ho*Sin(γ-γo*); Ye(γ)=he*Sin(γ-(γe*+β)); ho*=h/Cos(γo*); he*=h/Cos(γe*+β); h - толщина двулучепреломляющей пластины; ; ; no и ne - показатель преломления соответственно обыкновенного и необыкновенного луча, а расстояние b между излучающими площадками лазерных диодов соответствует условию; ⎜Yo(γ)-Ye(γ)⎜-b=±ΔYмакс/2; ΔYмакс=ΔϕмаксF; Δϕмакс - максимальная ширина диаграммы направленности зондирующего излучения. Технический результат изобретения - точное совмещение фокусов обыкновенного и необыкновенного пучков лучей. 4 ил.