Дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем
Владельцы патента RU 2622229:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
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.
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.
Известен лазерный дальномер, содержащий передающее и приемное устройства [1]. Приемное устройство такого дальномера содержит приемник и объектив приемника, а передающее устройство - лазерный полупроводниковый излучатель (лазерный диод) и объектив излучателя, причем излучающая площадка излучателя расположена в фокальной плоскости объектива излучателя. Недостатком этого лазерного дальномера является низкая энергия выходного лазерного излучения, ограничиваемая энергетическими характеристиками лазерного излучателя (стойкостью излучающего перехода лазерного диода).
Более высокой энергией выходного излучения обладает наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому устройству лазерный дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем, описанный в [2]. Этот лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и раздельно размещенные лазерные излучатели, выполненные в виде полупроводникового лазерного диода, перед излучающей площадкой которого установлена коллекторная линза. Благодаря объединению пучков излучения от нескольких лазеров возрастает энергия зондирующего излучения и дальность действия дальномера.
В известном устройстве лазерные излучатели разнесены между собой, что усложняет конструкцию лазерного дальномера, увеличивает его габариты и затрудняет сопряжение оптических осей лазерных излучателей. Кроме того, такое решение обеспечивает суммирование излучения только двух лазерных диодов, что может быть недостаточно при необходимости увеличения дальности действия.
Задачей изобретения является повышение дальности действия лазерного дальномера за счет увеличения количества источников зондирующего излучения при сохранении минимальных габаритов.
Данная задача решается за счет того, что в известном дальномере с комбинированным лазерным излучателем, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и раздельно размещенные лазерные излучатели, выполненные в виде полупроводниковых лазерных диодов, перед излучающими площадками которых установлены коллекторные линзы, 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, 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 - соответственно 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.
На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2 показан ход лучей в передающем устройстве с одним лазерным излучателем. На фиг. 3 - ход лучей соответственно с двумя лазерными излучателями. Фиг. 4 иллюстрирует компоновку и габариты передающего канала дальномера с тремя лазерными излучателями. На Фиг. 5 изображена зависимость дальности действия дальномера от количества лазерных излучателей.
Лазерный дальномер (фиг. 1) содержит приемное устройство с объективом 1 и фотоприемником 2, а также передающее устройство с объективом 3, коллекторными линзами 4 и 5 и двумя лазерными излучателями, излучающие площадки которых 6 и 7 расположены в фокусах системы из объектива 3 и коллекторных линз 4 и 5.
Устройство работает следующим образом.
Пучки зондирующего излучения от излучателей 6 и 7 собираются коллекторными линзами 4 и 5 и направляются на объектив 3, формирующий параллельный пучок излучения, направляемый на цель. Отраженное целью излучение принимается объективом приемного устройства и фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 2. По задержке τ принятого сигнала относительно момента излучения зондирующего сигнала можно определить дальность до цели R=сτ/2, где с - скорость света.
В обозначениях фиг. 2-4 справедливы соотношения
D*/F=D2/(f+z2)=ΘN - относительное отверстие одного канала, где D*=D/N, откуда (f+z2)=FD2/D*.
Коэффициент ξ=(f-z1)/(f+z1) характеризует сужение расходимости излучения после цилиндрической линзы. Линейное увеличение линзы Г=1/ξ.
D2≥2tg(ψ/2)⋅(f-z1), где ψ - угол расходимости излучения лазерного диода.
z1z2=f2 - формула Ньютона [3].
;
ND2/(f+z2)=Θ=D/F - относительное отверстие объектива;
- расстояние между соседними линзами (фиг. 3);
ΔN - расстояние между соседними излучающими площадками;
jткуда
z1=f-D2/2tg(ψ/2);
z2=f2/z1.
Пример.
N=3; a=5 мм; D2=4 мм; f=10 мм. Размер излучающей площадки 1=3 мкм. Расходимость излучения на выходе объектива ϕ=0,2 мрад. Расходимость излучения лазерного диода ψ=30°.
z1=f-D2/2tg(ψ/2)=10-4/2tg(15°)=2,54 мм;
z2=f2/z1=100/(2,54)2=15,5 мм.
Увеличение линзы
Г=1/ξ=(f+z2)/(f-z1)=(10+15,5)/(10-2,54)=3,42.
Размер изображения излучающей площадки 1*=Г⋅1=3 мкм⋅3,42=10,3 мкм.
Фокусное расстояние объектива F=1*/ϕ=10,3/0,2=51,5 мм.
Относительное отверстие объектива Θ=ND2/(f+z2)=3⋅4/(10+15,5)=0,47.
Диаметр объектива D=F⋅Θ=51,5⋅0,47~24 мм.
Таким образом, в указанных обозначениях
D2≥2tg(ψ/2)⋅(f-z1).
N=(RN/R1)2 [4].
На фиг. 5 показана зависимость относительной дальности действия RN/R1 от количества N лазерных излучателей.
Таким образом, данное техническое решение позволяет совместить излучение от более чем двух источников и обеспечить решение поставленной задачи - увеличение дальности действия лазерного дальномера при сохранении минимальных габаритов устройства.
Источники информации
1. Патент США №5221956 от 22 июня 1993 г., Кл. США 356/28.
2. Патент США №6714285 от 30 марта 2004 г., Кл. США 356/4.01 - прототип.
3. М.И. Апенко, А.С.Дубовик. Прикладная оптика, М.: «Наука», 1971 г. - 392 с.
4. В.А. Смирнов. Введение в оптическую радиоэлектронику. «Советское радио», М., 1973 г. - 208 с.
Лазерный дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем, содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и раздельно размещенные лазерные излучатели, выполненные в виде полупроводникового лазерного диода, перед излучающей площадкой которого установлена коллекторная линза, отличающийся тем, что 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, 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.
