Лазерный дальномер с оптическим сумматором излучения
LASER RANGEFINDER WITH OPTICAL RADIATION TOTALIZER

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 друг относительно друга, что усложняет конструкцию лазерного дальномера, увеличивает его габариты и затрудняет сопряжение оптических осей лазерных излучателей.
a
a
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерный дальномер, описанный в [2]. Этот 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 взаимно перпендикулярно поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, оптический сумматор выполнен в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, излучающие площадки лазерных диодов расположены со стороны одной из ее граней на расстоянии  между ними, связанном с толщиной h двулучепреломляющей пластины соотношением h=/tgβ, где β - угол преломления необыкновенного луча.
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, особенно по целям, вытянутым в вертикальном (трубы, мачты, столбы) или в горизонтальном (провода, трубопроводы, эстакады) направлении.
Задачей изобретения является наиболее эффективное использование суммарной энергии зондирующего излучения при измерении больших дальностей до целей с малыми угловыми габаритами и, соответственно, увеличение дальности действия до таких целей.
a
a
c
0
max
max
2
0
1
0
1
2
o
2
2
Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере с оптическим сумматором излучения, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых взаимно перпендикулярно поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, оптический сумматор выполнен в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, излучающие площадки лазерных диодов закреплены на корпусе дальномера совместно с объективом и двулучепреломляющей пластиной со стороны одной из ее граней на расстоянии  между излучающими площадками, связанном с толщиной h двулучепреломляющей пластины соотношением h=/tgβ, где β - угол преломления необыкновенного луча, перпендикулярно к оптической оси объектива введено плоское основание, на котором закреплены лазерные диоды, а перед лазерным диодом, соответствующим необыкновенному лучу, введена плоскопараллельная компенсационная пластина толщиной , где n - показатель преломления компенсационной пластины, A - астигматизм оптической системы, причем фокусное расстояние f объектива соответствует условию f>g/ψ, где g - максимальный габарит излучающей площадки, ψ - заданная максимальная выходная расходимость излучения от первой и второй излучающих площадок в их максимальном габарите, а положение оптической системы относительно изображений излучающих площадок соответствует условиям A - ϕf/D<Δf<ϕf/D, где ϕ и ϕ - заданная максимальная расходимость излучения от первой и второй излучающих площадок в их минимальном габарите, Δf - смещение фокуса оптической системы относительно изображения ближней к объективу излучающей площадки, A=А-A* - остаточный астигматизм оптической системы; A* - смещение фокальной плоскости оптической системы за счет компенсационной пластины.
Компенсационная пластина может быть приклеена к двулучепреломляющей пластине.
Компенсационная пластина может быть выполнена в виде полуволновой пластинки.
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 остаточном астигматизме A и дефокусировке Δf.
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-перпендикулярно на расстоянии а между ними в поперечном направлении. 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 одной точке на выходной грани пластины 12. Из фиг. 2 следует, что для этого должно соблюдаться условие
h - толщина пластины;
a
- расстояние между оптическими осями лазерных излучателей;
β - угол преломления необыкновенного луча.
Лазерные излучатели 4 и 5 установлены на основание 13. Перед излучателем 5, соответствующим необыкновенному лучу, установлена компенсационная плоскопараллельная пластина 14, приклеенная к двулучепреломляющей пластине 12.
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, 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 в 12 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 τ между переданным и принятым импульсами определяется дальность до цели R=cτ/2, где c - скорость света.
o
o
e
e
o
e
Удлинение оптического хода обыкновенного OO' и необыкновенного OO'' лучей в плоскопараллельной пластине равно, соответственно, Δf=h/h и Δf=h/hCosβ, где h - толщина пластины, n и n - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, β - угол преломления необыкновенного луча [3]. Для известных двулучепреломляющих кристаллов Cosβ ~ 1. С учетом этого астигматизм оптической системы
o
c
Введение компенсационной пластины 14 позволяет скомпенсировать астигматизм полностью или частично. Остаточный астигматизм A=A-A*, где  - смещение фокальной плоскости оптической системы за счет компенсационной пластины, g - толщина компенсационной пластины, n - показатель преломления компенсационной пластины.
Остаточный астигматизм может быть целесообразным при зондировании узких целей с поперечным габаритом, сопоставимым с ошибкой наведения оси дальномера, когда при наведении узким лучом происходит промах. Это возможно при наведении с подвижного основания, например, с борта летательного аппарата в процессе работы системы предупреждения столкновений, включающей лазерный дальномер.
Если излучающие площадки 4 и 5 расположены параллельно, то для создания перпендикулярности плоскостей поляризации излучаемых лазерных пучков компенсационная пластина 14 может быть выполнена в виде полуволновой пластинки [4].
На эквивалентной схеме фиг. 3 показаны изображения 4* и 5* излучающих площадок, приведенные к главной оси дальномера OO'. Система имеет остаточный астигматизм A и сфокусирована со смещением Δf относительно изображения площадки 4*. Из построений фиг. 3 следует.
Откуда
Пример.
0
1
2
-3
D=20; f=50; A=0,2; ϕ=ϕ=10. При этом из (5) и (6) следует
0,075<Δf<0,125.
Таким образом, данное техническое решение с одной стороны позволяет полностью устранить астигматизм, присущий оптическому сумматору такого типа, а с другой - позволяет сохранить остаточный астигматизм, необходимый для создания требуемой диаграммы направленности передающего канала дальномера.
Благодаря указанному построению дальномера обеспечивается решение поставленной задачи - наиболее эффективное использование суммарной энергии зондирующего излучения при измерении больших дальностей до целей с малыми угловыми габаритами и, соответственно, увеличение дальности действия дальномера.
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.