Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков
LASER RANGEFINDER WITH PROBING BEAM 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 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;
0
ϕ - предельно допустимая угловая расходимость выходного излучения в плоскости минимального габарита излучающей площадки;
o
n - показатель преломления обыкновенного луча двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины;
e
n - показатель преломления необыкновенного луча;
o
D - 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.
o
o
e
e
o
e
Удлинение оптического хода обыкновенного ОО' и необыкновенного ОО'' лучей в плоскопараллельной пластине равно, соответственно, Δf=h/n и Δf=h/n, где h - толщина пластины, n и n - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей [3].
Астигматизм оптической системы
1
3
При установке главной плоскости объектива 7 в положение H 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 F изображения 5* излучающей площадки 5 образуется кружок рассеяния диаметром
o
где А - астигматизм; D 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
0
Учитывая требование ϕ<ϕ, 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.
o
e
β=6°; n=1,642; n=1,479.
o
o
При заданных f=100 мм; D=25 мм; ϕ=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
1
2
3
В зависимости от установки объектива в положения H, Н, Н распределение энергии излучения в картинной плоскости принимает вид, показанный на фиг. 4.
1
3
При распределении H и Н 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).
1
2
1
2
Пример 2. Поперечная расходимость излучения от площадок, расположенных в плоскостях F и F, ϕ=0,1 мрад; ϕ=3 мрад.
Цель - труба диаметром 1 м.
1
2
На расстоянии R=1 км и R=0,5 км поперечные угловые размеры цели составляют соответственно 1 и 2 мрад.
1
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 η=1+1/3=4/3.
2
При точном наведении на дальности 0,5 км эта доля составляет 1+2/3=5/3, а при неточном, как на фиг. 5б) - η=1/3.
1
2
Энергетический проигрыш составляет η/η=4.
1
2
2
2
Энергетический выигрыш равен (R/R)=(1/0,5)=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.