ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДАЛЬНОМЕРА
OPTICAL RANGE FINDER SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено в качестве малогабаритного полупроводникового лазерного дальномера, используемого автономно, а также для встраивания в оптико-электронные приборы, в которых предполагается наличие функции измерения дальности при эксплуатации.
Известен полупроводниковый лазерный дальномер ДЛ-1 (Статья «Носимые и переносные лазерные приборы для спецтехники», журнал «Спецтехника и связь», №6, 2011 г., стр. 2-11), оптическая система которого содержит излучающий и приемный каналы с отдельными объективами, оптические оси которых расположены параллельно друг другу. Минимизация размеров при таком конструктивном исполнении достигается известными методами (глава 4.3, рис. 4.3.23 «Практика конструктора оптико-электронной техники и техники ночного видения», Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н., 2013 г., 640 с), заключающимися в уменьшении входных зрачков объективов при минимально возможных ограничениях апертурных углов излучателя и приемника и в уменьшении расстояния между оптическими осями каналов излучателя и приемника.
Известен также лазерный дальномер (патент RU 2341771 С1, 20.12.2008), в оптической системе которого для уменьшения габаритных размеров в канале излучателя используются цилиндрические линзы, которые также более полно согласуют разность апертурных углов полупроводникового лазерного излучателя во взаимно перпендикулярных направлениях.
Недостатком этих оптических систем является увеличенный габаритный размер по одной координате вследствие применения двух разных объективов в каналах излучателя и приемника.
Также в таких оптических системах присутствует ошибка от параллакса, обусловленная разнесением оптических осей канала излучателя и приемника.
Наиболее близким по технической сущности является приемно-передающее устройство (патент RU 2484506 С1, 10.06.2013), оптическая система которого принята за прототип. Устройство имеет одно общее входное (выходное) окно и содержит сферический обтекатель, плоское зеркало с осевым отверстием, расположенное под углом к оптической оси, объектив, расположенный после плоского зеркала и оптически связанный с фотоприемным устройством, аттенюатор и лазерный излучатель.
Недостатком этой оптической системы является использование твердотельного лазерного излучателя, высокая параллельность пучка которого и его малый диаметр не требуют фокусирующего объектива для излучателя, но высокая мощность которого требует наличия аттенюатора для защиты фотоприемника от отраженного внутриприборного лазерного излучения.
Задачей настоящего изобретения является создание оптической системы дальномера, имеющей один общий входной объектив для излучающего и приемного каналов и обеспечивающей возможность применения полупроводникового лазерного излучателя, уменьшающего габаритные размеры системы и исключающего возможность выхода из строя фотоприемника от отраженного внутриприборного лазерного излучения.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в оптической системе дальномера, содержащей плоское зеркало с осевым отверстием, расположенное под углом к оптической оси, объектив, фотоприемник и полупроводниковый лазерный излучатель, в отличие от известного объектив выполнен в виде положительной линзы и положительного мениска и оптически связан с фотоприемником и полупроводниковым лазерным излучателем, а плоское зеркало с осевым отверстием расположено после объектива, при этом выполняются следующие соотношения:
мах
где D - максимальный диаметр входного зрачка объектива;
изл.
D - диаметр центральной зоны входного зрачка для излучающего канала;
пр.эфф
мах
изл.
D - эффективный диаметр, эквивалентный площади кольцевого зрачка для приемного канала, ограниченный диаметрами D и D;
об.
_
f′ фокусное расстояние объектива;
⊥
θ - угловая расходимость излучения лазерного диода в плоскости, перпендикулярной длинной стороне излучающей площадки;
||
θ - угловая расходимость излучения лазерного диода в плоскости, параллельной длинной стороне излучающей площадки;
отв.
D - диаметр осевого отверстия в плоском зеркале;
изл.
_
t воздушный промежуток между плоским зеркалом и излучателем.
Такая оптическая система обеспечивает измерение лазерным дальномером дальности до объекта наблюдения через один общий входной зрачок оптической системы без ошибок параллакса, обусловленных разнесением отдельно выполненных зрачков каналов излучения и приема сигналов измерения дальности, а также обеспечивает минимально возможные габаритные размеры прибора.
Оптическая схема системы дальномера приведена на фигуре 1.
Оптическая система дальномера содержит основной объектив, состоящий из линз 1 и 2, плоское зеркало с осевым отверстием 3, расположенное под углом к оптической оси, полупроводниковый лазерный излучатель 4 и фотоприемник 5.
Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы дальномера приведены в таблице 1.
Параметры такого варианта исполнения оптической системы дальномера:
максимальный диаметр входного зрачка D<sub>мах</sub>
44,5 мм
расчетная длина волны
0,905 мкм
фокусное расстояние f′<sub>об.</sub>.
100,75 мм
задний фокальный отрезок
96,27 мм
диаметр входного зрачка центральной зоны
объектива излучающего канала D<sub>изл.</sub>
30 мм
относительное отверстие центральной зоны
объектива для излучающего канала
1:3,3
эффективный диаметр кольцевой зоны
объектива для приемного канала D<sub>пр.эфф.</sub>
32,8 мм
эффективное относительное отверстие кольцевой
зоны объектива для приемного канала
1:3
Принцип действия оптической системы дальномера заключается в следующем.
Основной объектив, состоящий из двух компонентов 1 и 2 является единым входным зрачком для двух каналов - излучающего дальномерного и приемного дальномерного. Центральная зона основного объектива служит входным зрачком для излучающего канала, кольцевая внешняя зона основного объектива служит входным зрачком для приемного канала, при этом максимальный диаметр основного объектива выбирается из следующего соотношения:
мах
где D - максимальный диаметр входного зрачка объектива 1,2;
изл.
D - диаметр центральной зоны входного зрачка для излучающего канала;
пр.эфф.
мах
изл.
D - эффективный диаметр, эквивалентный площади кольцевого зрачка для приемного канала, ограниченный диаметрами D и D.
Диаметр центральной зоны входного зрачка для излучающего канала зависит от угловой расходимости излучения лазерного диода 4 в плоскости, перпендикулярной длинной стороне излучающей площадки, и от угловой расходимости лазерного излучения в плоскости, параллельной длинной стороне излучающей площадки, и выбирается из следующего соотношения:
об.
где f′ - фокусное расстояние основного объектива 1,2;
⊥
θ - угловая расходимость излучения лазерного диода 4 в плоскости, перпендикулярной длинной стороне излучающей площадки;
||
θ - угловая расходимость излучения лазерного диода 4 в плоскости, параллельной длинной стороне излучающей площадки.
После объектива установлено плоское зеркало 3 с осевым отверстием, расположенное под углом к оптической оси, разветвляющее пучок лучей на две части - излучающую и приемную. Излучающая часть формируется лучами, прошедшими через центральную зону основного объектива 1, 2 и через осевое отверстие плоского зеркала 3, диаметр которого выбирается из следующего соотношения:
отв.
где D - диаметр осевого отверстия в плоском зеркале 3;
изл.
t - воздушный промежуток между плоским зеркалом 3 и излучателем 4.
отв.
||
⊥
||
изл.
об.
отв.
изл.
Полупроводниковый лазерный излучатель 4 устанавливается в фокальной плоскости центральной зоны объектива 1,2 с соответствующей ориентацией угловой расходимости. Вследствие наклона зеркала 3 отверстие в нем приобретает вид эллипса в направлении распространения лазерного пучка. По большой оси эллипса, размер которой равен D, ориентируется максимальная диаграмма направленности лазерного диода 4 разворотом его корпуса. Минимальный угол излучения лазерного диода 4 соответственно будет проходить по малой оси эллипса, таким образом, уменьшение просветного отверстия при наклоне зеркала 3 компенсируется соответственным уменьшением θ - угловой расходимости излучения лазерного диода в плоскости, параллельной длинной стороне излучающей площадки соответственно типовой диаграмме направленности полупроводникового лазерного излучателя 4 (фиг. 2). Используемые углы (θ и θ) для рассматриваемого варианта исполнения (D=30 мм, f′=100,75 мм) составляют ~ 18° из 25° и 12° из 12° соответственно при диаметре отверстия в зеркале 3 D=6,8 мм и расстоянии до него от полупроводникового лазерного излучателя 4 t=21,05 мм.
изл.
мах
⊥
Однако полный световой диаметр основного объектива 1, 2 составляет 44,5 мм. Избыточная площадь входного зрачка, ограниченная диаметрами D=30 мм и D=44,5 мм, является входным зрачком приемного канала, отражаясь от зеркальной плоскости разделительного зеркала 3 и формируя апертурный угол от 18° до 25°, в котором чувствительность типового фотоприемника 5 все еще близка к 100% (фиг. 3). Таким образом, приемная часть формируется лучами, прошедшими через кольцевую зону основного объектива 1, 2 и отраженными от плоского зеркала 3, установленного под углом к оптической оси, при этом лучи от центральной зоны объектива 1, 2 не попадают на фотоприемник 5, установленный в фокальной плоскости объектива, что не снижает эффективность приема отраженного сигнала в соответствии с диаграммой направленности фотоприемника. Апертурная чувствительность фотоприемника 5 здесь значительно превышает θ - максимальную угловую расходимость излучения лазерного диода 4 (в плоскости, перпендикулярной длинной стороне излучающей площадки).
Разница в апертурных углах полупроводникового лазерного излучателя 4 и фотоприемника 5 позволяет использовать для каждого из них соответствующие зоны входного зрачка единого основного объектива 1, 2, разделяя каналы наклонным зеркалом 3 с осевым отверстием и располагая это зеркало на соответствующем расстоянии от объектива 1, 2, чем исключаются апертурные энергетические потери при измерении дальности до цели.
По регистрации времени излученного и принятого импульсов вычисляется дистанция до цели.
Оптическая система дальномера обеспечивает величину размера пятна рассеивания на цели - не более 2,2 м по максимальному геометрическому отклонению, что вполне допустимо при измерениях дальности.