ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР
LASER RANGE FINDER

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.
Известен лазерный дальномер [1], содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого расположено в фокальной плоскости объектива излучателя.
Недостаток такой конструкции - невозможность обеспечить в малых габаритах малую выходную расходимость выходного излучения и одновременно апертурный угол объектива, достаточный для сбора всего светового пучка с выхода излучателя.
1
2
1
2
1
1
2
2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерный дальномер, описанный в [2]. Указанный лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из первого цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения лазерного излучателя и параллельна его максимальному габариту А, и второго цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f, с образующей цилиндра, перпендикулярной максимальному габариту А тела свечения, которые удалены от эквивалентного тела свечения излучателя на расстояния l для первого цилиндрического компонента и l для второго цилиндрического компонента, причем l=f>В/β для первого цилиндрического компонента и l=f>A/α для второго цилиндрического компонента, где α и β - угловые размеры удаленного объекта, соответствующие по ориентации габаритам А и В эквивалентного тела свечения излучателя.
Недостаток такого технического решения - относительно высокая трудоемкость изготовления цилиндрических компонентов, особенно если их оптические поверхности имеют полиномиальную образующую, в чем возникает необходимость при больших апертурных углах и высоких требованиях к расходимости выходного изучения дальномера.
Задачей изобретения является снижение трудоемкости изготовления оптической системы излучателя лазерного дальномера при сохранении ее малых габаритов, малой расходимости выходного излучения и максимальных апертурных углов оптической системы, обеспечивающих полный сбор энергии излучения с выхода лазерного излучателя.
1
2
Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого с габаритами АхВ расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из первого оптического компонента - цилиндрической линзы с фокусным расстоянием f и образующей цилиндра перпендикулярной минимальному габариту В тела свечения лазерного излучателя и параллельной его максимальному габариту А, и второго оптического компонента, второй оптический компонент оптически симметричен относительно оптической оси объектива излучателя и имеет фокусное расстояние f≥А/α, где α - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения, а параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>φ</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>В</mi><mo>/</mo><mi>β</mi><mo>≤</mo><mi>f</mi><mo>≤</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>α</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>β</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
;
где f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;
2
2
1
2
ϕ=1/f; ϕ=1/f; l=f-l;
l - расстояние между оптическими компонентами;
α
θ - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита А;
β
θ - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита В,
1
2
2
2
причем величина lне превышает значения, при котором астигматизм системы As удовлетворяет требованиям допуска, а второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l=f+Δfдля изменения углов расходимости выходного излучения системы.
β
α
2
1
На фиг.1 представлена блок-схема лазерного дальномера. Фиг.2а и 2б служат для пояснения вида эффективного тела свечения и апертурного угла θ(θ) соответственно у твердотельного лазерного излучателя с линзой и полупроводникового лазера. Фиг.2в иллюстрирует связь между габаритами В и А тела свечения с фокусными расстояниями f и f и углами β и α расходимости выходного излучения. На фиг.3а показано взаимное положение эквивалентного тела свечения и компонентов объектива излучателя. На фиг.3б изображены вид и габариты двухполоскового тела свечения полупроводникового лазера с двумя излучающими переходами. На фиг.4 представлены сечения передающего устройства вдоль оси излучения в двух перпендикулярных плоскостях. На фиг 5 показаны зависимости фокусного расстояния f и астигматизма As от расстояния между оптическими компонентами l.
2
2
Лазерный дальномер (фиг.1) содержит передающее устройство, состоящее из лазерного излучателя 1, сопряженного с объективом 2 излучателя, и приемное устройство, состоящее из приемника 3, сопряженного с объективом 4 приемника. Лазерный дальномер сориентирован так, чтобы оси приемного и передающего устройств были направлены в сторону удаленного объекта. Если лазер 5 формирует квазипараллельный пучок излучения, то введением в состав лазерного излучателя линзы 6 можно создать эквивалентное тело свечения 7, расположенное на конечном расстоянии от объектива излучателя (фиг.2а). Тело свечения 7 полупроводникового лазера 5 совпадает с его выходной гранью (фиг.2б). Перед телом свечения размещен первый оптический компонент 8, представляющий собой цилиндрическую линзу (фиг.2в, 4а). Второй оптический компонент 9, представляющий собой сферическую линзу, удален от тела свечения 7 на расстояние l, примерно равное его фокусному расстоянию f (фиг.4б).
Устройство работает следующим образом.
β
α
2
При срабатывании лазерного излучателя 1 на его выходе образуется тело свечения 7, испускающее расходящийся пучок лазерного излучения. Первый цилиндрический компонент 8, не влияя на расходимость пучка лазерного излучения в горизонтальной плоскости, перехватывает этот пучок излучения в вертикальной плоскости в апертурном угле θ и направляет его в сторону оптического компонента 9, совместно с ним формируя выходной пучок с угловой расходимостью в вертикальной плоскости β=B/f, где В - вертикальный габарит тела свечения 7, a f - эквивалентное фокусное расстояние системы из первого и второго оптических элементов (Н - главная плоскость этой системы). Второй оптический компонент 9 работает также в горизонтальном апертурном угле θ и формирует в горизонтальной плоскости выходной пучок с угловой расходимостью α=A/f, где А - горизонтальный габарит тела свечения 7.
В описанной конфигурации первый и второй оптические компоненты объектива в общем случае создают астигматизм. Предлагаемые ограничения на соотношение параметров элементов объектива позволяют уменьшить его до приемлемого уровня, обеспечивая при этом выполнение решаемой задачи.
Основная функция объектива излучателя - сформировать выходной пучок зондирующего излучения с угловой расходимостью αхβ. Это требование выполняется при соблюдении условий, которые следуют из расчетных соотношений для двухлинзовой системы фиг.4а [3, стр.35-36] и требований к ее астигматизму As и углам α и β расходимости выходного излучения.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>∼</mo><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><mi>А</mi><mo>/</mo><mi>α</mi><mo>;</mo><mtext>                                     </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>φ</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext>                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>А</mi><mi>s</mi><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>l</mi><mo>−</mo><mi>b</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>Н</mi><mo>;</mo><mtext>                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>f</mi><mo>≥</mo><mi>В</mi><mo>/</mo><mi>β</mi><mo>,</mo><mtext>                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;
2
2
1
2
ϕ=1/f; ϕ=1/f; l=f-l;
l - расстояние между оптическими компонентами;
As - астигматизм объектива излучателя;
Δf - удлинение фокального отрезка объектива за счет толщины первого компонента в плоскости, параллельной образующей цилиндра;
<mrow><mi>b</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>l</mi><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext>                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ΔН - удлинение фокального отрезка объектива за счет расстояния между главными плоскостями первого компонента в плоскости, перпендикулярной образующей цилиндра.
Вторая важнейшая функция объектива излучателя - собрать излучаемый телом свечения лазера пучок в апертурных углах, соответствующих углам расходимости излучения. Этому требованию отвечает условие, получаемое из рассмотрения хода лучей в оптической системе фиг.4 [3, стр.21-22, 35-36].
<mrow><mi>f</mi><mo>≤</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>α</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>β</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext>,                                           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
α
θ - угол расходимости излучения лазера в плоскости его габарита А;
β
θ - угол расходимости излучения лазера в плоскости его габарита В.
Отраженное удаленным объектом излучение с помощью объектива 4 приемника 3 фокусируется на чувствительную площадку приемника. Дальность до объекта R=ct/2,
где t - задержка принятого сигнала, с - скорость света.
Пример
-3
α
β
Исходные данные. В=0,01 мм; А=0,1 мм; α=β=10 рад; θ=10°; θ=20°.
2
2
2
Из условий (1) и (4) следует f=100 мм. l~f=100 мм. f=10 мм.
По конструктивным условиям принято l=99,5 мм.
Тогда по формуле (2) определяется величина фокусного расстояния цилиндрического компонента.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>∼</mo><mn>0,05</mn><mtext> мм</mtext><mtext>.</mtext></mrow>
Такое расстояние может быть получено, например, при использовании в качестве первого оптического компонента отрезка стекловолокна с круглым сечением.
Фокусное расстояние подобного элемента определяется формулой [3, стр.37]
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>n</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mfrac><mi>r</mi><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где n - показатель преломления материала стекловолокна;
r - радиус стекловолокна.
1
Для стекловолокна из оптического стекла К8 с показателем преломления n=1,516 [4] фокусному расстоянию f=0,05 мм соответствует волокно диаметром 2r=0,14 мм.
При этом согласно (3) астигматизм As~0,4 мм.
2
2
При сборке дальномера углы расходимости излучения α и β можно оптимизировать продольной подвижкой второго оптического компонента с введением поправки Δf<<f.
Предлагаемое изобретение позволяет существенно упростить изготовление оптических элементов лазерного дальномера за счет применения типовых оптических деталей, тем самым обеспечивая поставленную задачу - снижение трудоемкости изготовления оптической системы излучателя лазерного дальномера при сохранении ее малых габаритов, малой расходимости выходного излучения и максимальных апертурных углов оптической системы, обеспечивающих полный сбор энергии излучения с выхода лазерного излучателя.
Источники информации
1. Патент США №6903811.
2. Патент РФ №2341771 - прототип.
3. И.Л.Сакин. Инженерная оптика. Изд. «Машиностроение», Л., 1976 г.
4. М.Я.Кругер и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Изд. «Машиностроение», Л., 1968 г.