ЛАЗЕРНЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ ДЛЯ АКТИВНО-ИМПУЛЬСНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ (ВАРИАНТЫ)
LASER ILLUMINATOR FOR ACTIVE-PULSE OPTOELECTRONIC DEVICES (VERSIONS)

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к активно-импульсным (АИ) оптико-электронным приборам (ОЭП) с регистрацией изображений на базе импульсных ЭОП или телевизионных камер, и может быть использовано в них в качестве осветителя, использующего полупроводниковый лазер с большим углом расходимости излучения, обеспечивающего импульсную подсветку объектов, в том числе на выносных наблюдательных пунктах.
Известны оптические схемы осветителей, предназначенные для уменьшения расходимости излучения полупроводниковых лазеров, в том числе и для АИ ОЭП, содержащие различное число оптических компонентов (от 1 до 4 линз и(или) зеркал, содержащих в том числе асферические поверхности), обеспечивающие различные значения фокусных расстояний (от 3 до 400 мм) и углы подсветки (от 0°15' до 3°), определяемые размером светящегося тела полупроводникового лазера и фокусным расстоянием оптической системы (Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 286 с. Таблица 17, с.136-138, объективы №1-29, рис.63-70). При этом оптические системы имеют постоянное фокусное расстояние в пределах всей апертуры осветителя, а их относительное отверстие определяется угловой расходимостью полупроводникового лазера, при этом последняя достигает величины 40°±3°. Основной недостаток таких систем заключается в том, что осветитель формирует одно поле подсветки, что приводит к тому, что облученность близкорасположенных объектов получается избыточной, а облученность объектов, расположенных на значительных расстояниях от осветителя, недостаточной для уверенного обнаружения, распознавания и идентификации объектов при их наблюдении в АИ ОЭП.
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является лазерный осветитель для АИ ОЭП, обеспечивающий различные углы подсветки пространства предметов, содержащий полупроводниковый лазер и оптическую систему (Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 286 с. Таблица 17, с.138, объективы №30-31, рис.71), в котором смена углов подсветки обеспечивается изменением фокусного расстояния оптической системы путем перемещения линз вдоль оптической оси (или ввода/вывода их из оптической системы). Например, осветитель (Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 286 с. Таблица 17, с.138, объектив №30, рис.71) состоит из 7 линз и имеет следующие параметры: переменное фокусное расстояние от 60 до 240 мм, относительное отверстие 1:1,4, габаритные размеры 180×354,5 мм. При изменении фокусного расстояния с 60 мм до 240 мм соответственно угол подсветки меняется с 6° до 1°30'.
Основными недостатками прототипа является снижение скорости обнаружения объектов, находящихся на различных дальностях от АИ ОЭП, из-за необходимости выполнения действий по смене фокусного расстояния оптической системы и соответственно угла подсветки, а также усложнение конструкции из-за наличия механизма перемещения оптических компонентов.
В предлагаемом лазерном осветителе для активно-импульсных оптико-электронных приборов решаются следующие задачи: повышение скорости обнаружения объектов за счет одновременного обеспечения трех полей подсветки, упрощение конструкции в силу отсутствия в оптической системе перемещающихся элементов. Повышение скорости обнаружения объектов особенно важно при наблюдении перемещающихся объектов, а отсутствие перемещающихся элементов и упрощение конструкции существенно для АИ ОЭП, размещенных на выносных наблюдательных пунктах.
Задача решается следующим образом: в лазерном осветителе для активно-импульсных оптико-электронных приборов, обеспечивающем различные углы подсветки пространства предметов, содержащем полупроводниковый лазер и оптическую систему, оптическая система выполнена трехканальной с различными фокусными расстояниями каналов, при этом выполняются следующие соотношения
где , ,  - фокусные расстояния первого, второго и третьего каналов оптической системы;
- минимальная числовая апертура первого канала;
,  - минимальная и максимальная числовые апертуры второго канала;
- числовая апертура третьего канала.
В предлагаемом устройстве первый канал выполнен зеркально-линзовым, второй и третий - линзовыми, при этом второй и третий каналы размещены в зоне центрального экранирования первого канала.
Первый зеркально-линзовый канал выполнен в виде двояковыпуклой положительной линзы, кольцевого сферического зеркала и положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к полупроводниковому лазеру, при этом на преломляющей поверхности двояковыпуклой линзы, обращенной к сферическому зеркалу, нанесено кольцевое зеркальное покрытие и наклеены с двух сторон по ходу лучей от лазера второй положительный мениск, диаметр которого не превышает диаметр зоны центрального экранирования первого зеркально-линзового канала, и двояковогнутая линза, диаметр которой определяет числовую апертуру третьего канала, а на положительный мениск, в его центральной зоне, наклеен третий положительный мениск, диаметр которого определяет максимальную числовую апертуру второго канала, при этом двояковыпуклая положительная линза с наклеенным вторым положительным мениском и положительный мениск образуют второй линзовый канал с кольцевой формой входного зрачка, а двояковыпуклая положительная линза с наклеенными на нее вторым положительным мениском и двояковогнутой линзой и положительный мениск с третьим положительным мениском образуют третий линзовый канал.
Вместо приклеенной на двояковыпуклую линзу двояковогнутой линзы возможно иное конструктивное исполнение, а именно: в центральной части двояковыпуклой линзы выполнен сферический сегмент с меньшим радиусом кривизны, чем радиус кривизны сферической поверхности двояковыпуклой линзы, при этом диаметр сферического сегмента определяет числовую апертуру третьего канала.
Более высокие технические характеристики лазерного осветителя для активно-импульсных оптико-электронных приборов по сравнению с прототипом обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:
- оптическая система выполнена трехканальной с различными фокусными расстояниями каналов, при этом выполняются соотношения (1);
- первый канал выполнен зеркально-линзовым, второй и третий - линзовыми, при этом второй и третий каналы размещены в зоне центрального экранирования первого канала;
- первый зеркально-линзовый канал выполнен в виде двояковыпуклой положительной линзы кольцевого сферического зеркала и положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к полупроводниковому лазеру, при этом на преломляющей поверхности двояковыпуклой линзы, обращенной к сферическому зеркалу, нанесено кольцевое зеркальное покрытие и наклеены с двух сторон по ходу лучей от лазера второй положительный мениск, диаметр которого не превышает диаметр зоны центрального экранирования первого зеркально-линзового канала, и двояковогнутая линза, диаметр которой определяет числовую апертуру третьего канала, а на положительный мениск, в его центральной зоне, наклеен третий положительный мениск, диаметр которого определяет максимальную числовую апертуру второго канала, при этом двояковыпуклая положительная линза с наклеенным вторым положительным мениском и положительный мениск образуют второй линзовый канал с кольцевой формой входного зрачка, а двояковыпуклая положительная линза с наклеенными на нее вторым положительным мениском и двояковогнутой линзой и положительный мениск с третьим положительным мениском образуют третий линзовый канал;
- на двояковыпуклую положительную линзу наклеен по ходу лучей от лазера второй положительный мениск, диаметр которого не превышает диаметр зоны центрального экранирования первого зеркально-линзового канала, а в центральной части двояковыпуклой линзы выполнен сферический сегмент с меньшим радиусом кривизны, чем радиус кривизны сферической поверхности двояковыпуклой линзы, при этом диаметр сферического сегмента определяет числовую апертуру третьего канала.
Выполнение оптической системы трехканальной с различными фокусными расстояниями каналов позволяет отказаться от использования в лазерном осветителе оптической системы с переменным фокусным расстоянием и соответственно от механизмов перемещения оптических элементов, что упрощает конструкцию. Вместе с тем обеспечивается повышение скорости обнаружения объектов за счет одновременного обеспечения трех полей подсветки.
Выполнение соотношений (1) позволяет обеспечить высокие значения эффективных относительных отверстий каналов осветителя и осуществить рациональное распределение мощности полупроводникового лазера между каналами оптической системы в лазерном осветителе.
Выполнение первого канала зеркально-линзовым, второго и третьего - линзовыми с размещением второго и третьего каналов в зоне центрального экранирования первого канала позволяет упростить конструкцию и одновременно уменьшить ее продольные габаритные размеры.
Выполнение каналов выше описанным образом позволяет осуществить трехпольную подсветку пространства предметов с заданными соотношениями (1).
Совокупность всех введенных признаков в предлагаемом лазерном осветителе для АИ ОЭП позволяет решить задачи повышения скорости обнаружения объектов за счет одновременного обеспечения трех полей подсветки и упрощение конструкции в силу отсутствия в оптической системе перемещающихся элементов.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны лазерные осветители для активно-импульсных оптико-электронных приборов, в которых были бы реализованы указанные признаки.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1а - принципиальная схема получения в осветителе трех зон с различными фокусными расстояниями;
фиг.1б - принципиальная схема получения в лазерном осветителе трех зон с различными углами подсветки;
фиг.2 - оптическая схема лазерного осветителя для АИ ОЭП;
фиг.3 - оптическая схема лазерного осветителя для АИ ОЭП (вариант).
На фиг.1а показана принципиальная схема получения в лазерном осветителе для АИ ОЭП трех зон с различными фокусными расстояниями, состоящая из каналов 1, 2 и 3 и полупроводникового лазера 4. Первый и второй каналы имеют кольцевые, третий - круглую формы выходных зрачков, при этом между фокусными расстояниями и апертурами каналов соблюдаются соотношения (1). В результате лазерный осветитель, показанный схематично на фиг.1б и состоящий из полупроводникового лазера 4 и оптической системы 5, обеспечивает три зоны с различными углами подсветки пространства объектов, обозначенные на фиг.1б, как ближняя, средняя и дальняя.
На фиг.2 показана оптическая схема лазерного осветителя для АИ ОЭП. Оптическая система содержит полупроводниковый лазер 4 и трехфокальную оптическую систему 5 с различными фокусными расстояниями каналов. Первый зеркально-линзовый канал выполнен в виде двояковыпуклой положительной линзы 6, кольцевого сферического зеркала 7 и положительного мениска 8, обращенного вогнутой поверхностью к полупроводниковому лазеру. На преломляющей поверхности двояковыпуклой линзы 6, обращенной к сферическому зеркалу, нанесено кольцевое зеркальное покрытие и наклеены с двух сторон по ходу лучей от лазера второй положительный мениск 9, диаметр которого не превышает диаметр зоны центрального экранирования первого зеркально-линзового канала, и отрицательный мениск 10, диаметр которого определяет числовую апертуру третьего канала. На положительный мениск 8 в его центральной зоне наклеен третий положительный мениск 11, диаметр которого определяет максимальную числовую апертуру второго канала. Двояковыпуклая положительная линза 6 с наклеенным вторым положительным мениском 9 и положительный мениск 8 образуют второй линзовый канал с кольцевой формой входного зрачка. Двояковыпуклая положительная линза 6 с наклеенными на нее вторым положительным мениском 9 и двояковогнутой линзой 10 и положительный мениск 8 с третьим положительным мениском 11 образуют третий линзовый канал.
Вместо двояковогнутой линзы 10, наклеенной на двояковыпуклую линзу 6, в центральной части последней может быть выполнен сферический сегмент с меньшим радиусом кривизны, чем радиус кривизны сферической поверхности двояковыпуклой линзы, при этом диаметр сферического сегмента определяет числовую апертуру третьего канала. Такой вариант исполнения показан на фиг.3.
Устройство работает следующим образом. Излучение, идущее от полупроводникового лазера 4, имеющего расходимость более 40°, проходя оптическую систему 5, делится входящими в нее элементами на три части. Первая часть излучения проходит через первый зеркально-линзовый канал: последовательно проходит через мениск 8, отражается от кольцевого зеркального покрытия, нанесенного на линзе 6, и, отразившись от зеркала 7, направляется в пространство объектов, при этом максимальная числовая апертура первого канала определяется наружным диаметром сферического зеркала, минимальная - диаметром мениска 9 и размером кольцевого зеркального покрытия на двояковыпуклой линзе 6. Вторая часть излучения проходит через второй линзовый канал, а именно: через мениски 8, 9 и линзу 6, при этом максимальная апертура второго канала определяется диаметром мениска 9, минимальная - диаметром мениска 11. Третья часть излучения проходит через третий линзовый канал, а именно: через мениски 8, 11, 9, линзу 6, двояковогнутую линзу 10, при этом апертура третьего канала определяется диаметром линзы 10. Каналы имеют фокусные расстояния, удовлетворяющие соотношению (1), и формируют различные углы подсветки в пространстве объектов: первый канал - наименьший угол подсветки, соответствующий дальней зоне наблюдения, второй - средний, соответствующий средней зоне наблюдения, а третий - наибольший угол подсветки, соответствующий ближней зоне наблюдения.
В конкретном примере исполнения параметры каналов в лазерном осветителе для АИ ОЭП имеют значения, приведенные в таблице.
Параметры каналов в лазерном осветителе для АИ ОЭП
Канал
f', мм
A<sub>max</sub>
A<sub>min</sub>
D<sub>эфф</sub>:f'
первый
183
0,35
0,22
1:1,7
второй
106
0,21
0,10
1:2,5
третий
54
0,10
1:5
Диаметр линзы 6 равен 136 мм, геометрическое относительное отверстие первого канала 1:1,37, длина осветителя вдоль оптической оси составляет 156 мм, в т.ч. задний фокальный отрезок оптической системы равен 42,3 мм.
Как следует из данных таблицы, в лазерном осветителе для АИ ОЭП выполняются соотношения (1).
Распределение мощности полупроводникового лазера по каналам оптической системы в конкретном примере исполнения соответствует пропорции 1:0,48:0,12, т.е. в дальнюю зону направляется 60% мощности лазера, в среднюю - 30%, в ближнюю - 10%. Указанное деление мощности на три части обуславливается конкретным характером задач, решаемых с помощью комплекса АИ ОЭП, в составе которого работает лазерный осветитель. В общем случае распределение мощности лазерного излучения по каналам оптической системы может быть другим.
Использование данного лазерного осветителя в составе активно-импульсного ОЭП позволяет вести наблюдение объектов как в ближней зоне, так и средней и дальней, в режиме автоматического сканирования по глубине пространства, создавая на экране монитора приемной части ОЭП более полное представление о просматриваемом пространстве.
Кроме того, при работе АИ ОЭП и с предлагаемым лазерным осветителем можно автоматизировать процесс поиска объектов по габаритам и яркости отражения на различных расстояниях. Это можно реализовать на недорогих микропроцессорах, которые будут фиксировать появление ярких объектов и указывать величину дальности в цифровом виде.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого изобретения, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет повысить скорость обнаружения объектов за счет одновременного обеспечения трех полей подсветки и упростить конструкцию в силу отсутствия в оптической системе перемещающихся элементов.
Литература
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 286 с.