ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ

Полезная модель относиться к оптической связи и может быть использована в системах лазерной связи для поиска, слежения и локации подвижных объектов. Несмотря на повсеместное распространение радиосвязи, на флоте постоянно используется оптическая система передачи информации с помощью лазерной связи или прожекторов. (Катанович А.А., Николашин Ю.Л. Корабельные оптические системы связи. СПб., Судостроение, 2009 г.)
Лазерные системы связи воздушного базирования могут быть установлены на всех самолетах противолодочной обороны наземного и палубного базирования, самолетах-ретрансляторах и воздушных командных пунктах. Для управления подводными лодками, действующих в условиях быстро меняющейся тактической обстановки, требуется передача в их адрес данных в реальном масштабе времени. Такая передача осуществляется с использованием узкого лазерного луча с самолета на подводную лодку.
Однако, на надежность лазерной линии связи оказывает низкая точность сканирования входного и выходного пучков излучения.
Известен зеркальный объектив, содержащий вогнутое и выпуклое асферические зеркало, между которыми в центре кривизны поверхности изображения размещено поворотное плоское зеркало. (Авторское свидетельство СССР №492842, 1974 г.)
Недостатком такого устройства является низкая точность сканирования из-за того, что коэффициент повышения точности сканирования, определяемый как отношение угла поворота плоского зеркала к углу сканирования (углу поворота луча), не превышает 4,5.
Кроме того, в устройстве пучок на выходе сходится, т.е. оно не обеспечивает одновременно со сканированием коллимацию пучка, что не позволяет наряду с использованием устройства для приема излучения, использовать его для передачи. Коллимация с помощью вспомогательной системы вносит дополнительные потери и искажения.
Целью полезной модели является повышение точности сканирования при одновременной коллимации входного и выходного пучков.
Поставленная цель достигается тем, что в оптической системе со сканируемым полем зрения, содержащей выпуклое и вогнутое асферические зеркала, установленные соосно с общим фокусом, и основное плоское поворотное зеркало, асферические зеркала выполнены параболическими, а оптическая система снабжена дополнительным плоским зеркалом, установленным с возможностью поворота совместно с основным плоским зеркалом вокруг оси, проходящей через общий фокус параболических зеркал и через дополнительное плоское зеркало, так, что указанная ось, нормаль к дополнительному плоскому зеркалу в точке его пересечения с этой осью и нормаль к основному плоскому зеркалу лежат в одной плоскости.
На фиг.1 приведена принципиальная схема оптической системы со сканируемым полем зрения, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - схема, поясняющая работу устройства.
Устройство состоит из вогнутого 1 и выпуклого 2 силовых отражающих компонентов, которые расположены соосно и имеют общий фокус. Между силовыми отражающими компонентами 1 и 2 установлено основное плоское поворотное зеркало 3. Дополнительное плоское зеркало 4 установлено на оси, проходящей через фокус F с возможностью совместного поворота с основным плоским зеркалом 3 вокруг общей оси (фиг.1 и 2).
Устройство работает следующим образом.
Узкий квазипараллельный пучок излучения лазера направляется так, что ось этого пучка проходит через точку F - общий фокус вогнутого 1 и выпуклого 2 силовых отражающих компонентов.
Пучок отражается дополнительным зеркалом 4 и попадает на основное поворотное зеркало 3, после отражения, от которого попадает на выпуклый компонент 2, отражаясь от которого расходится и попадает на вогнутый силовой компонент 1. После него, расширенный и коллимированный, уходит в пространство.
При сканировании плоские зеркала 3 и 4 совместно поворачиваются вокруг оси, проходящей через точку F и плоское зеркало. При этом осевой луч пучка, отраженный плоским зеркалом 3, проходит через эту же точку и пересекает поверхность силового компонента 2 в точке А (фиг.3).
1
ВЫП
ВОГН
В силу свойств параболических отражающих поверхностей схемы Мерсена луч, отраженный компонентом 2 (фокусом которого является точка F), проходит параллельно главной оптической оси и пересекает компонент 1 в точке В. После чего луч, отраженный компонентом 1, опять проходит через точку F. Поскольку высота точек А и В над главной оптической осью одинакова (обозначим ее Н), а расстояние точек 0 и 0 от точки F являются главными фокусными расстояниями компонентов 1 и 2 (обозначим их f и f, то при повороте входящего пучка на угол α выходящий пучок синхронно повернется на угол , при этом коэффициент повышения точности сканирования К=β/α.
Как известно, схема Мерсена афокальна и в ней строго исправлены сферические аберрация и астигматизм и выполняется условие синусов, т.е. исправлена также и кома.
Благодаря афокальности примененной схемы в оптической системе без участия какой-либо вспомогательной оптики происходит преобразование узкого луча в пространстве изображений в широкий в пространстве предметов, т.е. коллимация вводимого в систему пучка.
Коэффициент коллимации определяется отношением ширины широкого пучка к ширине узкого пучка в зрачках оптической системы.
Коллимация используется также для повышения точности сканирования. При наклоне оси узкого пучка к оптической оси системы на некоторый угол ось широкого пучка, в силу уменьшения расходимости, отклонится на меньший угол и влияние погрешности устройства, задающего наклон узкого пучка, соответственно уменьшится. В отличие от прототипа, коэффициент повышения точности санирования в данной системе зависит от параметров оптической схемы (соотношения фокусов обоих силовых компонентов), что позволяет значительно повысить соответствующую точность сканирования.
Равномерное распределение плотности излучения в коллимированном пучке обеспечивается отсутствием в схеме Мерсена сферической аберрации, комы и астигматизма. Однако последний исправляется строго только в том случае, когда центр входного и выходного зрачков совпадает с общим фокусом обоих силовых компонентов. Этим определяется положение оси поворота узкого пучка, которая должна проходить через центр входного или выходного зрачка.
1
2
2
2
1
11
0
1
11
В оптических системах оптико-электронных устройств источник излучения, при работе устройства на передачу, или приемник излучения, пи работе на Прием, при совместной работе, при осуществлении сканирования должны оставаться неподвижными. Выполнение этого требования достигается применением двух плоских поворотных зеркал, одно из которых пересекается поворотной осью, вдоль которой первоначально направлен узкий пучок, причем, это зеркало наклонено таким образом, что отраженный от него узкий пучок попадает на второе плоское зеркало, в свою очередь наклоненное таким образом, что отраженный от него узкий пучок попадает на вогнутый отражающий компонент, а ось этого пучка направлена на общий фокус силовых компонентов (см. фиг.1). Поскольку сама поворотная ось тоже проходит через эту точку, то отрезки оси узкого пучка, заключенные между фокусом и зеркалами и между самими зеркалами, являются сторонами треугольника, сумма углов которого, как известно, составляет 180°, а биссектрисы углов, являющиеся в данном случае нормалями к плоским зеркалам, лежат в одной плоскости. Например, в оптической системе, собранной по указанной схеме, где вогнутое зеркало имеет параметры: R 6000 мм; e1; ø 300 мм, выпуклое зеркало имеет параметры: R 60 мм; e1; ø 10 мм, расстояние между параболическими зеркалами - 2970 мм, коэффициент коллимации равен 100. Чтобы просканировать этой оптической системой угол 5 9,4(участок длинной 1,5 км на удалении 1000 км), плоские зеркала должны развернуться на угол 83525,2.
В предлагаемом устройстве точность санирования в 22 раза выше, чем в известных устройствах.
Применение такой системы со сканируемым полем зрения позволяет при сканировании внутри небольших углов повысить разрешающую способность и дальнодействие оптико-электронных комплексов.