Лазерный дальномер с двулучепреломляющим сумматором излучения

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 друг относительно 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 содержит 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 двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны, причем толщина двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины определяется по формуле:

h - толщина пластины;

a - расстояние между излучающими площадками лазерных излучателей;

β - угол преломления необыкновенного луча.

В частности, каждый лазерный излучатель может быть выполнен в виде лазерного диода, излучающую площадку которого образует полупроводниковый p-n переход.

Лазерные диоды могут быть выполнены в единой кристаллической структуре или микросборке. Излучающие площадки диодов целесообразно располагать параллельно - в силу технологических особенностей изготовления и соображений компактности. В этом случае для обеспечения взаимной перпендикулярности направления поляризации излучаемых пучков перед одной из площадок введена полуволновая пластина.

Точность совмещения оптических осей лазерных излучателей зависит от повторяемости расстояния a между излучающими площадками и соответствия ему толщины пластины h согласно условию (1). Несоблюдение этих условий приводит к непараллельности осей лазерных пучков в составе выходного излучения, результатом чего является искажение диаграммы направленности зондирующего пучка, ухудшение энергетической облученности цели и, соответственно, снижение дальности действия и помехозащищенности дальномера.

Задачей изобретения является повышение дальности действия и повышение помехозащищенности лазерного дальномера.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере с двулучепреломляющим сумматором излучения, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны, двулучепреломляющая пластина закреплена с возможностью вращения вокруг оси, параллельной оптическим осям лазерных излучателей, на углы 0≤α≤α_max, где α_max - предельная величина угла вращения пластины, причем толщина двулучепреломляющей пластины удовлетворяет условию (1):

h≥a/tgβ, где

h - толщина пластины;

a - максимально допустимое расстояние между оптическими осями лазерных излучателей;

β - угол преломления необыкновенного луча,

а предельная величина угла вращения двулучепреломляющей пластины удовлетворяет условию: , где

- коэффициент допустимого снижения мощности излучения;

I₀ - мощность излучения на выходе двулучепреломляющей пластины при α=0;

I - минимально допустимая мощность излучения на выходе двулучепреломляющей пластины вдоль оси объектива.

На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2а) и 2б) - варианты взаимного расположения лазерных излучателей и оптических элементов передающего устройства. На фиг. 3 показана схема, поясняющая принцип действия устройства в продольном сечении двулучепреломляющего кристалла. Фиг. 4 иллюстрирует принцип действия устройства в картинной плоскости дальномера.

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 перпендикулярно. 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 A выходной грани пластины 12. Из фиг. 2 следует, что для этого должно соблюдаться условие

h=АВ - толщина пластины;

a=BC - расстояние между оптическими осями лазерных излучателей;

β - угол преломления необыкновенного луча.

В другом варианте построения передающего устройства (фиг. 3) излучающие площадки расположены параллельно. Перед лазерным излучателем 4 установлена полуволновая пластина 13 [2].

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 взаимно перпендикулярной ориентации излучающих площадок (фиг. 2), направления поляризации пучков выходного излучения также 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. При параллельном расположении излучающих площадок поворот плоскости поляризации одного из лазерных пучков на 90° осуществляется с помощью полуволновой пластины 13 (фиг. 2). 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.

При несоблюдении условия (1), например при a'<a (фиг. 3), осевой необыкновенный луч от источника 5' пересекает входную грань двулучепреломляющей пластины 12 в точке C'. При этом преломленный необыкновенный луч пересекается с обыкновенным лучом от источника 4 в точке A' и с выходной гранью пластины 12 - в точке A''. В силу этого условие (1) не выполняется, и оптические оси источников 4 и 5* на выходе объектива 7 расходятся.

Согласно предложенному решению, указанный недостаток устраняется поворотом двулучепреломляющей пластины вокруг ее продольной оси на угол α (фиг. 4). При этом коэффициент преломления необыкновенного луча в плоскости фиг. 3 уменьшается, а угол преломления становится равным β'<β и тем самым условие (1) соблюдается. Преломленный необыкновенный луч C'A изображен на фиг. 3 пунктиром.

При повороте главной плоскости двулучепреломляющей пластины относительно плоскости, в которой лежат оптические оси излучателей, изображение каждого из них интенсивностью I расщепляется на два - соответственно расщеплению поляризации излучения на поперечную и продольную компоненты. При этом интенсивности обыкновенного I₀ и необыкновенного I_c лучей подчиняются зависимости [3, стр. 274]

где α - угол поворота пластины вокруг ее продольной оси (фиг. 4).

Допустимому коэффициенту η снижения интенсивности доли излучения, оставшейся в обыкновенном луче после поворота пластины, соответствует согласно (2) предельное значение угла .

Перемещение изображения излучающей площадки в дальней зоне дальномера (в картинной плоскости цели) в зависимости от угла поворота двулучепреломляющей пластины показано на фиг. 4. В исходном положении пластины α=0 изображение центра излучающей площадки 4, создающей обыкновенный луч АВ, проецируется в точку X=X_o. Необыкновенный луч при этом находится в точке X=X_e. При повороте двулучепреломляющей пластины на угол α положение необыкновенного луча перемещается в точку X=X_eα, не совпадающую с положением обыкновенного луча на величину δ. При регулировке оптического сумматора устанавливают угол α₀, при котором δ~0.

Пример, η=0,9. Тогда .

Для исландского шпата угол преломления необыкновенного луча β=6°.

При номинальном расстоянии между излучающими площадками a=0,1 мм толщина двулучепреломляющей пластины h=a/tgβ=0,1/tg6°=0,95 мм.

При повороте пластины на α=18,4°

β'=βCosα-6Cos18,4=5,69°.

Тогда допустимая величина a'=htgβ'=0,95tg5,69°=0,094 мм.

Допуск на расстояние между излучающими площадками Δa=0,1-0,094=0,006 мм.

Относительная величина допуска .

Такие требования обеспечиваются технологией сборки гибридных излучателей, и пределы регулировки поворотом двулучепреломляющей пластины обеспечивают точное сопряжение выходных пучков излучения на выходе оптического сумматора.

Благодаря этому обеспечивается формирование заданной диаграммы направленности выходного излучения лазерного дальномера без энергетических потерь вдоль оси дальномера, определяемой центром чувствительной площадки фотоприемного устройства, и без образования боковых лепестков диаграммы направленности. Это, с одной стороны, способствует повышению дальности действия дальномера, а с другой - снижению уровня отражений от посторонних объектов, близких к его оси.

Указанные преимущества обеспечивают повышение дальности действия и повышение помехозащищенности лазерного дальномера.

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.

3. А.Н. Матвеев «Оптика», М., «Высшая школа», 1985 г. - 351 с.