лазерный дальномер

Классы МПК:G01C3/08 с использованием детекторов излучения 
G01S17/08 для измерения только дальности
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-08-16
публикация патента:

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя. Объектив состоит из цилиндрического первого оптического компонента с фокусным расстоянием f1 , образующая которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго оптического компонента. Второй компонент симметричен относительно оси объектива и имеет фокусное расстояние f2 лазерный дальномер, патент № 2518588 А/лазерный дальномер, патент № 2518588 , где лазерный дальномер, патент № 2518588 - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения. Параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям лазерный дальномер, патент № 2518588 ; лазерный дальномер, патент № 2518588 , где f - фокусное расстояние системы; лазерный дальномер, патент № 2518588 - угловой размер удаленного объекта, соответствующий габариту B, лазерный дальномер, патент № 2518588 2=1/f2; лазерный дальномер, патент № 2518588 =1/f; l1=f2-l; l - расстояние между компонентами; лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 - угол расходимости в плоскости габарита А; лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 - угол расходимости габарита В. Причем второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l2 =f2+лазерный дальномер, патент № 2518588 f2 для изменения углов расходимости выходного излучения. Технический результат заключается в упрощении изготовления устройства при сохранении габаритов и КПД. 5 ил. лазерный дальномер, патент № 2518588

лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588

Формула изобретения

Лазерный дальномер, содержащий приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, эквивалентное тело свечения которого габаритами А×В расположено в фокальной плоскости объектива излучателя, а объектив излучателя состоит из цилиндрического первого оптического компонента с фокусным расстоянием f1, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения, и второго оптического компонента, отличающийся тем, что второй оптический компонент оптически симметричен относительно оптической оси объектива излучателя и имеет фокусное расстояние f2 лазерный дальномер, патент № 2518588 А/лазерный дальномер, патент № 2518588 , где лазерный дальномер, патент № 2518588 - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения, а параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям

лазерный дальномер, патент № 2518588 ; лазерный дальномер, патент № 2518588 ,

где f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;

лазерный дальномер, патент № 2518588 2=1/f2; лазерный дальномер, патент № 2518588 =1/f; l1=f2-l;

l - расстояние между оптическими компонентами;

лазерный дальномер, патент № 2518588 - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации габариту B тела свечения излучателя;

лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита А;

лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита В,

причем величина l1 не превышает значения, при котором астигматизм системы As удовлетворяет требованиям допуска, а второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l2=f2+лазерный дальномер, патент № 2518588 f2 для изменения углов расходимости выходного излучения системы.

Описание изобретения к патенту

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.

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 f1, образующая цилиндра которого перпендикулярна минимальному габариту В тела свечения лазерного излучателя и параллельна его максимальному габариту А, и второго цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f2, с образующей цилиндра, перпендикулярной максимальному габариту А тела свечения, которые удалены от эквивалентного тела свечения излучателя на расстояния l1 для первого цилиндрического компонента и l2 для второго цилиндрического компонента, причем l1=f1>В/лазерный дальномер, патент № 2518588 для первого цилиндрического компонента и l2 =f2>A/лазерный дальномер, патент № 2518588 для второго цилиндрического компонента, где лазерный дальномер, патент № 2518588 и лазерный дальномер, патент № 2518588 - 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.

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 1 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 f2лазерный дальномер, патент № 2518588 А/лазерный дальномер, патент № 2518588 , где лазерный дальномер, патент № 2518588 - угловой размер удаленного объекта, соответствующий по ориентации максимальному габариту А тела свечения, а параметры оптических компонентов удовлетворяют условиям

лазерный дальномер, патент № 2518588 ; лазерный дальномер, патент № 2518588

где f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;

лазерный дальномер, патент № 2518588 2=1/f2; лазерный дальномер, патент № 2518588 =1/f; l1=f2-l;

l - расстояние между оптическими компонентами;

лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита А;

лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 - угол расходимости излучения лазерного излучателя в плоскости его габарита В,

причем величина l 1 не превышает значения, при котором астигматизм системы As удовлетворяет требованиям допуска, а второй оптический компонент имеет возможность регулировки расстояния l2=f 2+лазерный дальномер, патент № 2518588 f2 для изменения углов расходимости выходного излучения системы.

На фиг.1 представлена блок-схема лазерного дальномера. Фиг.2а и 2б служат для пояснения вида эффективного тела свечения и апертурного угла лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 (лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 ) 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 f2 и углами лазерный дальномер, патент № 2518588 и лазерный дальномер, патент № 2518588 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 f1 и астигматизма As от расстояния между оптическими компонентами l.

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 l2, примерно равное его фокусному расстоянию f2 (фиг.4б).

Устройство работает следующим образом.

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 лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 и направляет его в сторону оптического компонента 9, совместно с ним формируя выходной пучок с угловой расходимостью в вертикальной плоскости лазерный дальномер, патент № 2518588 =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 лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 и формирует в горизонтальной плоскости выходной пучок с угловой расходимостью лазерный дальномер, патент № 2518588 =A/f2, 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 лазерный дальномер, патент № 2518588 хлазерный дальномер, патент № 2518588 . 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 лазерный дальномер, патент № 2518588 и лазерный дальномер, патент № 2518588 расходимости выходного излучения.

лазерный дальномер, патент № 2518588

лазерный дальномер, патент № 2518588

лазерный дальномер, патент № 2518588

лазерный дальномер, патент № 2518588

где

f - фокусное расстояние системы из первого и второго компонентов в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра первого компонента;

лазерный дальномер, патент № 2518588 2=1/f2; лазерный дальномер, патент № 2518588 =1/f; l1=f2-l;

l - расстояние между оптическими компонентами;

As - астигматизм объектива излучателя;

лазерный дальномер, патент № 2518588 f - удлинение фокального отрезка объектива за счет толщины первого компонента в плоскости, параллельной образующей цилиндра;

лазерный дальномер, патент № 2518588

лазерный дальномер, патент № 2518588 Н - 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].

лазерный дальномер, патент № 2518588

где

лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 - угол расходимости излучения лазера в плоскости его габарита А;

лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 - 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

Исходные данные. В=0,01 мм; А=0,1 мм; лазерный дальномер, патент № 2518588 =лазерный дальномер, патент № 2518588 =10-3 рад; лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 =10°; лазерный дальномер, патент № 2518588 лазерный дальномер, патент № 2518588 =20°.

Из условий (1) и (4) следует f2=100 мм. l2~f2=100 мм. f=10 мм.

По конструктивным условиям принято l=99,5 мм.

Тогда по формуле (2) определяется величина фокусного расстояния цилиндрического компонента.

лазерный дальномер, патент № 2518588

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]

лазерный дальномер, патент № 2518588

где n - показатель преломления материала стекловолокна;

r - радиус стекловолокна.

Для стекловолокна из оптического стекла К8 с показателем преломления n=1,516 [4] фокусному расстоянию f1=0,05 мм соответствует волокно диаметром 2r=0,14 мм.

При этом согласно (3) астигматизм As~0,4 мм.

При сборке дальномера углы расходимости излучения лазерный дальномер, патент № 2518588 и лазерный дальномер, патент № 2518588 можно оптимизировать продольной подвижкой второго оптического компонента с введением поправки лазерный дальномер, патент № 2518588 f2<<f2.

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.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2518588

patent-2518588.pdf

Класс G01C3/08 с использованием детекторов излучения 

устройство калибровки, система измерения расстояния, способ калибровки и программа калибровки -  патент 2529594 (27.09.2014)
приемная линзовая система и оптический дальномер -  патент 2529439 (27.09.2014)
способ измерения линейных перемещений объекта -  патент 2521220 (27.06.2014)
способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления -  патент 2521203 (27.06.2014)
лазерный дальномер -  патент 2516165 (20.05.2014)
телевизионно-лазерный визир-дальномер -  патент 2515766 (20.05.2014)
лазерный монокулярный дальномер -  патент 2515418 (10.05.2014)
способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага с использованием лазерного дальномера -  патент 2515083 (10.05.2014)
способ измерения расстояний на цифровой фотокамере -  патент 2485443 (20.06.2013)
оптическая система для многочастотной лазерной локации и способ ее осуществления -  патент 2480712 (27.04.2013)

Класс G01S17/08 для измерения только дальности

Наверх