CN108139480B - 保护高功率激光束穿过的空间的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于保护高功率激光束穿过的空间的方法和设备。根据本发明，以围绕该高功率激光束(3)的包络(8)的形式产生安全激光束，并且当物体接触到该包络时，禁止高功率激光束的发射。

Description

保护高功率激光束穿过的空间的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于确保高功率激光束穿过的空间的安全的方法和设备。

背景技术

众所周知，为了保护物体(人、动物、航空器等)免受高功率激光束的伤害和损害，通常对其中由雷达系统或由光学相机产生该激光束的空间(陆地空间或空域)进行监视。如此，当雷达系统或相机检测到这样的物体时，可以采取诸如使激光束去激活或者转移该物体之类的措施来避免该物体与该激光束发生接触。

除了这种已知的解决方案通常比较昂贵的事实之外，这种已知的解决方案还具有实施装置(雷达系统或光学相机)与高功率激光束相独立的显著缺陷，这使得保护程序复杂化和延长，并且破坏安全性。

WO 97/21261描述了一种包括用于生成低功率安全光束的装置和功率光束的系统。包围功率光束的低功率安全光束对穿透由低功率安全光束所创建的包络的任何物体进行检测。

WO 2011/121333描述了一种致眩器设备，其中，根据将被致眩的目标的范围来调制致眩光束的强度。

发明内容

本发明的目的是克服这些缺点。

出于这种目的，根据本发明，用于确保高功率激光束所穿过空间的安全的方法的特征在于：

以包络的形式产生至少一个低功率密度安全激光束，所述包络被定位且被对齐以在所述高功率激光束的长度的至少一部分上包围所述高功率激光束；以及

当物体遇到所述安全激光束时，阻止所述高功率激光束的发射。

如此，根据本发明，安全激光和高功率激光形成一个窄场整体且指向同一方向，其简化了该物体的检测并使得该检测更具有鲁棒性。此外，这种检测是有效的，使得本发明的检测能力大于相机的检测能力。

为了保护高功率激光束发生器的操作，该安全光束至少包围该高功率激光束的起始部分(靠近所述发生器的部分)。因此，有利于视觉安全。

优选地，所述安全激光束为在将被确保安全的所述空间中发散的锥形包络的形式。

在有利的实施例中，当物体第一次遇到该安全激光束时，阻止该高功率激光束的发射，且当同一物体第二次遇到该安全激光束时，重新建立该高功率激光束的发射。

如常见的那样，当该高功率激光束能够移动以扫描将被确保安全的空间时，该安全激光束与该高功率激光束一起移动。

为了防止在启动该高功率激光束时发生事故，在发射该光束之前，该安全激光束追踪至少一个扫描图案，这能够确保在由该安全激光束形成的该包络内没有物体。这种扫描图案至少可以是一个螺旋线。

在根据本发明的方法的一个实施例中，该方法能够确保该空间内不同距离或高度处的空间的安全性，产生多个同轴安全激光束且一个接一个的排列着，每个所述安全激光束部分嵌入在前面的安全激光束中，具有比前面的安全激光束的功率密度更大的功率密度，且具有比前面的安全激光束的发散度更小的发散度。

本发明还涉及一种确保高功率激光束穿过的空间的安全性的设备，包括：

至少一个低功率密度安全激光束的发生器；

光学元件，其用于给所述安全激光束提供锥形包络的形式，所述锥形包络在所述空间中发散并且被定位且被对齐以在所述高功率激光束的长度的至少一部分上包围所述高功率激光束；

光电探测器，其监视由所述安全激光束形成的所述包络；以及

触发装置，其用于触发所述高功率激光束的发射，所述装置受控于所述光电探测器。

用于给所述安全激光束提供锥形包络的形式的所述光学元件可以是旋转镜或锥透镜。在所述光学元件为锥透镜的情况下，所述光电探测器可以通过所述锥透镜监视该安全激光束的该包络。

优选地，根据本发明的设备包括用于将所述光电探测器的探测阈值调整为环境光的装置。

本发明还涉及一种包括如上所述的安全设备的高功率激光系统。

附图说明

附图中的图将显示如何执行本发明。在这些图中，相同的附图标记表示相似的元件。

图1示出了根据本发明的激光系统的一个实施例的框图。

图2中的图A至图E示意性地示出了图1的激光系统的操作模式。

图3示出了螺旋扫描图案。

图4示出了根据本发明的激光系统的变体的框图。

图5示意性地示出了用于图1至图4的激光系统的光学元件。

图6示意性地示出了根据本发明的激光系统的应用。

具体实施方式

根据本发明的且在图1中示意性示出的高功率激光系统S1包括高功率激光发生器1，该高功率激光发生器1借助于折叠式反射镜2在空间4中发射具有轴线P-P的高功率激光束3。

激光系统S1进一步包括一种用于保护空间4的安全性免受高功率激光束3的影响的设备，该安全设备包括：

产生低功率密度激光束6的激光发生器5，与高功率激光束3一样，该低功率密度激光束6也具有轴线P-P，该功率密度符合NF-EN 60825-1标准；

锥透镜7，该锥透镜7接收该低功率密度激光束6，并将其转换成同样具有轴线P-P的低功率锥形安全包络8。如此，锥形安全包络8被定位且被对准以包围该高功率激光束3。锥形安全包络8的功率在其穿过空间4时减小，使得其仅存在于激光系统S1侧提供的高功率激光束3的部分3.1上。为了保护激光系统S1的操作者，有利的是锥形安全包络8在视觉上是安全的；

宽视野光学系统9，其监视锥形安全包络8并从该包络接收光束10，用于检测物体与该锥形安全包络8的可能的相遇；

光电检测器11，其接收由光学系统9沿光轴10接收的光信号，并将检测该可能的相遇的这种光信号转换成电检测信号12；

控制器13，其接收该电检测信号12以及激光系统S1周围的环境光的测量值，该测量值是由光电二极管14提供的；

触发装置15，其接收由控制器13发射的信号16且适于触发高功率激光发生器1的发射。图1以受控开关的形式示意性地示出了触发装置15，但是毫无疑问，该触发装置15可以是诸如用于阻挡激光束3的机械快门、停止激光发生器1的操作的系统、用于切断向激光发生器1供电的装置之类的任何合适的类型；

用于激光系统S1或该系统的至少一部分的机动移动系统18(未示出，因为它可以是诸如X-Y工作台、卡丹式悬架之类的任何已知的类型)，其使得由高功率激光束3和锥形安全包络8共享的轴线P-P能够沿着两个直角坐标抽X-X、Y-Y来扫描空间4；以及

计算机17，被连接至激光发生器1和激光发生器5以及光电检测器11和机动移动系统18，用于根据下述算法来操作激光系统S1。

图2中的图A至图E示出了激光系统S1的安全操作。

在图A中，假设激光发生器1和激光发生器5正在运行并分别发射高功率激光束3和锥形安全包络8，同时物体19(例如鸟)接近该包络。图B示出了物体19第一次遇到锥形安全包络8的情形。这种相遇被光学系统9检测到，因此光电检测器11产生电检测信号12，并且考虑到由光电二极管14测量的环境光，控制器13借助于信号16和触发装置15而触发了高功率光束3的去激活。只要物体19位于锥形安全包络8内，其中高功率激光束3被去激活的这种新情形就一直存在(图C)。当物体19第二次遇到锥形安全包络8以离开该包络时(图D)，这种情形再次被光学系统9和光电检测器11检测到，因此控制器13可以触发高功率激光束3的重建(图E)。

为了防止事故发生，在高功率激光束3的任何发射之前，作为首要措施，发射低功率密度激光束6以形成锥形安全包络8，并且该包络的轴线P-P扫描空间4以检查物体是否在该锥形安全包络8内。如果没有检测到物体，则可以继续发射高功率激光束3。

为了执行对锥形安全包络8内的空间4的扫描，该包络的轴线P-P可沿着具有图3所示的螺旋形状20和螺旋形状21的螺旋形图案前进。

因此，优选地，由计算机17的算法触发的实施高功率激光系统S1的步骤如下：

a)首先，操作低功率密度激光发生器5以产生安全包络8；

b)然后，通过使轴线P-P遵循图3所示类型的扫描图案来扫描锥形安全包络8内的空间4，以确保在该锥形安全包络8内没有物体；

c)然后：

如果在锥形安全包络8内检测到物体，则等待直到系统S1第二次检测到物体(如图2中的图D所示，当离开锥形安全包络8时)并且重复上述扫描操作；

如果没有检测到物体，则计算机17允许发射高功率激光束3；以及

d)如果在发射高功率激光束3时第一次检测到物体19(图2中的图B)，则计算机17切断该高功率激光束3(图2中的图C)并且等待该物体的第二次检测(图2中的图D)，然后计算机17重复上述步骤b和c。

除了已被省略的宽视野光学系统9之外，根据本发明的并且在图4中示意性地示出的高功率激光系统的变体S2包括上面参照图1的激光系统S1所描述的所有元件。事实上，在其操作与所描述的激光系统S1的操作相同的激光系统S2中，锥形安全包络8由锥透镜7自身监视，该锥透镜7接收通过反射镜2返回的光束10，该反射镜2被设置为对光束10透明。通过光学分离器元件22将光束10与激光束6相分离，光学分离器元件22经由聚焦装置23将该光束引导至光电检测器11。

应该注意的是：

根据低功率密度激光束6形成锥形安全包络8的锥透镜7可以被诸如反射镜24之类的具有相同功能的另一光学元件所替代，如图5所示，反射镜24围绕被布置作为激光束6的延长线的轴线m-m旋转；以及

可选地，测量用于设置由光电检测器11产生的电信号12的阈值的环境光的光电二极管14可由检测该电信号12的缓慢变化的计算机17的软件替换。

应该注意的是，如果希望由锥形安全包络8提供的保护具有视觉特性，则在激光系统S1或激光系统S2附近，激光束3的被该包络保护的部分3.1不能太长；这是因为必须使用增加功率的激光束6来检测远距离物体19。

为了克服这个缺点，本发明提供了如图6所示的激光系统S3，其中，多个激光发生器5(未示出)产生多个同轴安全包络8.1、8.2、8.3等，其类似于安全包络8并被一个接一个的排列着，每个该安全包络部分嵌入在前面的安全包络中，具有比前面的安全包络的功率密度更大的功率密度，并且具有比前面的安全包络的发散度更小的发散度。

如此，光束3的受保护部分的长度可以逐渐增加，该安全包络保护其自身。参照图6，可以看出，靠近激光系统S1或激光系统S2的视觉安全包络8.1保护该系统的操作者免受激光束3和在该光束3的部分3.1上的包络8.2的伤害；其功率大于包络8.1的功率的安全包络8.2保护该操作者免受激光束3和光束3的大于部分3.1的部分3.2上的包络8.3的伤害；其功率大于包络8.2的功率的安全包络8.3保护该操作者免受在该光束的大于部分3.2的部分3.3上的激光束3的伤害等等。

因此，借助于图6中的布置，可以检测距离激光系统S1、激光系统S2不同距离处的物体，同时确保高功率激光束3的安全性。例如，安全包络8.1适于检测在最高等于1km的高度处移动的物体19，安全包络8.2适于检测在1km和30km之间的高度处移动的诸如航空器之类的物体25，以及安全包络8.3适于检测在大于300km的高度处移动的诸如卫星之类的物体26。

Claims (13)

1.一种确保高功率激光束(3)穿过的空间(4)的安全性的方法，

其特征在于：

以包络(8)的形式产生至少一个低功率密度的安全激光束，所述包络被定位且被对齐以在所述高功率激光束(3)的长度的至少一部分(3.1)上包围所述高功率激光束；

当物体(19)遇到所述安全激光束时，阻止所述高功率激光束(3)的发射；以及

当所述物体(19)第一次遇到所述安全激光束时，阻止所述高功率激光束(3)的发射，并且当同一物体第二次遇到所述安全激光束时，重新建立所述高功率激光束(3)的发射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述安全激光束至少包围所述高功率激光束(3)的起始部分(3.1)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述安全激光束为在所述空间(4)中发散的锥形包络的形式。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述高功率激光束(3)能够移动以扫描要确保其安全的所述空间(4)，

其特征在于，所述安全激光束与所述高功率激光束(3)一起移动。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在发射所述高功率激光束(3)之前，所述安全激光束追踪至少一个扫描图案(20、21)，使得能够确保在由所述安全激光束形成的所述包络内没有物体(19)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述扫描图案(20、21)至少为螺旋线。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，产生多个同轴安全激光束并一个接一个地排列，每个所述安全激光束部分嵌入在前面的安全激光束中，具有比所述前面的安全激光束的功率密度更大的功率密度，且具有比所述前面的安全激光束的发散度更小的发散度。

8.一种确保高功率激光束(3)穿过的空间(4)的安全性的设备，其特征在于，所述设备包括：

至少一个低功率密度的安全激光束的发生器(5)；

光学元件，其用于给所述安全激光束提供锥形包络(8)的形式，所述锥形包络在所述空间中发散，并且被定位且被对齐以在所述高功率激光束(3)的长度的至少一部分上包围所述高功率激光束；

光电探测器(11)，其监视由所述安全激光束形成的所述包络(8)；以及

触发装置(15)，其用于触发所述高功率激光束的发射，所述触发装置受控于所述光电探测器(11)，当物体(19)第一次遇到所述安全激光束时，所述触发装置(15)能够阻止所述高功率激光束(3)的发射，且当同一物体第二次遇到所述安全激光束时，所述触发装置(15)能够重新建立所述高功率激光束(3)的发射。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，用于给所述安全激光束提供包络形式的所述光学元件为锥透镜(7)。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述光电探测器(11)通过锥透镜(7)监视由所述安全激光束形成的所述包络(8)。

11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，用于给所述安全激光束提供锥形包络形式的所述光学元件为旋转镜。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于将所述光电探测器(11)的探测阈值调整为环境光的装置。

13.一种高功率激光系统，其特征在于，所述高功率激光系统包括根据权利要求8至12中任一项所述的设备。

Images