CN116951359A - 一种分体式电动变焦激光照明器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种分体式电动变焦激光照明器，包括变焦镜头总成和激光器总成；激光器总成由底板、半导体激光器、散热组件、激光电源和控制板组成；半导体激光器用于发射激光，控制板上装载有嵌入式控制系统；变焦镜头总成由物镜组件、电机组件、耦合组件、变焦组件和安装板组成；电机组件通过驱动变焦组件进行焦距调整，变焦镜头总成与激光器总成之间采用分体式连接方式；激光器总成和变焦镜头总成分体独立安装，通过光纤进行激光传输，通过线缆进行通讯连接，体积小、重量轻，激光发射功率稳定、光轴稳定，变焦位置控制准确、性能可靠，发射波长808nm激光对空中目标主动照明，并根据目标距离进行电动束散切换。

Description

一种分体式电动变焦激光照明器

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种分体式电动变焦激光照明器。

背景技术

激光照明器是激光技术在军事上为摄像机补光的常用设备，光束质量相干性、方向性好，束散调节方便、光束质量均匀，照明距离远，照明效果好，目前已广泛应用于观瞄、警戒、搜索和跟踪等光电设备。现有的激光照明器都是采用的一体式结构设计，装置体积大，质量重，不便于安装、调试；更重要的是现有的激光照明器还存在激光发射功率不稳定，变焦位置控制不够准确，光轴不稳定，工作性能不够可靠的问题，亟需进一步改进和完善。

发明内容

针对上述情况，本发明提供了一种分体式电动变焦激光照明器，在低照度和夜间条件下，发射波长808nm激光对空中目标进行主动照明，并根据目标距离进行电动束散切换，保持目标距离处光斑大小一定，可应用于对无人机等目标进行搜索和跟踪的光电设备上。

为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种分体式电动变焦激光照明器，通过光学系统方案、变焦镜头总成方案、激光器总成方案、控制系统方案，实现激光照明器主要技术指标如下：

a)激光波长：808nm；

b)工作模式：连续；

c)发射功率：≥18W；

d)束散变化范围：6～36′；

e)电控指标：能够通过指令根据距离信息，进行电动束散切换；通过指令进行功率大小调节；上电BIT自检和周期自检，并上报激光发射、束散大小、工作温度和光斑参数等状态。

激光照明器主要由激光器总成、变焦镜头总成、激光照明控制系统组成，激光器总成和变焦镜头总成分体，激光器总成通过光纤与变焦镜头总成进行激光传输，通过线缆两者进行电气信号传输。激光器总成由半导体激光器、散热组件、激光电源和控制板、底板等组成；变焦镜头总成由物镜组件、电机组件、耦合组件、变焦组件、安装板等组成。

半导体激光器发射808nm激光，经过长度≥1m光纤进行匀光后输出，通过带有定位锁定机构的SMA光纤插头与变焦镜头总成耦合组件连接；控制板通过线缆与变焦镜头总成电机组件步进电机和角位移传感器连接，通过系统接口CAN总线接收到目标距离信息，自动解算变焦位置，利用PD功率检测闭环控制激光发射功率，角位移检测闭环控制变焦镜头总成电机组件运动，对激光束进行扩束，保证目标照明光斑为φ3.5m左右，检测半导体激光器壳温，记录激光照明器工作时间，按照上级光电系统的状态查询时序，反馈状态信息，实现主动激光照明、电动束散切换、功率调节、上电BIT自检与周期自检等功能。

激光器总成和变焦镜头总成各具有4个固定安装孔，电源供电DC28V，通过CAN接口与上级光电系统进行信息交互，通过电源和通讯连接器与上级光电系统连接。

激光器总成方案：

激光器总成主要由半导体激光器、散热片及风扇、激光电源及控制板、安装板等组成。半导体激光器由9个808nm单管半导体激光器组成，并以串联方式集成在阶梯热沉上，经过快慢轴准直镜对光束准直，然后通过空间合束，将光束耦合进光纤进行匀光输出，光纤长度≥1m，光纤芯径200μm，数值孔径≥0.18，X、Y两个方向的光强曲线上均匀度均可以达到90％以上，发射功率≥20W。激光电源采用buck型PWM开关电流源，输入DC28V，开关工作频率达到1MHz，效率达到90％以上，电流波动0.05％，最大输出电流≥4A，输出电压DC24V。

激光照明控制系统采用HYM32F103AVBT ARM嵌入式系统，闭环控制激光发射，闭环控制变焦运动，具有电气极限位置保护功能，按照逻辑查询时序，通过CAN总线反馈状态信息。采用热传导的散热方式，将半导体激光器固定在具有较大散热面积的散热片上，并在散热片侧方安装风扇强制风冷散热。安装板为其他部分提供安装基准和机械安装接口。

光学系统方案：

变焦镜头总成光路采用连续变焦距准直投影发射光路，焦距取值变化范围19.1mm～114.59mm，变焦倍率6倍，激光照射发射口径为6.59mm～42.37mm。

变焦镜头总成方案：

变焦镜头总成主要由物镜组件、变焦组件、电机组件、耦合组件组成。

物镜组件光学玻璃采用压圈固紧，并用锁止螺栓锁死，安装时通过在压圈处均匀涂抹南大704硅橡胶，实现光学镜头的密封。

变焦组件的活动部位安装有齿条，变焦运动时，由步进电机带动传动齿轮转动，与齿条啮合，进而带动活动部位在导轨上作直线运动，从而实现光学系统的焦距调整。

电机组件包含步进电机和角位移传感器，角位移传感器与电机轴传动连接，用于实时检测电机转动角度。

耦合组件是激光器总成和变焦镜头总成的光学耦合物理连接组件，激光器发射光纤安装在耦合组件上，可通过前后调节光纤连接头的位置，保证光学系统间隔，耦合组件与定位锁定机构的SMA光纤插头配合连接，保证光纤插头重复安装定位精度。

控制系统方案：

激光照明控制系统是嵌入式控制系统，部署运行在控制板的微控制器HYM32F103AVBT里面，主要实现自检、参数设置、照明开关、功率调节、电动束散切换、温度检测、通讯等功能，控制系统程序采用C语言开发。

激光照明控制系统外部接口主要有IO、USART、CAN，IO驱动电机组件电机运动、风扇转动、接收温度传感器检测的半导体激光器壳温、接收功率检测PD检测的半导体激光器发射的激光功率大小，USART分别和激光电源和角位移传感器通讯，CAN和上级光电系统通讯。

本发明还包括能够使其正常使用的其它组件，均为本领域的常规手段，另外，本发明中未加限定的装置或组件，均采用本领域的现有技术。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的分体式电动变焦激光照明器，激光器总成和变焦镜头总成分体独立安装，具有体积小、重量轻、安装调试便利，光轴稳定性好、激光发射功率稳定、控制方便，变焦位置控制准确、工作性能稳定可靠等优点；并且该激光照明器的设计思想、方法和功能，还可以扩展应用于其他激光照明器的开发和研制，具有较大的推广应用价值。

附图说明

图1为实施例中激光照明器的部件组成框图。

图2为实施例中激光照明器的工作原理框图。

图3为实施例中激光器总成的三维模型图。

图4为实施例中半导体激光器内部单管半导体激光合束示意图。

图5为实施例中激光照明器的光学系统图。

图6为实施例中变焦镜头总成的三维模型图。

图7为实施例中激光照明控制系统的架构示意图。

图8为实施例中激光照明控制系统的外部接口图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例，对本发明的技术方案进行清晰完整地描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的部分实施例，而非全部实施例。

实施例

如图1-2所示，一种分体式电动变焦激光照明器，主要由激光器总成、变焦镜头总成、激光照明控制系统组成，激光器总成和变焦镜头总成分体，激光器总成通过光纤与变焦镜头总成进行激光传输，通过线缆两者进行电气信号传输。激光器总成包括半导体激光器、散热组件、激光电源和控制板、底板，散热组件包括散热片和风扇；变焦镜头总成包括物镜组件、电机组件、耦合组件、变焦组件、安装板。

半导体激光器发射808nm激光，经过长度≥1m光纤进行匀光后输出，通过带有定位锁定机构的SMA光纤插头与变焦镜头总成耦合组件连接；控制板通过线缆与变焦镜头总成电机组件的步进电机和角位移传感器连接，通过系统接口CAN总线接收到目标距离信息，自动解算变焦位置，通过系统接口CAN总线接收到目标距离信息，自动解算变焦位置，利用PD功率检测闭环控制激光发射功率，角位移检测闭环控制变焦镜头总成电机组件运动，对激光束进行扩束，保证对目标照明的光斑为φ3.5m左右，检测半导体激光器壳温，记录激光照明器工作时间，按照上级光电系统的状态查询时序，反馈状态信息，实现主动激光照明、电动束散切换、功率调节、上电BIT自检与周期自检等功能。

激光器总成和变焦镜头总成各具有4个固定安装孔总体机械接口，电源供电DC28V，通过CAN接口与上级光电系统进行信息交互，通过电源和通讯连接器与上级光电系统连接。

如图3所示，激光器总成主要由半导体激光器1、散热片2及风扇3、激光电源4及控制板5、底板6等组成。

如图4所示，半导体激光器由9个808nm单管半导体激光器组成，并以串联方式集成在阶梯热沉上，经过快慢轴准直镜对光束准直，然后通过空间合束，将光束耦合进光纤进行匀光输出，光纤长度≥1m，光纤芯径200μm，数值孔径≥0.18，从X以及Y两个方向的光强曲线上均匀度均可以达到90％以上，发射功率≥20W，光纤输出头采用具有定位锁定机构的SMA905光纤插头。

激光电源采用buck型PWM开关电流源，输入DC28V，开关工作频率达到1MHz，效率达到90％以上，电流波动0.05％，最大输出电流≥4A，激光电源具有6A限流和18V限压保护，通过RS422与控制进行数据电流输出、激光电源状态等参数交互。

激光照明控制系统采用HYM32F103AVBT ARM嵌入式系统，通过IO通道采集PDGT102光电管检测激光功率值，闭环控制激光发射功率大小；通过RS422采集角位移传感器CJW-HE-3702输出的角度位置，采用闭环控制电机组件变焦运动；根据变焦极限位置参数设置，保护变焦运动的安全性；通过CAN总线，接收上级光电系统状态查询指令，将当前照明开启、束散大小、激光器壳体温度、激光照明器工作时长等状态参数，通过CAN总线反馈给上级光电系统。

采用热传导的散热方式，将半导体激光器固定在具有较大散热面积的散热片上，散热片和半导体激光器间加铟片减少热阻，并散热片后方安装风扇412JH强制风冷散热，风扇速度根据激光器壳温有控制板闭环调速。

底板为半导体激光器、散热片及风扇、激光电源及控制板提供安装基准，有4个φ4.5的总体机械安装接口。

如图5所示，变焦镜头总成光路采用连续变焦距准直投影发射光路，焦距取值变化范围19.1mm～114.59mm，变焦倍率6倍，激光照射发射口径为6.59mm～42.37mm。

通过同步改变变焦物镜一12和变焦物镜二13的位置，实现变焦，激光束散大小在6′～36′间变化，并保证光斑边界清晰。

如图6所示，变焦镜头总成主要由物镜组件7、变焦组件8、电机组件9、耦合组件10、安装板11等组成。

物镜组件光学玻璃采用压圈固紧，并用锁止螺栓锁死，安装时通过在压圈处均匀涂抹南大704硅橡胶，实现光学镜头的密封。

变焦组件的活动部位安装有齿条，变焦运动时，由步进电机J28BC004带动传动齿轮转动，与齿条啮合，进而带动活动部位在导轨上作直线运动，从而实现光学系统的焦距调整。

电机组件包含步进电机J28BC004和角位移传感器CJW-HE-3702，角位移传感器与电机轴固连，便于实时检测电机转动角度。

耦合组件是激光组件和变焦镜头总成的光学耦合物理连接组件，激光器发射光纤安装在耦合组件上，可通过前后调节光纤连接头的位置，保证光学系统间隔，耦合组件与定位锁定机构的SMA 905光纤插头配合连接，保证光纤插头重复安装定位精度。变焦镜头总成的电气连接接口为J30J系列的连接器。

安装板为物镜组件、变焦组件、电机组件、耦合组件提供安装基准，有4个φ4.5的总体机械安装接口。

如图7所示，激光照明器控制系统为嵌入式控制系统，部署运行在控制板的微控制器HYM32F103AVBT里面，主要实现自检、参数设置、照明开关、功率调节、电动束散切换、温度检测、通讯等功能，控制系统程序采用C语言开发。

自检功能设计决策：自检束散大小、激光器壳体温度、激光照明器工作时长、变焦位置等状态；状态异常处于待机状态。

参数设置功能设计决策：控制系统接收到上级光电系统参数设置指令，设置束散大小、激光器功率、变焦位置；接收参数异常不进行参数设置操作。

照明开关功能设计决策：控制系统接收到上级光电系统照明开关指令，发射激光或关闭激光；对异常指令解析后不响应。

功率调节功能设计决策：控制系统接收到上级光电系统功率调节指令，控制激光电源输出电流，进行激光器发射功率调节；对异常指令解析后不响应。

电动束散切换功能设计决策：控制系统接收到上级光电系统束散切换指令，根据目标距离，解算变焦位置，驱动电机组件运动到束散切换位置；对异常指令解析后不响应。

温度检测功能设计决策：实时检测半导体激光器壳温，根据壳温调整风扇转速；检测到温度异常处于待机状态。

如图8所示，激光照明器控制系统外部接口主要有7路IO、2路USART、1路CAN。3路IO驱动电机组件电机运动，1路IO接收温度传感器温度值，1路IO接收功率检测PD检测的发射激光功率，1路驱动风扇转动；1路USART和激光电源通讯，控制激光电源工作，接收激光电源状态信息；1路USART和角位移传感器通讯，接收电机组件运动角度信息；1路CAN和上级光电系统通讯，进行接收指令和反馈激光照明器的状态数据交互。

本发明的技术方案并不限于上述具体实施例的限制，在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：包括变焦镜头总成和激光器总成；变焦镜头总成与激光器总成之间采用分体式连接方式，两者之间通过光纤进行激光传输，两者之间通过线缆进行通讯连接；

激光器总成由底板、半导体激光器、散热组件、激光电源和控制板组成；底板作为激光器总成各组件的安装基板，半导体激光器上设置有激光发射头，用于发射照明激光，散热组件用于给半导体激光器散热降温，激光电源用于给半导体激光器提供工作电源，控制板控制激光电源、半导体激光器及散热组件工作，控制板上装载有嵌入式控制系统；

变焦镜头总成由物镜组件、电机组件、耦合组件、变焦组件和安装板组成；安装板作为变焦镜头总成各组件的安装基板，物镜组件包括内设光学系统的光学镜头，电机组件通过驱动变焦组件实现光学系统的焦距调整，耦合组件作为激光器总成与变焦镜头总成的光学耦合物理连接组件，通过光纤与半导体激光器的激光发射头耦合连接，变焦组件和电机组件通过线缆与控制板通讯连接，电机组件和变焦组件也受控制板控制。

2.根据权利要求1所述的一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：所述半导体激光器由多个单管半导体激光器以串联方式集成在阶梯热沉上组成；激光光束经快慢轴准直镜准直，再通过空间合束，耦合进光纤，然后匀光输出，光纤长度≥1m，光纤芯径200μm，数值孔径≥0.18。

3.根据权利要求2所述的一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：所述半导体激光器为连续工作模式，激光波长808nm，激光发射功率可调节，发射功率≥18W，采用电动束散切换方式，束散变化范围6～36′。

4.根据权利要求1所述的一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：所述激光电源采用buck型PWM开关电流源，输入电压DC28V，开关工作频率可达1MHz，输出电压DC24V，最大输出电流≥4A。

5.根据权利要求1所述的一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：所述散热组件包括散热片和风扇，散热片与半导体激光器热传导连接，风扇配合安装在散热片侧方，用于给散热片强制风冷散热。

6.根据权利要求1所述的一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：所述光学镜头的光学玻璃采用压圈固紧，并使用锁止螺栓锁紧，安装时通过在压圈处涂抹硅橡胶，实现光学镜头的密封。

7.根据权利要求1所述的一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：所述变焦组件的活动部位安装有齿条，变焦运动时，由步进电机带动传动齿轮转动，传动齿轮与齿条啮合，进而带动活动部位在导轨上作直线运动，从而实现光学系统的焦距调整。

8.根据权利要求1所述的一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：所述电机组件包含步进电机和角位移传感器，角位移传感器与电机轴传动连接，用于实时检测步进电机转动角度。

9.根据权利要求1所述的一种分体式电动变焦激光照明器，其特征在于：所述嵌入式控制系统为ARM嵌入式微控制器系统，控制板上设有HYM32F103AVBT微控制器，通过接收上级光电系统指令和上报状态指令，实现对激光电源、半导体激光器、散热组件、电机组件及变焦组件的控制。