FI113497B - Valotutka - Google Patents

Description

Valotutka 1 ^/

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen valotutka.

Tämänkaltaisia valotutkia käytetään mittausten suorittamiseen siten, että valotutkasta 5 lähetetään mitattavaa kohdetta kohti lähetinkeila ja havainnoidaan mitattavan kohteen suunnasta palaavaa paluusignaalia. Paluusignaali muodostuu lähetinkeilan valon sirotessa ja/tai heijastuessa mitattavasta kohteesta.

Erityisesti keksinnön kohteena olevia valotutkia käytetään meteorologisten mittausten tekemiseen. Yleisimpiä valotutkan avulla suoritettavia mittauksia ovat pilvenkorkeus-10 mittaus, näkyvyysmittaus sekä ilmakehän rajakerroksen rakenteen ja korkeuden määritys.

Kuvio 1 kuvaa yhden tunnetun tekniikan mukaisen valotutkan optista rakennetta.

Kuvio 2 kuvaa toisen tunnetun tekniikan mukaisen valotutkan optista rakennetta.

Kuvion 1 valotutka sisältää lähettimen 1, tyypillisesti pulssitetun laserlaitteen, joka 15 tuottaa lähetettävää valoa, sekä vastaanottimen 2, jonka avulla voidaan vastaanottaa valoa lähetettävällä aallonpituudella. Valotutka sisältää myös linssin 13, joka suuntaa lähettimen 1 lähettämän valon olennaisesti yhdensuuntaiseksi lähetinkeilaksi 14. Kuviossa on kuvattu myös ilmakehässä olevia partikkeleita 15, joista lähetinkeila 14 siroaa ja/tai heijastuu. Osa siroavasta ja/tai heijastuvasta valosta 16 etenee linssille 13, • : 20 joka kohdistaa valon polttopisteeseensä. Kohteen lisäksi valoa siroaa myös valotutkan sisällä ja lähialueella olevista pinnoista, partikkeleista ja ilmamolekyyleistä. Kohteen ,,; mittauksen kannalta tämä erittäin voimakas signaalikomponentti on häiriö, jota voidaan kutsua ylikuulumiseksi. Ilmakehästä valotutkan lähimittausetäisyydeltä sironnut valo aiheuttaa signaalin, joka on ylikuulumisen tavoin kaukaa vastaanotettavaa signaalia 25 merkittävästi voimakkaampi, sillä siroava valo vaimenee suhteessa etäisyyden neliöön. , ·. : Lisäksi vastaanottimelle 2 saapuu monisironnutta valoa sekä kohteesta että ilmakehästä .·**. valotutkan ja kohteen välillä. Monisironneella valolla tarkoitetaan tässä uudelleen .1 . sironnutta valoa eli valoa, joka siroaa useamman kuin yhden partikkelin kautta.

113497 2

Kuvion 1 valotutkassa vastaanotinta 2 ei voida sijoittaa linssin 13 polttopisteeseen, koska linssin polttopisteessä on lähetin 1. Tästä syystä valotutka on varustettu säteenjakajalla 17, joka heijastaa linssiltä 13 tulevan valon vastaanottimeen 2. Vastaanotinta 2 varten muodostetaan siis heijastettu polttopiste, johon linssi 13 kerää 5 sen valon, joka saapuu linssille 13 linssin keskiakselin suunnassa. Näin vastaanottimelle 2 muodostuu näkökenttä, joka vastaa hyvällä tarkkuudella lähetinkeilan 14 muotoa. Vastaanottimen näkökenttää kutsutaan myös vastaanotinkeilaksi. Kuvion 1 esittämässä ratkaisussa lähetinkeilan 14 ja näkökentän keskiakselit yhtyvät, joten sitä voidaan nimittää koaksiaalitutkaksi.

10 Kuvion 1 mukaisessa koaksiaaliratkaisussa ongelman muodostaa ylikuuluminen ja liian voimakas sironta valotutkan lähialueella tai lähimittausetäisyyksillä. Liian voimakas lähialueen sironta voi haitata mittausta valotutkan koko mittausalueella, sillä tällöin vastaanotin 2 voi saturoitua liian voimakkaan paluusignaalin johdosta.

Lähialueella tarkoitetaan tässä aluetta, joka ulottuu tutkan sisältä aina halutun 15 mittausalueen alkuun saakka (esim. 0,1 m). Mittausalue taas on se etäisyysväli, joka alkaa lähialueen jälkeen ja päättyy mittauskantamaan. Mittausalue on tässä jaettu lähimittausetäisyyksiin ja muuhun mittausalueeseen.

Tunnetaan myös sellaisia valotutkaratkaisuja, joissa lähialueen sironnan vaikutus on * vähäisempi, koska lähetinkeila ja vastaanottimen näkökenttä on sijoitettu erilleen ‘ 20 toisistaan. Tällaista ratkaisua voidaan kutsua biaksiaalitutkaksi. Biaksiaalitutkassa ‘ · · ' lähialueelta ei vastaanoteta kertaalleen sironnutta signaalikomponenttia vaan lähialueelta saatava signaali on pääasiassa monisironnutta valoa. Biaksiaalitutka on *·"* toteutettu kahdella erillisellä optisella järjestelmällä, joista toinen muodostaa , lähetinkeilan ja toinen kohdistaa palaavan valon vastaanottimeen. Tällaisessa • · · • · 25 ratkaisussa lähetetyn valon sironta vastaanottimeen on huomattavasti vähäisempää • » ’! ’ kuvion 1 kuvaamaan ratkaisuun verrattuna. Ratkaisu on kuitenkin monimutkaisempi ja kalliimpi, sillä siinä tarvitaan erilliset optiset järjestelmät, tyypillisesti linssit tai

• I

’ · ; ‘ linssistöt, vastaanotinta ja lähetintä varten. Koska vastaanottimen ja lähettimen optinen järjestelmä ovat toisistaan erilliset, laitteiston sisäinen kohdistaminen on myös vaativaa. 30 Mikäli lähetinkeilan keskiakselin suunta poikkeaa vastaanotinkeilan keskiakselin suunnasta, lähetinkeila voi erkaantua vastaanotinkeilasta, jolloin lähimittausetäisyyk-siltä palaava signaali muodostuu pääasiassa monisironneesta valosta ja mittauksesta 3 115497 tulee epävarmempi. Kohdistusvirhe voi myös muuttua käytön aikana optisten jäijestelmien keskinäisen liikkeen tai värinän johdosta, jolloin mittauksesta tulee epästabiili. Lisäksi virhettä voi periaatteessa aiheutua siitä, että kohteen ja väliaineen sironta tai heijastus eivät käyttäydy symmetrisesti lähetinkeilan suhteen. Kaiken 5 kaikkiaan biaksiaalitutkan stabiilisuus on vastaavanlaatuista koaksiaalitutkaa huonompi.

Lisäksi tunnetaan valotutkaratkaisu, jossa käytetään hyväksi Cassegrainin teleskooppia ja heijastetaan lähtevä säde Cassegrainin teleskoopin yläpuolelle sijoitetulla peilillä. Kuvio 2 esittää periaatekuvaa tällaisesta ratkaisusta. Kuviossa 2 esitetty valotutka sisältää kuvion 1 valotutkan tapaan lähettimen 1 sekä vastaanottimen 2. Valo otetaan 10 vastaan Cassegrainin teleskoopilla, johon sisältyy peilit 23 ja 24, jotka keräävät näkökentän alueelta saapuvan valon ja ohjaavat sen peilissä 23 olevan reiän kautta vastaanottimeen 2. Valotutka sisältää myös peilin 25, joka on sijoitettu peilin 24 yläpuolelle siten, että lähetettävä valo voidaan heijastaa lähetinkeilaksi, joka sijoittuu ainakin valotutkan lähialueella vastaanottimen näkökentän keskelle. Kuvion 2 15 kaltaisessa ratkaisussa voidaan yhdistää joitakin biaksiaaliratkaisun ja kuvion 1 kuvaaman koaksiaaliratkaisun etuja. Kuvion 2 ratkaisussa nimittäin lähetinkeila ja vastaanottimen näkökenttä menevät vähemmän päällekkäin valotutkan lähialueella. Lisäksi lähetinkeilan ja vastaanottimen näkökentän pieni suuntausvirhe ainakin osittain kompensoituu siitä syystä, että vastaanottimen näkökenttä sijaitsee lähetinkeilan ‘ 20 ympärillä. Cassegrain-ratkaisun huono puoli on monimutkaisuus. Tyydyttävästi : ' toimiakseen Cassegrain-ratkaisu vaatii myös useiden optisten komponenttien ’; · * ’ keskinäisen kohdistuksen. Kuvion 2 ratkaisussa täytyy tehdä vähintään seuraavat tarkat ;,,' kohdistukset: - teleskoopin peilien 23 ja 24 keskitys ja suuntaus 25 - vastaanottimen 2 keskitys : ;'; - vastaanottimen fokusointi (tehdään yleensä säätämällä peilien 23 ja 24 välistä :' “: etäisyyttä) .,!: ’ - lähettimen 1 fokusointi - lähetinkeilan ja vastaanotinkeilan (vastaanottimen näkökentän) kohdistaminen 30 yhdensuuntaisiksi (peilin 25 avulla) 113497 4

Kuvion 2 mukaisen ratkaisun saattaminen käyttövalmiuteen on siis varsin vaativaa. Edellä mainituista kohdistusvaiheista ehkä vaativin on lähetinkeilan ja vastaanotinkeilan saaminen yhdensuuntaisiksi. Keilojen yhdensuuntaistaminen voi olla erityisen vaikeaa, mikäli se joudutaan tekemään kenttäolosuhteissa valotutkan siirtämisen jälkeen.

5 Niinpä kullakin edellä esitetyistä tunnetuista ratkaisuista on omat ongelmansa, jotka vähentävät ratkaisun houkuttelevuutta ja käyttökelpoisuutta. Kuvion 1 kuvaaman kaltaisessa koaksiaaliratkaisussa ongelmana on liian voimakas lähialueen sironta. Biaksiaaliratkaisussa ongelma on puolestaan lähetinkeilan ja vastaanotinkeilan kohdistus ja kohdistusvirheen hyvin voimakas vaikutus vastaanotettavan signaalin 10 voimakkuuteen. Kuvion 2 mukaisessa ratkaisussa lähetinkeilan ja vastaanotinkeilan kohdistusvirheen vaikutus on biaksiaaliratkaisua vähäisempi mutta itse kohdistaminen vieläkin vaikeampaa kuin biaksiaaliratkaisussa. Kuvion 2 kuvaama laite on muutoinkin monimutkainen ja vaatii muita ratkaisuja enemmän kohdistustoimenpiteitä.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada valotutkaa varten parannettu optinen rakenne, 15 jossa voitaisiin yhdistää entistä useampia edellä mainittujen tunnettujen ratkaisujen hyviä puolia mutta samalla välttää ainakin joitakin tunnettuihin ratkaisuihin liittyvistä ongelmista. Erityisesti keksinnön tarkoituksena olisi aikaansaada optinen rakenne, joka rakenneominaisuuksiensa puolesta mahdollistaisi - tunnettuun biaksiaalirakenteeseen verrattuna paremman stabiilisuuden, 20 - tunnettua koaksiaalitutkaa (kuvion 1 ratkaisu) vähäisemmän sironnan * t * lähialueella, ja ' · ’ - olisi silti tunnettua Cassegrain-ratkaisua (kuvio 2) helpompi kohdistaa.

I‘·': Keksintö perustuu siihen, että lähetinkeilan ja vastaanotinkeilan taittaminen suoritetaan » I « :,,,: yhdessä optisessa järjestelmässä, pääasiassa yhden integroidun optisen komponentin ; 25 avulla. Integroidun optisen komponentin reuna-aluetta käytetään toisen keilan ;" *: taittamiseen ja toinen keila taitetaan integroidun optisen komponentin keskialueella.

’;. Tällöin taittamisella tarkoitetaan yhdensuuntaisesti etenevien valonsäteiden kohdistamista yhteistä polttopistettä kohti tai yhteisestä polttopisteestä hajaantuvien valonsäteiden kohdistamista yhdensuuntaisesti eteneviksi valonsäteiksi. Taittaminen 30 voidaan siis suorittaa esimerkiksi linssin tai kaarevan peilin avulla. Integroidulla 5 11349? optisella komponentilla puolestaan tarkoitetaan optista komponenttia, joka osallistuu sekä lähetinkeilan että vastaanotinkeilan taittamiseen ja jota voidaan mekaanisesti käsitellä yhtenä kappaleena. Integroitu optinen komponentti voi muodostua yhdestä optisesta elimestä, kuten linssistä tai peilistä. Myös yksi ainoa linssi voi siis toimia tässä 5 tarkoitettuna integroituna optisena komponenttina. Vaihtoehtoisesti integroitu optinen komponentti voidaan muodostaa useammasta optisesta elimestä kytkemällä ne toisiinsa siten, että ne toimivat mekaanisesti yhtenä kappaleena. Integroidun optisen komponentin lisäksi optiseen järjestelmään suunnitellaan ainakin yksi heijastus siten, että integroidun optisen komponentin reuna-alueella taittaman valon polttopiste sijoittuu 10 välimatkan päähän integroidun optisen komponentin keskialueella taittaman valon polttopisteestä. Näin lähetinkeila ja vastaanotinkeila muodostuvat sisäkkäisiksi siten, että valotutkan lähialueella vastaanottimen näkökenttä ympäröi lähetinkeilaa tai lähetinkeila ympäröi vastaanottimen näkökenttää. Näistä kahdesta vaihtoehdosta parempana pidetään kuitenkin ratkaisua, jossa vastaanottimen näkökenttä sijaitsee 15 lähetinkeilan ympärillä.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle valotutkalle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

• Keksinnön mukainen ratkaisu voidaan nimittäin toteuttaa siten, että: 20 - Lähetinkeila ja vastaanotinkeila ympäröivät, mutta eivät ainakaan suurelta osin : leikkaa, toisiaan lähialueella, jolloin lähialueelta tulevan signaalin voimakkuus on selvästi pienempi (monisironta ilmassa aiheuttaa aina tietyn signaalikomponentin) kuin tunnetussa koaksiaaliratkaisussa.

> * * ‘,,; - Lähetinkeila ja vastaanotinkeila ympäröivät mutta eivät leikkaa lähialueella, '!' 25 jolloin rakenne mahdollistaa tunnettuun biaksiaaliratkaisuun verrattuna selvästi i * » '': > * stabiilimman vastaanotettavan signaalin tietyllä säätötarkkuudella.

' - Lähetinkeilan ja vastaanotinkeilan pääasiallinen taittaminen suoritetaan >, integroidulla optisella komponentilla, joka toimii mekaanisesti yhtenä * kappaleena, jolloin valotutkan rakenne on suhteellisen yksinkertainen ja 30 kohdistaminen selvästi helpompaa kuin tunnetussa Cassegrain-ratkaisussa.

113497 6

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa valon suuntaaminen voidaan siis suorittaa yhden optisen järjestelmän avulla ja kuitenkin järjestää siten, että vastaanottimen näkökenttä ja lähetinkeila eivät sijoitu päällekkäin valotutkan lähialueella. Näin mahdollistetaan tunnettuun biaksiaalirakenteeseen verrattuna parempi stabiilisuus ja yhtäaikaisesti 5 tunnettua koaksiaalitutkaa vähäisemmän sironta valotutkan lähialueella.

Keksinnöllä on myös useita sovellusmuotoja, joilla saavutetaan merkittäviä lisäetuja.

Keksinnön yhdessä sovellusmuodossa lähetinkeila ja vastaanottimen näkökenttä sijoitetaan optisessa järjestelmässä välimatkan päähän toisistaan siten, että lähetinkeilan ja vastaanottimen näkökentän väliin jää valotutkan lähialueella ns. ’’pimeä” alue. 10 ’’Pimeä” alue sijoittuu siis rengasmaisesti lähetyskeilan ympärille ja vastaanottimen näkökenttä sijoittuu ’’pimeän” alueen ympärille. Sovellusmuodossa jossa lähetinkeila ympäröi näkökenttää, ’’pimeä” alue sijoittuu vastaavasti vastaanotinkeilan ympärille. ’’Pimeä” alue on siis alue, johon lähetinkeila ei osu ja joka ei myöskään sisälly vastaanottimen näkökenttään. ’’Pimeän” alueen toteuttaminen näkökentän ja 15 lähetinkeilan väliin vähentää vielä merkittävästi sirontaa lähetinkeilasta vastaanottimeen valotutkan lähialueella. Etäisyyden kasvaessa lähetinkeila ja näkökenttä divergoivat eli laajenevat, joten ’’pimeästä” alueesta huolimatta näkökenttä ja lähetinkeila alkavat osua osittain toistensa päälle valotutkan mittausalueella.

Keksinnön toisessa sovellusmuodossa on lisäetuna se, että valotutkan hyötysuhdetta 20 voidaan parantaa kuvion 1 esittämään tunnettuun ratkaisuun verrattuna, sillä keksinnön edullisessa sovellusmuodossa säästetään puoliläpäisevän peilin aiheuttama häviö. ’; ’ Hyötysuhteen paraneminen puolestaan mahdollistaa sen, että vastaanottava pinta-ala ja : näin koko optinen järjestelmä voidaan mitoittaa pienemmäksi. Samalla voidaan myös pienentää polttoväliä, jolla on myös laitteiston kokoa pienentävä vaikutus.

‘ · : 25 Keksinnön kolmannessa sovellusmuodossa lähetinkeila ja näkökenttä ovat muodoltaan ‘: olennaisesti pyörähdyssymmetriset yhteisen keskiakselin suhteen. Tällöin saavutetaan se lisäetu, että kohteen mahdollinen epäsymmetrinen heijastus- tai sironta-käyttäytyminen ainakin osittain kompensoituu optisen järjestelmän symmetrisyyden ansiosta.

'· 30 Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheisiin piirustuksiin viitaten.

113497 7

Kuvio 3 esittää periaatteellisena kaaviokuvana yhden keksinnön mukaisen ratkaisun.

Kuvio 4 esittää periaatteellisena kaaviokuvana toisen keksinnön mukaisen ratkaisun.

Kuvio 5 esittää periaatteellisena kaaviokuvana kolmannen keksinnön mukaisen ratkaisun.

5 Kuvio 6 esittää periaatteellisena kaaviokuvana neljännen keksinnön mukaisen ratkaisun.

Kuvio 7 esittää periaatteellisena kaaviokuvana viidennen keksinnön mukaisen ratkaisun.

Kuvio 8 esittää periaatteellisena kaaviokuvana kuudennen keksinnön mukaisen ratkaisun.

Kuvion 3 ratkaisu käsittää integroidun optisen komponentin 6 sekä heijastuselementin 10 7, joiden avulla muodostetaan lähetinkeila 3 ja vastaanotinkeila 4. Integroitu optinen komponentti 6 muodostuu tässä ratkaisussa yhdestä linssistä 33. Heijastuselementtinä 7 taas toimii peili 34, jonka keskelle on tehty reikä. Peili 34 on asemoitu siten, että lähettimestä 1, joka on sijoitettu linssin 33 polttopisteeseen, saatava valo ohjautuu peilin 34 reiän läpi linssin 33 keskiosaan taittuakseen siellä halutun muotoiseksi 15 lähetinkeilaksi. Toisaalta peili 34 on asemoitu siten, että halutun vastaanottokeilan alueelta linssin 33 reuna-alueille saapuva valo taittuu ja heijastuu heijastettua polttopistettä kohti. Tähän heijastettuun polttopisteeseen sijoitetaan vastaanotin 2.

Kuvion 3 sovellusmuodon perusratkaisussa on siis asemoitava toistensa suhteen neljä optista komponenttia, nimittäin linssin 33 muodostama integroitu optinen komponentti, 20 lähetin 1, vastaanotin 2 ja peili 34. Näistä komponenteista linssi 33 ja peili 34 ; suorittavat valon pääasiallisen taittamisen ja jakamisen kahteen polttopisteeseen. Muut : kuviossa esitetyt komponentit ovat valinnaisia lisävarusteita, joita voidaan joissakin •,,. sovellusmuodoissa käyttää esimerkiksi mitoitussyistä tai sovittamaan vastaanottimen 2 tai lähettimen 1 keilanmuoto valotutkan optisia ominaisuuksia vastaaviksi. Näitä •' 25 valinnaisia varusteita ovat lähettimen 1 esioptiikka ja vastaanottimen 2 esioptiikka.

Lähettimen 1 esioptiikkaan voi kuulua yksi tai useampi linssi 35 ja/tai säteenrajoitin 36.

'; _: Linssiä tai linssejä 35 käytetään tarvittaessa lähettimen 1 keilan kohdistamiseen tai ; ‘ muokkaamiseen. Säteenrajoitinta 36, joka voi olla esimerkiksi reikälevy, taas käytetään ; tarvittaessa rajoittamaan lähettimen 1 keila sopivan muotoiseksi. Vastaavalla tavalla 30 vastaanottimen 2 esioptiikkaan voi kuulua yksi tai useampi linssi 37 ja/tai säteenrajoitin , » · 113497 8 38. Esioptiikan tarkoituksena on siis sovittaa vastaanotin 2 tai lähetin 1 varsinaiseen valotutkan optiseen rakenteeseen 6, 7. Tästä syystä esioptiikassa mahdollisesti tapahtuvan taittumisen ei katsota kuuluvan valotutkan optisessa rakenteessa 6, 7 tapahtuvan taittumisen piiriin.

5 Kuvion 3 ratkaisussa vastaanotinkeila 4 on rengasmainen ja ympyröi lähetinkeilaa 3. Lisäksi keilojen väliin on suunniteltu ’’pimeä” alue 5 heijastuksen ja yksinkertaisen sironnan aiheuttaman vastaanottosignaalin vähentämiseksi lähialueella. Näin lähialueelta vastaanotettu signaali aiheutuu pääasiassa monisironnasta.

Kuvion 4 ratkaisu käsittää integroidun optisen komponentin 6 sekä heijastuselementin 10 7, joiden avulla muodostetaan lähetinkeila 3 ja vastaanotinkeila 4. Integroitu optinen komponentti 6 muodostuu tässä ratkaisussa yhdestä linssistä 43. Heijastuselementtinä 7 taas toimii peili 44, joka on sijoitettu jotakuinkin linssin 43 keskiosan kohdalle. Lähettimen 1 suhteen peili 44 on asemoitu siten, että peili 44 heijastaa linssin 43 keskiosan polttopisteen lähettimeen 1. Tällöin lähettimestä 1 saatava valo voidaan 15 heijastaa peilin 44 kautta linssiin 43 ja taittaa linssin 43 keskiosassa halutun muotoiseksi lähetinkeilaksi 3. Toisaalta peili 44 on asemoitu siten, että se ei peitä vastaanottimelle 2 haluttua näkökenttää vaan mielellään jopa rajaa vastaanottokeilan halutun muotoiseksi peittämällä vastaanottimen 2 edustan keskialueen. Vastaanotin 2 sijoitetaan siis linssin 43 reuna-alueelta muodostettavaan polttopisteeseen.

20 Kuvion 4 sovellusmuodon perusratkaisussa on kuvion 3 ratkaisun tapaan asemoitava toistensa suhteen neljä optista komponenttia, nimittäin linssin 43 muodostama integroitu optinen komponentti, lähetin 1, vastaanotin 2 ja peili 44.

; v: Kuvion 4 ratkaisussa voidaan kuvion 3 ratkaisun tapaan käyttää valinnaisia ;'"; lisävarusteita. Mahdollisia lisävarusteita ovat esimerkiksi lähettimen 1 tai ; .; 25 vastaanottimen 2 esioptiikka, johon voi kuulua yksi tai useampi linssi ja/tai :" ’: säteenrajoitin. Kuvion 3 ratkaisun tapaan myös kuvion 4 ratkaisussa vastaanotinkeilan 4 ja lähetinkeilan 3 väliin on suunniteltu ’’pimeä” alue 5.

| > » ',. ’ Kuvion 5 ratkaisu käsittää integroidun optisen komponentin 6 sekä heijastuselementin • ‘ 7, joiden avulla muodostetaan lähetinkeila 3 ja vastaanotinkeila 4. Tässä 30 sovellusmuodossa jopa heijastuselementti 7 on integroitu yhdeksi mekaaniseksi ';1 kappaleeksi integroidun optisen komponentin 6 kanssa. Integroitu optinen komponentti 113497 9 6 muodostuu tässä ratkaisussa kahdesta kaarevasta peilistä 53 ja 54, jotka on liitetty toisiinsa. Ulompi kaareva peili 53 heijastaa keilojen 3 ja 4 ulkopuolelle polttopisteen, johon sijoitetaan vastaanotin 2 ja johon vastaanotinkeila 4 kohdistuu ulomman kaarevan peilin 53 pinnasta. Sisempi kaareva peili 54 heijastaa myös polttopisteen keilojen 3 ja 4 5 ulkopuolelle, mutta sisempi kaareva peili 54 on kierretty ulomman kaarevan peilin 53 suhteen siten, että peilien 53 ja 54 heijastamat polttopisteet sijaitsevat sopivan välimatkan päässä toisistaan. Lähetin 1 sijoitetaan sisemmän kaarevan peilin 54 heijastamaan polttopisteeseen siten, että lähettimestä 1 saatava valo taittuu kaarevan peilin 54 keskialueella halutun muotoiseksi lähetinkeilaksi 3.

10 Kuvion 5 sovellusmuodossa on erityisen mielenkiintoista se, että siinä ei tarvita erillistä heijastuselementtiä 7, sillä integroidun optisen komponentin 6 sisältämät taittoelimet 53 ja 54 ovat molemmat itsessään heijastavia. Niinpä myös heijastuselementti 7 integroituu yhdeksi mekaaniseksi kappaleeksi integroidun optisen komponentin 6 kanssa. Tällä on se merkittävä vaikutus, että tällaisen sovellusmuodon mukaisessa valotutkassa ei 15 tarvitse myöskään erikseen kohdistaa heijastuselementtiä 7 ja integroitua optista komponenttia 6, vaan ne kohdistuvat yhdellä kertaa ja ovat aina keskinäisesti oikeassa asemassa. Kuvion 5 sovellusmuodon perusratkaisussa on siis asemoitava toistensa suhteen ainoastaan kolme optista komponenttia, nimittäin peilien 53 ja 54 muodostama integroitu optinen komponentti (joka toimii myös heijastuselementtinä 7), lähetin 1 sekä 20 vastaanotin 2.

Kuvion 5 ratkaisussa voidaan kuvion 3 ratkaisun tapaan käyttää valinnaisia lisävarusteita. Mahdollisia lisävarusteita ovat esimerkiksi lähettimen 1 tai vastaanottimen 2 esioptiikka, johon voi kuulua yksi tai useampi linssi ja/tai säteenrajoitin. Kuvion 3 ratkaisun tapaan myös kuvion 5 ratkaisussa vastaanotinkeilan 4 1, 25 ja lähetinkeilan 3 väliin voidaan suunnitella ’’pimeä” alue 5, vaikkakaan tällaista aluetta ,> ei ole kuviossa 5 esitetty. ’’Pimeä” alue voidaan toteuttaa esimerkiksi rajaamalla lähettimestä 1 lähetettävää sädettä tai valmistamalla heijastamaton vyöhyke kaarevan peilin 53 tai 54 pinnalle peilien rajaviivan läheisyyteen.

» » *,. ‘ Kuvion 6 ratkaisu käsittää integroidun optisen komponentin 6 sekä heijastuselementin » * 30 7, joiden avulla muodostetaan lähetinkeila 3 ja vastaanotinkeila 4. Kuvion 5 « t > '' sovellusmuodon tapaan jopa heijastuselementti 7 on integroitu yhdeksi mekaaniseksi > 1; ·* kappaleeksi integroidun optisen komponentin 6 kanssa. Integroitu optinen komponentti 1

t I

117/07 10 M ^ ^ 6 muodostuu tässä ratkaisussa linssistä 63 sekä kaarevasta peilistä 64, joka on kiinnitetty linssin 63 pinnalle. Linssillä 63 on polttopiste, johon vastaanotinkeila 4 kohdistuu linssin 63 reuna-alueelta. Tähän polttopisteeseen sijoitetaan vastaanotin 2. Kaareva peili 64 taas heijastaa polttopisteen keilojen 3 ja 4 ulkopuolelle. Lähetin 1 5 sijoitetaan kaarevan peilin 64 heijastamaan polttopisteeseen siten, että lähettimestä 1 saatava valo heijastuu kaarevan peilin 64 pinnasta halutun muotoiseksi lähetinkeilaksi 3.

Kuvion 6 sovellusmuodossa on erityisen mielenkiintoista se, että siinä ei tarvita erillistä heijastuselementtiä 7, sillä integroidun optisen komponentin 6 sisältämä kaareva peili 64 on itsessään heijastava. Niinpä myös heijastuselementti 7 integroituu yhdeksi 10 mekaaniseksi kappaleeksi integroidun optisen komponentin 6 kanssa. Tällä on se merkittävä vaikutus, että tällaisen sovellusmuodon mukaisessa valotutkassa ei tarvitse myöskään erikseen kohdistaa heijastuselementtiä 7 ja integroitua optista komponenttia 6, vaan ne kohdistuvat yhdellä kertaa ja ovat aina keskinäisesti oikeassa asemassa. Kuvion 6 sovellusmuodon perusratkaisussa on siis asemoitava toistensa suhteen 15 ainoastaan kolme optista komponenttia, nimittäin linssin 63 ja peilin 64 muodostama integroitu optinen komponentti 6 (joka toimii myös heijastuselementtinä 7), lähetin 1 sekä vastaanotin 2.

Kuvion 6 ratkaisussa voidaan kuvion 3 ratkaisun tapaan käyttää valinnaisia lisävarusteita. Mahdollisia lisävarusteita ovat esimerkiksi lähettimen 1 tai 20 vastaanottimen 2 esioptilkka, johon voi kuulua yksi tai useampi linssi ja/tai säteenrajoitin. Kuvion 3 ratkaisun tapaan myös kuvion 6 ratkaisussa vastaanotinkeilan 4 ja lähetinkeilan 3 väliin voidaan suunnitella ’’pimeä” alue 5. Kuvion 6 •,: : sovellusmuodossa ’’pimeä” alue on toteutettu sijoittamalla kaarevan peilin 64 ympärille : pimennysrengas 65, mutta ’’pimeä” alue voidaan kyllä toteuttaa myös rajaamalla ·..,· 25 lähetinkeilaa lähettimen 1 eteen sijoitetulla rajoittimella tai vastaanotinkeilaa 4 » » ’. ‘: vastaanottimen 2 eteen sijoitetulla rajoittimella.

• · • ·

Kuvion 7 ratkaisu käsittää integroidun optisen komponentin 6 sekä heijastuselementin 7, joiden avulla muodostetaan lähetinkeila 3 ja vastaanotinkeila 4. Integroitu optinen • · komponentti 6 muodostuu tässä ratkaisussa yhdestä kaarevasta peilistä 73, jolla on , ·, : 30 polttopiste yhdensuuntaisten keilojen (lähetinkeila 3 ja vastaanotinkeila 4) ulkopuolella.

. * ·. Heijastuselementtinä 7 taas toimii peili 74, joka on sijoitettu jotakuinkin polttopistettä » * , ’, kohti etenevän keilan keskelle. Lähettimen 1 suhteen peili 74 on asemoitu siten, että I *

I I I

Π 113497 peili 74 heijastaa kaarevan peilin 73 keskiosassa muodostuvan polttopisteen lähettimeen 1. Tällöin lähettimestä 1 saatava valo voidaan heijastaa ja taittaa peilien 73 ja 74 avulla halutun muotoiseksi lähetinkeilaksi 3. Toisaalta peili 74 on asemoitu siten, että se ei peitä vastaanottimelle 2 haluttua näkökenttää vaan mielellään jopa rajaa 5 vastaanottokeilan halutun muotoiseksi peittämällä vastaanottimen 2 edustan keskialueen. Vastaanotin 2 sijoitetaan siis kaarevan peilin 73 reuna-alueella muodostuvaan polttopisteeseen.

Kuvion 7 sovellusmuodon perusratkaisussa on kuvion 3 ratkaisun tapaan asemoitava toistensa suhteen neljä optista komponenttia, nimittäin kaarevan peilin 73 muodostama 10 integroitu optinen komponentti, lähetin 1, vastaanotin 2 ja peili 74.

Kuvion 7 ratkaisussa voidaan kuvion 3 ratkaisun tapaan käyttää valinnaisia lisävarusteita. Mahdollisia lisävarusteita ovat esimerkiksi lähettimen 1 tai vastaanottimen 2 esioptiikka, johon voi kuulua yksi tai useampi linssi ja/tai säteenrajoitin. Kuvion 3 ratkaisun tapaan myös kuvion 7 ratkaisussa vastaanotinkeilan 4 15 ja lähetinkeilan 3 väliin on suunniteltu myös ’’pimeä” alue 5.

Kuvion 8 ratkaisu käsittää integroidun optisen komponentin 6 sekä heijastuselementin 7, joiden avulla muodostetaan lähetinkeila 3 ja vastaanotinkeila 4. Integroitu optinen komponentti 6 muodostuu tässä ratkaisussa yhdestä kaarevasta peilistä 83, jolla on polttopiste yhdensuuntaisten keilojen (lähetinkeila 3 ja vastaanotinkeila 4) ulkopuolella. 20 Heijastuselementtinä 7 taas toimii peili 84, jossa on reikä, joka reikä on sijoitettu jotakuinkin polttopistettä kohti etenevän keilan keskialueelle. Lähetin 1 on sijoitettu kaarevan peilin 83 polttopisteeseen siten, että lähettimestä 1 saatava valo kulkee peilissä .! . 84 olevan reiän läpi ja taittuu kaarevan peilin 83 keskialueella halutun muotoiseksi '.. t lähetinkeilaksi 3.

25 Toisaalta peili 84 on asemoitu siten, että kaarevan peilin 83 reuna-alueilta saapuva valo heijastuu heijastettua polttopistettä kohti. Tähän heijastettuun polttopisteeseen sijoitetaan vastaanotin 2.

* » · “: Kuvion 8 sovellusmuodon perusratkaisussa on kuvion 3 ratkaisun tapaan asemoitava • ’ ; toistensa suhteen neljä optista komponenttia, nimittäin kaarevan peilin 83 muodostama , - · ·. 30 integroitu optinen komponentti, lähetin 1, vastaanotin 2 ja peili 84.

i I

113497 12

Kuvion 8 ratkaisussa voidaan kuvion 3 ratkaisun tapaan käyttää valinnaisia lisävarusteita. Mahdollisia lisävarusteita ovat esimerkiksi lähettimen 1 tai vastaanottimen 2 esioptiikka, johon voi kuulua yksi tai useampi linssi ja/tai säteenrajoitin. Kuvion 3 ratkaisun tapaan myös kuvion 8 ratkaisussa vastaanotinkeilan 4 5 ja lähetinkeilan 3 väliin voidaan suunnitella ’’pimeä” alue 5, vaikkakaan tällaista aluetta ei ole kuviossa 8 esitetty. ’’Pimeä” alue voidaan toteuttaa esimerkiksi rajaamalla lähettimestä 1 lähetettävää sädettä tai valmistamalla heijastamaton vyöhyke kaarevan peilin 83 pinnalle, mainitun keskialueen ja reuna-alueen väliin.

Keksinnön puitteissa voidaan ajatella myös yllä kuvatuista sovellusmuodoista 10 poikkeavia ratkaisuja. Edellä esitettyjä sovellusmuotoja voidaan modifioida esimerkiksi siten, että lähettimen ja vastaanottimen paikkoja vaihdetaan. Tällaisessa sovellusmuodossa lähetinkeila ympäröi vastaanotinkeilaa. Kuvioiden 3, 4, 7 ja 8 sovellusmuotoja voidaan myös modifioida siten, että heijastuselementtinä 7 toimiville peileille suunnitellaan tietty kaarevuus, jolloin myös nämä peilit osallistuvat valon 15 taittamiseen valotutkan optisessa järjestelmässä. Pääasiallinen taittaminen on kuitenkin tarkoitus toteuttaa integroidun optisen komponentin 6 avulla.

Kuvioiden sovellusmuotojen yhteydessä on puhuttu myös siitä, että lähetinkeila muodostetaan integroidun optisen komponentin 6 keskialueella. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että lähetinkeilan 3 tarvitsisi olla tarkasti keskitetty tai aina edes peittää 20 integroidun optisen komponentin 6 keskialuetta. Lähetinkeila 3 voidaan aivan hyvin sijoittaa muodostettavaksi lähellä integroidun optisen komponentin 6 reunaa, jolloin :.'; ‘ lähetinkeilaa 3 ympäröivä vastaanotinkeila on huomattavasti leveämpi lähetinkeilan 3 :. · * yhdellä puolella. Itse asiassa ei ole edes aivan välttämätöntä, että vastaanotinkeila 4 (tai : .· käänteisessä sovellusmuodossa lähetinkeila 3) täysin ympäröisi lähetinkeilan 3.

25 Mittauksen stabiilisuuden kannalta on kuitenkin edullista, että vastaanotinkeila 4 ‘ ‘: ainakin jotakuinkin kauttaaltaan ympäröi lähetinkeilan 3. Edelleen on edullista se, että '·*·’ lähetinkeila 3 sijoitetaan jotakuinkin vastaanotinkeilan 4 keskialueelle ja että vastaanotinkeilalle 4 ja lähetinkeilalle 3 annetaan pyörähdyssymmetrinen muoto. Tästä huolimatta vastaanotinkeila 4 ja lähetinkeila 3 voidaan kuitenkin suunnitella myös 30 epäsymmetriseksi tai jollakin toisella tapaa symmetriseksi ilman, että poiketaan ‘ ': keksinnön piiristä.

I t t 113497 13

Myös edellä mainitut muunnelmat sekä muut kuvatuille ratkaisuille ekvivalenttiset ratkaisut kuuluvat tämän keksinnön piiriin ja ne suojataan oheisten patenttivaatimusten avulla.

Claims (18)

113497

1. Valotutka, joka käsittää lähettimen (1) ja vastaanottimen (2) sekä optisen järjestelmän, joka on sovitettu suuntaamaan ainakin osa lähettimen (1) lähettämästä valosta kohdetta kohti eteneväksi lähetinkeilaksi (3) ja määrittelemään vastaanottimelle (2) 5 vastaanotinkeilan (4), jonka alueelta saapuvasta valosta ainakin osa kohdistuu vastaanottimeen (2), joka optinen järjestelmä on toteutettu siten, että välittömästi valotutkan edessä keilat (3, 4) sijaitsevat olennaisesti toistensa ulkopuolella ja yksi keiloista (3, 4) ainakin osittain ympäröi toista keilaa (4, 3), ja jossa optinen järjestelmä sisältää integroidun optisen komponentin (6), jolla on ensimmäinen alue lähetinkeilaa (3) varten 10 ja toinen alue vastaanotinkeilan (4) muodostamista varten, tunnettu siitä, että ensimmäinen alue on sovitettu osallistumaan lähetinkeilan (3) muodostamiseen siten, että lähettimen (1) lähettämä valo taittuu halutun muotoiseksi lähetinkeilaksi (3) pääasiassa integroidun optisen komponentin (6) ensimmäisellä alueella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että integroitu 15 optinen komponentti (6) koostuu yhdestä linssistä (33; 43).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että integroitu optinen komponentti (6) koostuu yhdestä kaarevasta peilistä (73; 83).

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että se käsittää * reikäpeilin siten, että lähetettävä valo kulkee reiän läpi integroidun optisen komponentin » I ' 20 (6) polttopisteen ja ensimmäisen alueen välillä, ja vastaanotettava valo heijastuu * reikäpeilin pinnasta heijastettuun polttopisteeseen. i • I

; ; 5. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että se käsittää peilin, joka muodostaa integroidulle optiselle komponentille (6) heijastetun polttopisteen siten, että heijastetusta polttopisteestä lähetettävä valo heijastuu ,,,! 25 integroidun optisen komponentin (6) ensimmäiselle alueella, ja joka peili on sijoitettu ;' ; siten, että integroidun optisen komponentin (6) toisen alueen kautta vastaanotettava valo •: i ohittaa peilin ja etenee integroidun optisen komponentin (6) polttopisteeseen.

’, * * 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että integroitu . ‘ optinen komponentti (6) koostuu yhdestä linssistä (63) ja tähän kiinnitetystä yhdestä 30 kaarevasta peilistä (64). 113497

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että integroitu optinen komponentti (6) koostuu kahdesta toisiinsa kiinnitetystä kaarevasta peilistä (53, 54).

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että 5 vastaanottimen näkökenttä (4) on olennaisesti rengasmainen ja sijaitsee lähetinkeilan (3) ympärillä.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että lähetinkeilan (3) ja vastaanotinkeilan (4) taittaminen suoritetaan pääasiassa integroidun optisen komponentin (6) avulla.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että integroidun optisen komponentin (6) mainittu toinen alue ympäröi mainitun ensimmäisen alueen tätä leikkaamatta.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että integroidun optisen komponentin (6) mainittu toinen alue sijaitsee integroidun optisen 15 komponentin (6) reuna-alueella ja mainittu ensimmäinen alue sijaitsee integroidun optisen komponentin (6) keski-alueella. j1

12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-11 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että • välittömästi valotutkan edessä lähetinkeila (3) sijoittuu välimatkan päähän ; .: vastaanottimen näkökentästä (4) muodostaen keilojen (3,4) väliin ’’pimeän” alueen (5). , . : 20

13. Jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että , 1 ·, lähetinkeila (3) ja näkökenttä (4) ovat muodoltaan olennaisesti pyörähdyssymmetriset yhteisen keskiakselin suhteen. • » ·

14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-13 mukainen valotutka, tunnettu· siitä, että * # ' ; ' valotutkan mittausalueella lähetinkeila (3) sijoittuu ainakin osittain vastaanottimen * t *. ’ ·: 25 näkökenttään (4). i i j.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 1-14 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että ‘; lähetin on sovitettu tuottamaan lähes monokromaattinen valonsäde, jonka aallonpituus * · 1 on välillä 300 nm - 5000 nm ja sopivimmin välillä 400 nm - 2000 nm. 113497

16. Jonkin patenttivaatimuksen 1-15 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että se käsittää ainakin yhden rajoittimen (38) vastaanottimen (2) ja integroidun optisen komponentin (6) välillä optisesta järjestelmästä vastaanotinta (2) kohti suuntautuvan valokeilan rajaamiseksi.

17. Jonkin patenttivaatimuksen 1-16 mukainen valotutka, tunnettu siitä, että se käsittää ainakin yhden rajoittimen (36) lähettimen (1) ja integroidun optisen komponentin (6) välillä lähettimestä (1) optista järjestelmää kohti suuntautuvan valokeilan rajaamiseksi.

18. Jonkin patenttivaatimuksen 1-17 mukaisen valotutkan käyttö meteorologisten 10 mittausten tekemiseen, kuten pilvenkorkeusmittaukseen, näkyvyysmittaukseen tai ilmakehän rajakerroksen rakenteen tai korkeuden määritykseen. 1 I · ΛΛ^ AOΊ 17. ii c s y /