RU2307322C2

RU2307322C2 - Laser range-finder

Info

Publication number: RU2307322C2
Application number: RU2005125389/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Тареев (BY); Анатолий Михайлович Тареев; Павел Ильич Мышалов (BY); Павел Ильич Мышалов; Владимир Николаевич Янаев (BY); Владимир Николаевич Янаев
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-09-27
Also published as: RU2005125389A

Abstract

FIELD: optic-electronic tool-making, in particular - impulse laser range-finders.

SUBSTANCE: laser range-finder contains transmitting channel, comprising optically connected laser and transmitting optical system, and sighting-receiving channel, comprising objective, first spectrum divider, device for observation of objects image with target mark, photo-detection device, second spectrum divider, test-object, system for lighting test-object, and light reflector, mounted in front of the objective with possible movement of its input eye to the zone. For operative checking of sighting and receiving channels, laser range finder additionally contains optical compensator, positioned on optical axis of objective between first and second spectrum dividers. Photo-receiving device is optically engaged by means of first spectrum divider with device for observation of objects image. Second spectrum divider is positioned between first spectrum divider and photo-receiving device on optical axis of objective at an angle to it. Test-object is positioned on optical axis of objective and connected to it optically by means of second and first spectrum dividers.

EFFECT: increased precision when measuring target distance.

6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, более конкретно к импульсным лазерным дальномерам.The invention relates to the field of optoelectronic instrumentation, and more particularly to pulsed laser rangefinders.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является лазерный дальномер [1], содержащий передающий канал, включающий оптически связанные лазер и передающую оптическую систему, состоящую из телескопа и двух вращающихся клиньев, установленных на выходе телескопа, визирно-приемный канал, включающий объектив, первый спектроделитель, расположенный на оптической оси объектива под углом к ней, устройство наблюдения изображения объектов с прицельной маркой, расположенной в фокальной плоскости объектива, и фотоприемное устройство, оптически сопряженное посредством первого спектроделителя с устройством наблюдения изображения объектов, коллиматор видимого света, установленный параллельно оси излучения лазера, жестко соединенный с ним и оптически связанный с передающей оптической системой посредством двух параллельных друг другу плоских зеркал, одно из которых выполнено в виде спектроделителя, и ретровозвращатель, установленный в пределах выходного зрачка передающего канала и входного зрачка визирно-приемного канала с возможностью вывода из хода лучей света каналов.The closest in technical essence to the claimed invention is a laser rangefinder [1], containing a transmitting channel, including an optically coupled laser and a transmitting optical system consisting of a telescope and two rotating wedges installed at the output of the telescope, a sighting and receiving channel, including a lens, the first a spectrometer located on the optical axis of the lens at an angle to it, a device for observing images of objects with an aiming mark located in the focal plane of the lens, and a photodetector a device optically coupled by means of a first spectrometer with an object image observation device, a visible light collimator mounted parallel to the laser radiation axis, rigidly connected to it and optically coupled to the transmitting optical system via two plane mirrors parallel to each other, one of which is made in the form of a spectrometer, and a retroreflector installed within the exit pupil of the transmitting channel and the entrance pupil of the receiver-receiving channel with the possibility of withdrawing l whose channels of light.

Известный лазерный дальномер обеспечивает возможность оперативного контроля параллельности осей передающего и визирного каналов. Однако его недостатком является невысокая точность измерения дальности до цели из-за невозможности оперативного контроля параллельности осей и выверки визирного и приемного каналов. Вероятность рассогласования визирного и приемного каналов в процессе эксплуатации дальномера довольно высока, поскольку угловое поле приемного канала составляет обычно единицы угловых минут.The well-known laser rangefinder provides the ability to quickly control the parallelism of the axes of the transmitting and sighting channels. However, its disadvantage is the low accuracy of measuring the distance to the target due to the impossibility of operational control of the parallelism of the axes and alignment of the sighting and receiving channels. The probability of a mismatch between the target and receiving channels during the operation of the rangefinder is quite high, since the angular field of the receiving channel is usually units of angular minutes.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения дистанции до цели.The objective of the present invention is to improve the accuracy of measuring the distance to the target.

Для решения указанной задачи лазерный дальномер, содержащий передающий канал, включающий оптически связанные лазер и передающую оптическую систему, визирно-приемный канал, включающий объектив, первый спектроделитель, расположенный на оптической оси объектива под углом к ней, устройство наблюдения изображения объектов с прицельной маркой, расположенной в фокальной плоскости объектива, и фотоприемное устройство, оптически сопряженное посредством первого спектроделителя с устройством наблюдения изображения объектов, снабжен дополнительно вторым спектроделителем, расположенным между первым спектроделителем и фотоприемным устройством на оптической оси объектива под углом к ней, тест-объектом, расположенным на оптической оси объектива и связанным оптически с объективом посредством второго и первого спектроделителей, системой подсветки тест-объекта, расположенной на оптической оси объектива и связанной с ним оптически посредством второго и первого спектроделителей, и световозвращателем, установленным перед объективом с возможностью введения в зону его входного зрачка.To solve this problem, a laser range finder containing a transmitting channel, including an optically coupled laser and a transmitting optical system, a sighting and receiving channel, including a lens, a first spectrometer, located on the optical axis of the lens at an angle to it, a device for observing images of objects with an aiming mark located in the focal plane of the lens, and the photodetector, optically paired by means of the first spectrometer with a device for observing the image of objects, is equipped with specifically, the second spectrometer, located between the first spectrometer and the photodetector on the optical axis of the lens at an angle to it, a test object located on the optical axis of the lens and optically connected to the lens via the second and first spectro dividers, the illumination system of the test object located on the optical axis the lens and optically associated with it by means of the second and first spectro splitters, and a retroreflector mounted in front of the lens with the possibility of introducing into its input zone achkan.

Тест-объект может быть выполнен в виде диафрагмы, диаметр которой может быть равен диаметру чувствительной площадки фотоприемного устройства, в виде волоконно-оптического световода или в виде сетки с прозрачными штрихами, например в виде перекрестия. Лазерный дальномер может быть снабжен дополнительно оптическим компенсатором, расположенным на оптической оси объектива между первым и вторым спектроделителями, для возможности оперативного согласования визирного и приемного каналов. Оптический компенсатор может быть выполнен, например, в виде линзы, установленной с возможностью перемещений в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива. Второй спектроделитель, тест-объект и система подсветки тест-объекта могут быть жестко связаны друг с другом в едином блоке, установленном с возможностью перемещения в произвольном направлении, перпендикулярном оптической оси объектива, и фиксации в выбранном положении.The test object can be made in the form of a diaphragm, the diameter of which can be equal to the diameter of the sensitive area of the photodetector, in the form of a fiber optic fiber or in the form of a grid with transparent strokes, for example, in the form of a crosshair. The laser range finder can be equipped with an additional optical compensator located on the optical axis of the lens between the first and second spectro splitters, for the possibility of quick coordination of the sighting and receiving channels. The optical compensator can be made, for example, in the form of a lens mounted with the possibility of movement in two mutually orthogonal directions perpendicular to the optical axis of the lens. The second spectrometer, the test object and the illumination system of the test object can be rigidly connected to each other in a single unit mounted with the ability to move in an arbitrary direction perpendicular to the optical axis of the lens, and fixation in the selected position.

Введение в лазерный дальномер второго спектроделителя, расположенного между первым спектроделителем и фотоприемным устройством на оптической оси объектива под углом к ней, тест-объекта, расположенного на оптической оси объектива и связанного оптически с объективом посредством второго и первого спектроделителей, системы подсветки тест-объекта, расположенной на оптической оси объектива и связанной с ним оптически посредством второго и первого спектроделителей, и световозвращателя, установленного перед объективом с возможностью введения в зону его входного зрачка, обеспечивает повышение точности измерения дистанции до цели, так как позволяет осуществить оперативный контроль не параллельности осей визирного и приемного каналов дальномера и своевременно устранить неисправность, непосредственно влияющую на результат измерения дистанции.Introduction to the laser rangefinder of a second spectrometer, located between the first spectrometer and the photodetector on the optical axis of the lens at an angle to it, a test object located on the optical axis of the lens and connected optically to the lens through the second and first spectro dividers, the illumination system of the test object located on the optical axis of the lens and associated optically by means of the second and first spectro splitters, and a retroreflector mounted in front of the lens with the ability to enter Nia zone in its entrance pupil, increases the precision in measuring the distance to the target, since it allows to carry out operational control of the sight axes not parallel and receiving the rangefinder channel and timely repair as directly affects the result of the distance measurement.

Выполнение тест-объекта в виде диафрагмы обеспечивает наибольшую простоту и технологичность конструкции тест-объекта, а в виде волоконно-оптического световода позволяет выполнить оптимальную компоновку узла с фотоприемным устройством в тех случаях, когда нет места для размещения системы подсветки тест-объекта в непосредственной близости от фотоприемного устройства.The execution of the test object in the form of a diaphragm provides the greatest simplicity and manufacturability of the design of the test object, and in the form of a fiber optic fiber allows you to optimize the assembly of the unit with a photodetector in cases where there is no place to place the illumination system of the test object in the immediate vicinity photodetector device.

Введение в лазерный дальномер оптического компенсатора, расположенного на оптической оси объектива между первым и вторым спектроделителями, обеспечивает возможность оперативного устранения непараллельности осей визирного и приемного каналов, что также обеспечивает повышение точности измерения дистанции.The introduction into the laser rangefinder of an optical compensator located on the optical axis of the lens between the first and second spectro splitters provides the possibility of prompt elimination of the non-parallelism of the axes of the sighting and receiving channels, which also improves the accuracy of distance measurement.

Жесткая связь второго спектроделителя, тест-объекта и системы подсветки тест-объекта в едином блоке, установленном с возможностью перемещения в произвольном направлении, перпендикулярном оптической оси объектива, и фиксации в выбранном положении, обеспечивает технологичность конструкции, так как позволяет наиболее просто осуществить оптическое сопряжение чувствительной площадки фотоприемного устройства с тест-объектом перемещениями единого блока относительно фотоприемного устройства в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива.The rigid connection of the second spectrometer, the test object, and the illumination system of the test object in a single unit, mounted with the ability to move in an arbitrary direction perpendicular to the optical axis of the lens, and fixation in the selected position, ensures the manufacturability of the design, as it allows the simplest optical conjugation of sensitive areas of the photodetector with the test object by movements of a single unit relative to the photodetector in directions perpendicular to the optical B Lens.

На фиг.1 изображена принципиальная схема лазерного дальномера, на фиг.2 показан вариант выполнения световозвращателя, на фиг.3 приведен вид поля зрения устройства в момент выверки.Figure 1 shows a schematic diagram of a laser rangefinder, figure 2 shows an embodiment of a retroreflector, figure 3 shows a view of the field of view of the device at the time of reconciliation.

Лазерный дальномер содержит (фиг.1) передающий канал, включающий оптически связанные лазер 1 и передающую оптическую систему 2, и визирно-приемный канал, включающий объектив 3, первый спектроделитель 4, устройство 5 наблюдения изображения объектов с прицельной маркой, фотоприемное устройство 6, второй спектроделитель 7, тест-объект 8, систему 9 подсветки тест-объекта и световозвращатель 10, установленный перед объективом 3 с возможностью введения в зону его входного зрачка. Для оперативной выверки визирного и приемного каналов лазерный дальномер может содержать также оптический компенсатор 11.The laser range finder contains (Fig. 1) a transmitting channel including an optically coupled laser 1 and a transmitting optical system 2, and a sighting and receiving channel including a lens 3, a first spectro-splitter 4, a device 5 for observing images of objects with an aiming mark, a photodetector 6, and a second a spectrometer 7, a test object 8, a backlight system 9 of the test object, and a retroreflector 10 mounted in front of the lens 3 with the possibility of introducing into the area of its entrance pupil. For operational alignment of the sighting and receiving channels, the laser rangefinder may also include an optical compensator 11.

Устройство 5 наблюдения изображения объектов с прицельной маркой может быть визуальным или электронным. В первом случае оно включает сетку с прицельной маркой, установленной в фокальной плоскости объектива [1], а во втором случае оно включает ПЗС-матрицу, выход которой подключен к монитору (на фиг.1 не показан). Фотоприемное устройство 6 оптически сопряжено посредством первого спектроделителя 4 с устройством 5 наблюдения изображения объектов. Второй спектроделитель 7 расположен между первым спектроделителем 4 и фотоприемным устройством 6 на оптической оси объектива 3 под углом к ней, например 45°.The device 5 for observing the image of objects with an aiming mark can be visual or electronic. In the first case, it includes a reticle with a reticle mounted in the focal plane of the lens [1], and in the second case, it includes a CCD matrix, the output of which is connected to a monitor (not shown in Fig. 1). The photodetector 6 is optically coupled by means of a first spectro splitter 4 to an object image observation device 5. The second spectrometer 7 is located between the first spectrograph 4 and the photodetector 6 on the optical axis of the lens 3 at an angle to it, for example 45 °.

Тест-объект 8 оптически сопряжен с чувствительной площадкой фотоприемного устройства 6 с помощью второго спектроделителя 7. Система 9 подсветки тест-объекта расположена на оптической оси объектива 3 и связана с ним оптически посредством второго спектроделителя 7 и первого спектроделителя 4. Световозвращатель 10 установлен перед объективом 3 с возможностью введения в зону его входного зрачка. Тест-объект 8 в простейшем случае выполнен в виде диафрагмы, диаметр которой равен диаметру чувствительной площадки фотоприемного устройства 6. Однако в зависимости от конкретной реализации он может иметь и другой вид, например может быть выполнен в виде перекрестия или в виде волоконно-оптического световода. В последнем случае выходной торец волоконно-оптического световода является собственно тест-объектом, а входной торец волоконно-оптического световода вынесен в свободную от электронно-оптических узлов зону корпуса дальномера и подсвечивается системой 9 подсветки.The test object 8 is optically coupled to the sensitive area of the photodetector 6 using the second spectrometer 7. The illumination system 9 of the test object is located on the optical axis of the lens 3 and is connected optically via the second spectrometer 7 and the first spectrograph 4. The reflector 10 is mounted in front of the lens 3 with the possibility of introducing into the area of its entrance pupil. The test object 8 in the simplest case is made in the form of a diaphragm, the diameter of which is equal to the diameter of the sensitive area of the photodetector 6. However, depending on the particular implementation, it can also have a different look, for example, can be made in the form of a crosshair or in the form of a fiber optic fiber. In the latter case, the output end of the fiber-optic fiber is the actual test object, and the input end of the fiber-optic fiber is moved to the range-free housing of the range finder and is highlighted by the backlight system 9.

Лазерный дальномер может быть снабжен дополнительно оптическим компенсатором 11, расположенным на оптической оси объектива 3 между первым 4 и вторым 7 спектроделителями, для возможности оперативного согласования визирного и приемного каналов. Оптический компенсатор 11 в простейшем случае может быть выполнен в виде линзы, установленной с возможностью перемещений в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 3. Он также может быть выполнен в виде двух вращающихся клиньев [1] или иметь другую конструкцию, обеспечивающую смещение изображения фотоприемного устройства 6 и тест-объекта 8 в направлении, перпендикулярном оптической оси объектива 3.The laser range finder can be equipped with an additional optical compensator 11 located on the optical axis of the lens 3 between the first 4 and second 7 spectro-splitters, for the possibility of operational coordination of the sighting and receiving channels. The optical compensator 11 in the simplest case can be made in the form of a lens mounted with the possibility of movement in two mutually orthogonal directions perpendicular to the optical axis of the lens 3. It can also be made in the form of two rotating wedges [1] or have a different design that provides image displacement a photodetector 6 and a test object 8 in a direction perpendicular to the optical axis of the lens 3.

Для упрощения юстировки приемного канала второй спектроделитель 7, тест-объект 8 и система 9 подсветки тест-объекта могут быть жестко связаны друг с другом в едином блоке, установленном с возможностью перемещения в произвольном направлении, перпендикулярном оптической оси объектива 3, и фиксации в выбранном положении. Световозвращатель 10 может быть выполнен в виде уголкового отражателя, как показано на фиг.1? или в виде системы «кошачий глаз», включающей объектив этой системы и расположенное в его фокальной плоскости плоское зеркало, как показано на фиг.2.To simplify the alignment of the receiving channel, the second spectrometer 7, the test object 8 and the test object illumination system 9 can be rigidly connected to each other in a single unit mounted with the ability to move in an arbitrary direction perpendicular to the optical axis of the lens 3, and fixation in the selected position . Retroreflector 10 can be made in the form of an angular reflector, as shown in figure 1? or in the form of a “cat's eye” system, including a lens of this system and a flat mirror located in its focal plane, as shown in FIG.

На фиг.3 показаны изображение 13 диафрагмы тест-объекта 8 в поле зрения устройства 5 наблюдения изображения объектов и его прицельная марка 14.Figure 3 shows the image 13 of the diaphragm of the test object 8 in the field of view of the device 5 for observing the image of objects and its aiming mark 14.

Лазерный дальномер работает следующим образом.Laser range finder operates as follows.

При измерении дальности до цели с помощью лазерного дальномера его разворотами совмещают цель с прицельной маркой 14 и осуществляют пуск лазерного излучения. Импульс лазерного излучения выходит из лазера 1, проходит передающую оптическую систему 2 и выходит из передающего канала. В момент формирования импульса излучения электронная система управления лазерным дальномером формирует первый (стартовый) импульс. Отраженный от цели свет лазера 1 входит в визирно-приемный канал и попадает на чувствительную площадку фотоприемного устройства 6. При этом формируется второй (рабочий) импульс в электронной системе дальномера. По измеренной временной задержке от момента выхода импульса излучения из передающего канала до его попадания на фотоприемное устройство 6 после отражения от цели электронная система лазерного дальномера определяет дистанцию до цели.When measuring the distance to the target using a laser rangefinder, its turns combine the target with the aiming mark 14 and start the laser radiation. The laser pulse leaves the laser 1, passes the transmitting optical system 2 and leaves the transmitting channel. At the moment of formation of the radiation pulse, the electronic laser rangefinder control system generates the first (start) pulse. The laser light 1 reflected from the target enters the sighting and receiving channel and enters the sensitive area of the photodetector 6. In this case, a second (working) pulse is generated in the electronic rangefinder system. According to the measured time delay from the moment the radiation pulse leaves the transmitting channel until it hits the photodetector 6 after reflection from the target, the electronic system of the laser range finder determines the distance to the target.

При необходимости осуществления контроля не параллельности осей приемного и визирного каналов и выверки лазерного дальномера световозвращатель 10 вводят в ход лучей и устанавливают в его рабочее положение в пределах выходного зрачка объектива 3, как показано на фиг.1. Одновременно включается система 9 подсветки тест-объекта 8. Излучение системы 9 подсветки, как правило, должно быть видимым, так как устройство 5 наблюдения изображения объектов обычно работает в видимой области спектра. Лучи света от тест-объекта 8, подсвеченного системой 9 подсветки, отражаются от второго спектроделителя 7, затем от первого спектроделителя 4, который отражает небольшую часть видимого излучения (примерно 5...10%), проходят объектив 3, отражаются от световозвращателя 10, снова проходят объектив 3 и после прохождения первого спектроделителя 4 формируют в поле зрения устройства 5 наблюдения изображения объектов изображение 13 диафрагмы тест-объекта 8 (фиг.2). Изображение 13 наблюдается оператором через окуляр (или на экране монитора) вместе с прицельной маркой 14 (фиг.3). Если ось приемного канала дальномера не параллельна его визирной оси, то изображение 13 диафрагмы тест-объекта не будет совпадать с вершиной прицельной марки 14, как это показано на фиг.3 пунктиром. Точность измерения дистанции дальномером в этом случае будет невысока или возможность измерения вообще будет отсутствовать. Дальномер следует отправить в ремонт. При наличии же в дальномере оптического компенсатора 11 и органов управления им на панели дальномера данный дефект устраняют на месте, совмещая изображение 13 с вершиной прицельной марки 14, как показано на фиг.3. Точность измерения дистанции при этом будет высокой.If it is necessary to control the non-parallelism of the axes of the receiving and target channels and the alignment of the laser range finder, the retroreflector 10 is introduced into the beam and installed in its working position within the exit pupil of the lens 3, as shown in Fig. 1. At the same time, the backlight system 9 of the test object 8 is turned on. The radiation of the backlight system 9, as a rule, should be visible, since the object image observation device 5 usually operates in the visible region of the spectrum. The rays of light from the test object 8, highlighted by the backlight system 9, are reflected from the second spectrometer 7, then from the first spectrometer 4, which reflects a small part of the visible radiation (approximately 5 ... 10%), the lens 3 passes, reflected from the reflector 10, again pass the lens 3 and after passing the first spectrometer 4 form in the field of view of the device 5 for observing the image of objects, the image 13 of the diaphragm of the test object 8 (figure 2). Image 13 is observed by the operator through the eyepiece (or on the screen of the monitor) together with the reticle 14 (Fig.3). If the axis of the receiving channel of the rangefinder is not parallel to its line of sight, then the image 13 of the diaphragm of the test object will not coincide with the apex of the aiming mark 14, as shown by a dotted line in Fig. 3. In this case, the accuracy of measuring the distance by the rangefinder will be low or there will be no possibility of measurement at all. The rangefinder should be sent for repair. If there is an optical compensator 11 and its controls in the range finder on the range finder panel, this defect is eliminated in place by combining image 13 with the top of the reticle 14, as shown in FIG. 3. The accuracy of the distance measurement will be high.

Таким образом, предлагаемый лазерный дальномер обеспечивает оперативный контроль и устранение непараллельности оси приемного канала дальномера и его визирной оси, обеспечивая тем самым повышение точности измерения дистанции до цели.Thus, the proposed laser range finder provides operational control and elimination of non-parallelism of the axis of the receiving channel of the range finder and its target axis, thereby improving the accuracy of measuring the distance to the target.

Источники информацииInformation sources

1. Евразийский патент №001581, кл.G01C3/08, публ. 25.06.2001 г., прототип.1. Eurasian patent No. 001581, class G01C3 / 08, publ. 06/25/2001, the prototype.

Claims

1. A laser range finder containing a transmitting channel, including an optically coupled laser and a transmitting optical system, and a sighting and receiving channel, including a lens, a first spectrometer, located on the optical axis of the lens at an angle to it, a device for observing images of objects with an aiming mark located in the focal plane of the lens, and a photodetector optically coupled by means of a first spectro splitter with a device for observing an image of objects, characterized in that it is provided with a second spec a cathodic splitter located between the first spectral splitter and a photodetector on the optical axis of the lens at an angle to it, a test object located on the optical axis of the lens and connected optically to the lens via the second and first spectro splitters, a backlight system for the test object located on the optical axis of the lens and optically coupled to it by means of the second and first spectro splitters, and a retroreflector mounted in front of the lens with the possibility of introducing into the area of its entrance pupil.

2. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that the test object is made in the form of a diaphragm.

3. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that the test object is made in the form of a fiber optic fiber.

4. The laser range finder according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is additionally equipped with an optical compensator located on the optical axis of the lens between the first and second spectro splitters, for the possibility of quick coordination of the sight and receiver channels.

5. The laser range finder according to claim 4, characterized in that the optical compensator is made in the form of a lens mounted with the possibility of movement in two mutually orthogonal directions perpendicular to the optical axis of the lens.

6. The laser range finder according to any one of claims 1 to 3, 5, characterized in that the second spectrometer and the test object are rigidly connected to each other in a single unit mounted with the ability to move in an arbitrary direction perpendicular to the optical axis of the lens, and fixation in selected position.