RU2341771C1

RU2341771C1 - Laser range finder

Info

Publication number: RU2341771C1
Application number: RU2007120389/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Вильнер (RU); Валерий Григорьевич Вильнер; Ирина Вольфовна Вильнер (RU); Ирина Вольфовна Вильнер; Владимир Георгиевич Волобуев (RU); Владимир Георгиевич Волобуев; бокуль Борис Кириллович Р (RU); Борис Кириллович Рябокуль
Original assignee: ЗАО "Скат-Р"
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-20

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: laser range finder incorporates a receiver and transmitter comprising radiator lens and laser radiator. When the latter operates, a body of glow is formed at the radiator outlet located in the radiator lens focal plane. The radiator lens is made up of first cylindrical component with focal length f₁ and second cylindrical component with focal length f₂, arranged perpendicular to each other and space apart from the radiator equivalent body of glow by l₁=f₁<a/α for the said first component and l₂=f₂<b/β for the said second component. Body of glow formed in operation of laser radiator can be directed so that the direction of its maximum size gets aligned with the maximum angular size of the irradiated object. One or several flat mirrors can be arranged between the aforesaid first and second components. The proposed laser range finder can be additionally furnished with a binocular sight and second transmitter.

EFFECT: increased range, smaller sizes.

6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.The invention relates to laser technology, namely to laser ranging equipment.

Известен лазерный дальномер, содержащий передающее и приемное устройства [1]. Приемное устройство такого дальномера содержит приемник и объектив приемника (антенну приемника), а передающее устройство - лазерный излучатель и объектив излучателя, коллимирующий лазерное излучение. Согласно указанному техническому решению для сопряжения объектива излучателя с лазерным излучателем последний может быть снабжен линзой, создающей мнимое или действительное эквивалентное тело свечения лазерного излучателя, размещенное в фокальной плоскости объектива. Тело свечения реальных излучателей имеет конечные (ненулевые) поперечные габариты, поэтому угловая расходимость выходного излучения также имеет конечные значения.Known laser range finder containing a transmitting and receiving device [1]. The receiver of such a range finder comprises a receiver and a receiver lens (receiver antenna), and a transmitter is a laser emitter and an emitter lens that collimates laser radiation. According to the specified technical solution for pairing the emitter lens with the laser emitter, the latter can be equipped with a lens that creates an imaginary or real equivalent luminous body of the laser emitter located in the focal plane of the lens. The luminescence body of real emitters has finite (nonzero) transverse dimensions; therefore, the angular divergence of the output radiation also has finite values.

Недостатком этого лазерного дальномера являются большие габариты объектива излучателя.The disadvantage of this laser rangefinder is the large dimensions of the emitter lens.

Наиболее близким по технической сущности 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.The closest in technical essence is the laser rangefinder described in [2]. The specified laser range finder contains a receiving device and a transmitting device including an emitter lens and a laser emitter, the equivalent luminous body of which is located in the focal plane of the emitter lens.

В этом лазерном дальномере габариты объектива излучателя ограничены размерами объема, выделенного под передающее устройство. В результате ограничений, накладываемых на фокусное расстояние и диаметр объектива излучателя, в такой конструкции невозможно обеспечить малую выходную расходимость выходного излучения и одновременно апертурный угол объектива, достаточный для сбора всего светового пучка с выхода излучателя. Этот недостаток особенно проявляется в портативных приборах, предназначенных для зондировании малогабаритных удаленных объектов, что не позволяет обеспечить требуемую дальность действия прибора.In this laser rangefinder, the dimensions of the emitter lens are limited by the size of the volume allocated to the transmitting device. As a result of the restrictions imposed on the focal length and diameter of the lens of the emitter, in such a design it is impossible to provide a small output divergence of the output radiation and at the same time the aperture angle of the lens sufficient to collect the entire light beam from the output of the emitter. This disadvantage is especially evident in portable devices designed for sensing small-sized remote objects, which does not allow to provide the required range of the device.

Задачей изобретения является обеспечение максимальной дальности действия дальномера для малоразмерных целей при минимальных габаритах устройства.The objective of the invention is to ensure maximum range of the range finder for small targets with a minimum size of the device.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив излучателя и лазерный излучатель, при срабатывании которого на его выходе образуется тело свечения, расположенное в фокальной плоскости объектива излучателя, объектив излучателя состоит из первого цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₁ и второго цилиндрического компонента с фокусным расстоянием f₂, которые расположены взаимно перпендикулярно и удалены от образующегося при срабатывании лазерного излучателя тела свечения на расстоянии l₁=f₁<a/α для первого цилиндрического компонента и l₂=f₂<b/β для второго цилиндрического компонента, где α и β - угловые размеры удаленного объекта, соответствующие по ориентации габаритам a и b образующегося при срабатывании лазерного излучателя тела свечения.This problem is solved due to the fact that in the known laser range finder containing a receiving device and a transmitting device including an emitter lens and a laser emitter, when triggered, a luminous body located in the focal plane of the emitter lens is formed at its output, the emitter lens consists of a first cylindrical a component with a focal length f ₁ and a second cylindrical component with a focal length f ₂ that are mutually perpendicular and remote from the resulting I when triggered luminescence body of the laser emitter at a distance l ₁ = f ₁ <a / α to the first cylindrical component and l ₂ = f ₂ <b / β for the second cylindrical component, where α and β - angular dimensions of a remote object corresponding in orientation dimensions a and b of the glow body formed when the laser emitter is triggered.

Минимальные габариты оптической системы достигаются, если эквивалентное тело свечения на выходе лазерного излучателя при его срабатывании ориентировано так, чтобы направление его максимального габарита совпадало с направлением максимального углового габарита удаленного объекта.The minimum dimensions of the optical system are achieved if the equivalent luminescence body at the output of the laser emitter when it is triggered is oriented so that the direction of its maximum size coincides with the direction of the maximum angular dimension of the distant object.

Габариты оптической системы могут быть уменьшены, если между первым и вторым цилиндрическими компонентами введены одно или несколько плоских зеркал, меняющих направление оптической оси объектива излучателя.The dimensions of the optical system can be reduced if one or more planar mirrors are introduced between the first and second cylindrical components, changing the direction of the optical axis of the emitter lens.

Благодаря конструктивным особенностям данного технического решения обеспечивается возможность введения в дальномер второго лазерного излучателя со вторым объективом. Это позволит вдвое увеличить энергию зондирующего излучения прибора.Due to the design features of this technical solution, it is possible to introduce a second laser emitter with a second lens into the range finder. This will double the energy of the probe radiation of the device.

Лазерный дальномер может быть дополнительно снабжен бинокулярным визиром, одна из ветвей которого совмещена с приемным устройством, а объектив излучателя расположен между трубками визира.The laser range finder can be additionally equipped with a binocular sight, one of the branches of which is combined with a receiving device, and the emitter lens is located between the sight tubes.

Благодаря существенно меньшим габаритам объектива излучателя в лазерный дальномер может быть дополнительно введено второе передающее устройство, что позволит увеличить дальность действия в 1,3-1,5 раза.Due to the significantly smaller dimensions of the emitter lens, a second transmitting device can be additionally introduced into the laser rangefinder, which will increase the range by 1.3-1.5 times.

На чертеже фиг.1 представлена блок-схема лазерного дальномера. Фиг.2а и 2б служат для пояснения вида тела свечения и апертурного угла θ_β(θ_α) соответственно у твердотельного лазерного излучателя с линзой и полупроводникового лазера. Фиг.2в иллюстрирует связь между габаритом b(a) тела свечения, фокусным расстоянием f₁(f₂) компонента объектива и углом β(α) расходимости выходного излучения. На фиг.3 показано взаимное положение тела свечения и компонентов объектива излучателя. На фиг.4 изображены возможные варианты компоновки плоских зеркал и компонентов объектива излучателя. Фиг.5 иллюстрирует возможные варианты компоновки объектива излучателя в составе портативного лазерного дальномера, совмещенного с бинокулярным визиром. На фиг.6 изображена возможная компоновка лазерного дальномера с двумя лазерными излучателями, совмещенного с бинокулярным визиром. 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). Отрезок между телом свечения и первым цилиндрическим компонентом 8 этого объектива равен фокусному расстоянию f₁ этого компонента (фиг.2в, 3). Второй цилиндрический компонент 9 расположен перпендикулярно первому цилиндрическому компоненту 8 и удален от тела свечения на расстояние, равное своему фокусному расстоянию f₂. Продольный размер объектива 2 может быть уменьшен путем изменения направления оптической оси с помощью зеркал, введенных между первым и вторым цилиндрическими компонентами. При взаимно перпендикулярном положении зеркал 10, 11 (фиг.4а) направление излучения меняется на обратное, а при взаимно параллельном положении зеркал 12, 13 направление выходного излучения совпадает с направлением светового пучка излучателя (фиг.4б). На фиг.5 показаны возможные примеры совмещения лазерного дальномера с бинокулярным визиром при различных вариантах размещения второго цилиндрического компонента 9 относительно визирных трубок 14, 15. Возможно введение в дальномер второго передающего канала для увеличения энергетического потенциала дальномера или для осуществления двойных зондирований с задержкой, что бывает необходимо в некоторых специальных приложениях (фиг.6).The drawing of figure 1 shows a block diagram of a laser rangefinder. Figures 2a and 2b serve to explain the appearance of the luminous body and the aperture angle θ _β (θ _α ) of a solid-state laser emitter with a lens and a semiconductor laser, respectively. 2B illustrates the relationship between the clearance b (a) glow body, the focal length f ₁ (f ₂₎ of the lens component and the angle β (α) of divergence of the output radiation. Figure 3 shows the relative position of the glow body and the components of the emitter lens. Figure 4 shows possible layout options for flat mirrors and components of the emitter lens. Figure 5 illustrates the possible layout of the emitter lens as part of a portable laser rangefinder, combined with a binocular sight. Figure 6 shows a possible layout of a laser rangefinder with two laser emitters, combined with a binocular sight. The laser range finder (Fig. 1) comprises a transmitting device consisting of a laser emitter 1 coupled to a lens 2 of the emitter and a receiving device consisting of a receiver 3 coupled to a lens 4 of the receiver. The laser rangefinder is oriented so that the axes of the receiving and transmitting devices are directed toward the remote object. If the laser 5 forms a quasi-parallel radiation beam, then by introducing the lens 6 into the composition of the laser emitter, it is possible to create an equivalent glow body 7 located at a finite distance from the emitter lens (Fig. 2a). The luminescence body 7 of the semiconductor laser 5 coincides with its output face (fig.2b). The segment between the body of the glow and the first cylindrical component 8 of this lens is equal to the focal length f _{1 of} this component (pigv, 3). The second cylindrical component 9 is perpendicular to the first cylindrical component 8 and is removed from the luminous body by a distance equal to its focal length f ₂ . The longitudinal size of the lens 2 can be reduced by changing the direction of the optical axis using mirrors inserted between the first and second cylindrical components. With the mutually perpendicular position of the mirrors 10, 11 (Fig. 4a), the direction of radiation changes to the opposite, and with the mutually parallel position of the mirrors 12, 13, the direction of the output radiation coincides with the direction of the light beam of the emitter (Fig. 4b). Figure 5 shows possible examples of combining a laser rangefinder with a binocular target with various options for placing the second cylindrical component 9 relative to the sighting tubes 14, 15. It is possible to introduce a second transmission channel into the rangefinder to increase the energy potential of the rangefinder or to implement double soundings with a delay, which happens necessary in some special applications (Fig.6).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При срабатывании лазерного излучателя 1 на его выходе образуется тело свечения 7, испускающее расходящийся пучок лазерного излучения. Первый цилиндрический компонент 8 перехватывает этот пучок излучения в вертикальной плоскости в апертурном угле θ_β и коллимирует его в выходной пучок с угловой расходимостью в вертикальной плоскости (β=b/f₁, где b - вертикальный габарит тела свечения 7; f₁ - фокусное расстояние компонента 8. Первый цилиндрический компонент не оказывает влияния на расходимость излучения в горизонтальной плоскости. Второй цилиндрический компонент 9 работает в горизонтальном апертурном угле θ_α и, не влияя на расходимость в вертикальной плоскости, формирует выходной пучок с угловой расходимостью в горизонтальной плоскости α=a/f₂, где а - горизонтальный габарит тела свечения 7; f₂ - фокусное расстояние компонента 9. Отраженное удаленным объектом излучение с помощью объектива 4 приемника 3 фокусируется на чувствительную площадку приемника.When the laser emitter 1 is triggered, a glow body 7 is formed at its output, emitting a diverging beam of laser radiation. The first cylindrical component 8 intercepts this radiation beam in a vertical plane in the aperture angle θ _β and collimates it into an output beam with an angular divergence in the vertical plane (β = b / f ₁ , where b is the vertical dimension of the glow body 7; f ₁ is the focal length 8. The first component, a cylindrical component does not affect the beam divergence in the horizontal plane. The second cylindrical component 9 is in a horizontal aperture angle θ _α and without affecting the divergence in the vertical plane, forms in Khodnev beam with angular divergence in the horizontal plane α = a / f _2, and wherein - the horizontal dimension of the body 7 luminescence; f ₂ - focal length of the component 9. The reflected radiation from the remote object via the lens 4 of the receiver 3 is focused on the sensitive area of the receiver.

Предлагаемый дальномер имеет следующие преимущества по сравнению с известными.The proposed rangefinder has the following advantages compared to the known ones.

Повышается эффективность использования зондирующего излучения дальномера благодаря более полному собиранию лазерного излучения в апертурных углах излучателя θ_β и θ_α и повышению направленности излучения. Установлено, что энергетический выигрыш при этом достигает 1,5-2 и более раз.The efficiency of using the probing radiation of the rangefinder is increased due to a more complete collection of laser radiation in the aperture angles of the emitter θ _β and θ _α and an increase in the directivity of the radiation. It was found that the energy gain in this case reaches 1.5-2 or more times.

В 2-3 раза сокращается ширина объектива излучателя, что, во-первых, облегчает его встраивание в портативные дальномеры, а, во-вторых, дает возможность "складывать" объектив в узком сечении, что позволяет уменьшить продольный габарит объектива при его большом фокусном расстоянии.The width of the emitter lens is reduced by 2-3 times, which, firstly, facilitates its integration into portable rangefinders, and, secondly, makes it possible to "fold" the lens in a narrow section, which allows to reduce the longitudinal dimension of the lens with its large focal length .

Из-за меньшего объема объектива излучателя обеспечивается возможность его размещения в виде самостоятельного канала без совмещения с визиром дальномера. При этом упрощается конструкция прибора благодаря исключению спектроделительного узла, улучшается цветопередача и светопропускание визира, дополнительно повышается энергия зондирующего излучения дальномера за счет исключения потерь в спектроделителе (до 20-30%).Due to the smaller volume of the emitter lens, it is possible to place it in the form of an independent channel without combining it with the rangefinder sight. At the same time, the design of the device is simplified due to the exclusion of the spectro-splitting unit, the color rendering and light transmission of the sight are improved, and the energy of the probing radiation of the range finder is further increased by eliminating losses in the spectro-splitter (up to 20-30%).

Введение второго передающего устройства обеспечивает дополнительный двукратный энергетический выигрыш.The introduction of a second transmitter provides an additional twofold energy gain.

Указанные преимущества обеспечивают увеличение максимальной дальности действия дальномера для малоразмерных целей при минимальных габаритах устройства.These advantages provide an increase in the maximum range of the rangefinder for small targets with a minimum size of the device.

Источники информацииInformation sources

1. В.А.Смирнов. "Введение в оптическую радиоэлектронику". Изд. "Советское радио", Москва, 1973 г., стр.189.1. V.A. Smirnov. "Introduction to Optical Electronics". Ed. Soviet Radio, Moscow, 1973, p. 189.

2. Патент США №6903811 В2 от 7 июня 2005 г., кл. США 356/5.01 - прототип.2. US patent No. 6903811 B2 of June 7, 2005, CL. US 356 / 5.01 - prototype.

Claims

1. A laser range finder comprising a receiving device and a transmitting device including an emitter lens and a laser emitter, when triggered, a luminous body is formed at its output located in the focal plane of the emitter lens, characterized in that the emitter lens consists of a first cylindrical component with a focal length f ₁ and the second cylindrical component with a focal length f _2, which are disposed mutually perpendicular to and removed from the image at operation of the laser rad glow body ents at a distance l ₁ = f ₁ <a / α to the first cylindrical component and l ₂ = f ₂ <b / β for the second cylindrical component, where α and β - angular dimensions of a remote object corresponding to the orientation the dimensions a and b the luminescence generated when the laser emitter is activated.

2. The laser range finder according to claim 1, characterized in that the luminescent body formed when the laser emitter is triggered is oriented so that the direction of its maximum dimension coincides with the direction of the maximum angular dimension of the remote object.

3. The laser range finder according to claim 1, characterized in that between the first and second cylindrical components introduced one or more flat mirrors that change the direction of the optical axis of the emitter lens.

4. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with a binocular sight, one of the branches of which is combined with a receiving device, and the emitter lens is located between the tubes of the sight.

5. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that a second transmitting device is additionally inserted into it.