RU2756987C1

RU2756987C1 - Compact lidar

Info

Publication number: RU2756987C1
Application number: RU2020141471A
Authority: RU
Inventors: Юрий Петрович Гущо; Мария Алексеевна Гущо
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью НаноРельеф Дисплей
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-10-08
Also published as: RU2756987C9

Abstract

FIELD: radar technology.

SUBSTANCE: invention relates to lidars with laser radiation control without moving parts with the ability to control the intensity, frequency, phase characteristics and direction of light radiation and can be used in a number of special areas: optical location, robotic complexes, automotive industry, aircraft construction, unmanned aviation, obstacle collision warning systems, cartography and navigation, space geodesy, machine vision systems, construction, mining, underwater vision systems, in the study of the atmosphere, mine clearance and rescue of people at sea and on land. Essence: the compact lidar additionally contains an electro-optical converter containing a cubic beam splitter and a modulator, and the cubic beam splitter is perpendicular to the first optical axis with the first face, and the second face parallel to the first face is facing the modulator, and the laser emitter, cubic beam splitter and modulator are located on the first optical axis, and the beam splitting line of the cubic beam splitter is located at 45 degrees to the first optical axis, and the laser emitter, electro-optical converter are located on the first optical axis, in this case, the output optical system and the cubic beam splitter are located on the second optical axis perpendicular to the first optical axis, and the second optical axis passes through the center of the third face of the cubic beam splitter facing the output optical system, and the driver is electrically connected to the laser emitter, the control unit is electrically connected to an electro-optical converter, a digital computer and a synchronization unit, and the laser emitter contains a pulsed laser source and a collimator located on the first optical axis, perpendicular to the first face of the cubic beam splitter, and the modulator contains a transparent dielectric substrate, one of the sides of which is perpendicular to the first optical axis, and its other side is in series optically in contact with a transparent electrically conductive layer, with a gel-like layer, with a gap and with a three-layer structure, and the surface of the electrode system facing the gap is covered with a dielectric mirror, and the electrode system is electrically in contact with the control unit, while the electrode system contains a conductive matrix grid of dielectric cells. The output optical system contains adaptive optics optically directed at the object of observation, while the receiving optical-electronic path is optically directed at the object of observation and contains a lens, a band-pass optical filter, a photodetector element, a matching electronic path, a recording electronic circuit, and the lens, a band-pass optical filter and a photodetector element are located on the same optical axis, and the photodetector element is electrically connected to the matching electronic path, while the matching electronic path is electrically connected to the recording electronic circuit, while the recording electronic circuit is electrically connected to the digital computer, while the digital computer is electrically connected to the driver and the synchronization unit.

EFFECT: invention provides an extension of the scope of application, reducing the dimensions of the lidar.

1 cl, 12 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к лидарам с управлением лазерным излучением без подвижных частей с возможностью управления интенсивностью, частотой, фазовыми характеристиками и направлением светового излучения и может найти применение в ряде специальных областей: оптической локации, робототехнических комплексах, автомобильной промышленности, самолетостроении, беспилотной авиации, системах предупреждения столкновения с препятствиями, картографии и навигации, космической геодезии, системах машинного зрения, строительстве, горном деле, системах подводного зрения, при исследовании атмосферы, разминировании и при спасении людей на море и на суше.The invention relates to lidars with laser control without moving parts with the ability to control the intensity, frequency, phase characteristics and direction of light radiation and can be used in a number of special areas: optical location, robotic systems, the automotive industry, aircraft construction, unmanned aircraft, collision avoidance systems with obstacles, cartography and navigation, space geodesy, machine vision systems, construction, mining, underwater vision systems, atmospheric research, demining and rescuing people at sea and on land.

Уровень техникиState of the art

Известен лидар, содержащий вращающуюся призму, двигатель для вращения призмы, лазерный источник света, передающий и приемный тракты. Недостатком этого устройства является необходимость стабилизации вращающейся призмы, существенные ограничения по угловым скоростям и ускорениям сканирующей системы, недолговечность работы устройств вращения, а также большие масс-габаритные параметры и энергопотребление [патент US 20110216304 A1].Known lidar containing a rotating prism, a motor for rotating the prism, a laser light source, transmitting and receiving paths. The disadvantage of this device is the need to stabilize the rotating prism, significant restrictions on the angular velocities and accelerations of the scanning system, the fragility of the rotation devices, as well as large mass-dimensional parameters and power consumption [US patent 20110216304 A1].

Известен лидар, содержащий матрицу излучающих лазерных диодов, матрицу фотоприемных элементов, диаграмма направленности которых формирует поле зрения, систему коммутации, усиления, фильтрации и согласования сигнала, быстродействующую схему аналого-цифрового преобразователя, схему цифровой обработки сигнала, выполненную на программируемой логической интегральной схеме. Недостатком этого лидара является малое угловое разрешение, ограниченное количеством пар «приемник - передатчик», малое быстродействие вследствие использования фазового метода измерения дальности и использования аналого-цифрового преобразователя [патент US 20150219764 A1].Known lidar containing a matrix of emitting laser diodes, a matrix of photodetecting elements, the directional diagram of which forms the field of view, a switching system, amplification, filtering and signal matching, a high-speed analog-to-digital converter circuit, a digital signal processing circuit made on a programmable logic integrated circuit. The disadvantage of this lidar is the low angular resolution, limited by the number of pairs "receiver - transmitter", low speed due to the use of the phase method of measuring the range and the use of an analog-to-digital converter [US patent 20150219764 A1].

Наиболее близким изобретением является лидар, содержащий лазерный излучатель, модулятор, выходную оптическую систему, приемный оптико-электронный тракт, цифровой вычислитель, потребитель информации, драйвер лазерного излучателя, блок управления, блок синхронизации [патент RU 2690537]. Недостатком такого лидара являются большие габариты, что может приводить к ограничению в использовании в автомобильной, авиационной и робототехнической промышленностях.The closest invention is a lidar containing a laser emitter, a modulator, an output optical system, an optical-electronic receiving path, a digital computer, an information consumer, a laser emitter driver, a control unit, a synchronization unit [patent RU 2690537]. The disadvantage of such a lidar is its large size, which can lead to a limitation in its use in the automotive, aviation and robotic industries.

Задачей настоящего изобретения является создание компактного лидара, который можно использовать в автомобильной, авиационной и робототехнической промышленностях.An object of the present invention is to provide a compact lidar that can be used in the automotive, aviation and robotics industries.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Эти задачи решаются созданием настоящего изобретения.These problems are solved by the creation of the present invention.

Компактный лидар согласно нашему изобретению содержит лазерный излучатель, электрооптический преобразователь, выходную оптическую систему, направленную на объект наблюдения, приемный оптико-электронный тракт, направленный на объект наблюдения, электрически связанный с цифровым вычислителем, потребитель информации, электрически связанный с цифровым вычислителем, драйвер, блок управления, блок синхронизации, причем лазерный излучатель, электрооптический преобразователь расположены на первой оптической оси, при этом электрооптический преобразователь содержит кубический светоделитель и модулятор, причем кубический светоделитель первой гранью перпендикулярен к первой оптической оси, а второй гранью, параллельной первой грани, обращен к модулятору, причем лазерный излучатель, кубический светоделитель и модулятор расположены на первой оптической оси, причем светоделительная линия кубического светоделителя расположена под 45 градусов к первой оптической оси, при этом выходная оптическая система и кубический светоделитель находятся на второй оптической оси, перпендикулярной к первой оптической оси, причем вторая оптическая ось проходит через центр третьей грани кубического светоделителя, обращенной к выходной оптической системе, причем драйвер электрически связан с лазерным излучателем, блок управления электрически связан с электрооптическим преобразователем, цифровым вычислителем и блоком синхронизации, причем лазерный излучатель содержит импульсный лазерный источник и коллиматор, расположенные на первой оптической оси, перпендикулярной первой грани кубического светоделителя, причем модулятор содержит прозрачную диэлектрическую подложку, одна из сторон которой перпендикулярна первой оптической оси, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем, с гелеобразным слоем, с зазором и с трехслойной структурой, причем поверхность системы электродов, обращенная к зазору, покрыта диэлектрическим зеркалом, причем система электродов электрически контактирует с блоком управления, при этом система электродов содержит проводящую матричную сетку с n × m штуками диэлектрических ячеек p_ij, причем в ячейках проводящей матричной сетки размещена матрица электродов из n × m штук электродов, причем каждый электрод матрицы электродов разделен диэлектриком от проводящей матричной сетки, причем проводящая матричная сетка электрически соединена с блоком управления, содержащим источник опорного напряжения и матрицу источников сигнала из n × m источников сигнала U_ij, при этом первый полюс источника опорного напряжения подключен к прозрачному проводящему слою, а второй полюс источника опорного напряжения соединен с проводящей матричной сеткой, при этом каждый электрод из матрицы электродов электрически соединен с каждым соответствующим источником матрицы источников сигала из n × m источников сигнала U_ij, при этом другой полюс каждого из источников матрицы источников сигнала из n × m источников сигнала U_ij заземлен, причем блок синхронизации электрически соединен с драйвером лазерного излучателя и с блоком управления, при этом выходная оптическая система содержит, например, адаптивную оптику, оптически направленную на объект наблюдения, при этом приемный оптико-электронный тракт оптически направлен на объект наблюдения и содержит объектив, полосовой оптический фильтр, фотоприемный элемент, согласующий электронный тракт, регистрирующую электронную схему, причем объектив, полосовой оптический фильтр и фотоприемный элемент расположены на одной оптической оси, а фотоприемный элемент электрически соединен с согласующим электронным трактом, при этом согласующий электронный тракт, электрически соединен с регистрирующей электронной схемой, при этом регистрирующая электронная схема электрически соединена с цифровым вычислителем, при этом цифровой вычислитель электрически соединен с драйвером и блоком синхронизации.The compact lidar according to our invention contains a laser emitter, an electro-optical converter, an output optical system directed to the object of observation, an optical-electronic receiving path directed to the object of observation, electrically connected to a digital computer, an information consumer, electrically connected to a digital computer, a driver, a block control unit, synchronization unit, and the laser emitter, the electro-optical converter are located on the first optical axis, while the electro-optical converter contains a cubic beam splitter and a modulator, and the cubic beam splitter with the first facet is perpendicular to the first optical axis, and the second facet, parallel to the first facet, faces the modulator, moreover, the laser emitter, the cubic beam splitter and the modulator are located on the first optical axis, and the beam-splitting line of the cubic beam splitter is located at 45 degrees to the first optical axis, while the output optical system a and the cubic beam splitter are located on the second optical axis perpendicular to the first optical axis, the second optical axis passing through the center of the third face of the cubic beam splitter facing the output optical system, the driver is electrically connected to the laser emitter, the control unit is electrically connected to the electro-optical converter, a digital computer and a synchronization unit, and the laser emitter contains a pulsed laser source and a collimator located on the first optical axis perpendicular to the first face of the cubic beam splitter, and the modulator contains a transparent dielectric substrate, one side of which is perpendicular to the first optical axis, and its other side is sequentially optically contacts with a transparent electrically conductive layer, with a gel-like layer, with a gap and with a three-layer structure, and the surface of the electrode system facing the gap is covered with a dielectric mirror, and the electrode system is ele ctrically contacts the control unit, while the system of electrodes contains a conducting matrix grid with n × m pieces of dielectric cells p _ij , and in the cells of the conducting matrix grid there is a matrix of electrodes of n × m pieces of electrodes, and each electrode of the electrode matrix is separated by a dielectric from the conducting matrix grid, and the conductive matrix grid is electrically connected to a control unit containing a reference voltage source and a matrix of signal sources from n × m signal sources U _ij , while the first pole of the reference voltage source is connected to a transparent conductive layer, and the second pole of the reference voltage source is connected to a conductive matrix grid, wherein each electrode of the electrode matrix is electrically connected to each corresponding source of the matrix of signal sources from n × m signal sources U _ij , while the other pole of each of the sources of the matrix of signal sources from n × m signal sources U _{ij is} grounded, and block synchronization is electrically connected to the driver of the laser emitter and to the control unit, while the output optical system contains, for example, adaptive optics optically directed to the object of observation, while the receiving optical-electronic path is optically directed to the object of observation and contains a lens, a band-pass optical filter, a photoreceiving element, a matching electronic path, a recording electronic circuit, moreover, the lens, a band-pass optical filter and a photodetector element are located on the same optical axis, and the photodetector element is electrically connected to the matching electronic path, while the matching electronic path is electrically connected to the recording electronic circuit, when the recording electronic circuit is electrically connected to the digital computer, while the digital computer is electrically connected to the driver and the synchronization unit.

Кроме того в компактном лидаре по настоящему изобретению (Фиг. 7) модулятор содержит последовательно расположенные вогнутую прозрачную диэлектрическую подложку, вогнутый прозрачный электропроводящий слой, вогнутый гелеобразный слой, вогнутый зазор, вогнутую трехслойную структуру, причем вогнутая прозрачная диэлектрическая подложка, вогнутой стороной направлена на лазерный излучатель, причем форма вогнутого прозрачного электропроводящего слоя, вогнутого гелеобразного слоя, вогнутого зазора, вогнутой трехслойной структуры одинакова для всех и представляет собой, например, сферическую, параболическую или иную фокусирующую форму, причем фокус упомянутой формы расположен на первой оптической оси.In addition, in the compact lidar according to the present invention (Fig. 7), the modulator contains a concave transparent dielectric substrate, a concave transparent electrically conductive layer, a concave gel-like layer, a concave gap, a concave three-layer structure, and the concave transparent dielectric substrate is directed to the laser emitter by the concave side , and the shape of the concave transparent electrically conductive layer, the concave gel-like layer, the concave gap, the concave three-layer structure is the same for all and is, for example, a spherical, parabolic or other focusing shape, and the focus of said shape is located on the first optical axis.

Перечень фигурList of figures

На Фиг. 1 показана общая конструкция компактного лидара.FIG. 1 shows the general design of a compact lidar.

На Фиг. 2 показан пример конструкции лазерного излучателя, электрооптического преобразователя и выходной оптической системы.FIG. 2 shows an example of the construction of a laser emitter, an electro-optical converter and an output optical system.

На Фиг. 3 показан разрез модулятора.FIG. 3 shows a section of the modulator.

На Фиг. 4 показан пример конструкции системы электродов и блока управления.FIG. 4 shows an example of the design of an electrode system and a control unit.

На Фиг. 5 показан вариант конструкции отражающего модулятора.FIG. 5 shows a design variant of a reflective modulator.

На Фиг. 6 показана конструкция приемного оптико-электронного тракта.FIG. 6 shows the design of the receiving optoelectronic path.

На Фиг. 7 показан вариант конструкции отражающего вогнутого модулятора.FIG. 7 shows an embodiment of a reflective concave modulator.

На Фиг. 8 показан принцип формирования фазированной оптической решетки.FIG. 8 shows the principle of forming a phased optical array.

На Фиг. 9 показано формирование набега фазы фазированной оптической решетки.FIG. 9 shows the formation of the phase incursion of a phased optical array.

На Фиг. 10 показана временная диаграмма формирования рельефа и набега фазы.FIG. 10 is a timing diagram of topography and phase incursion.

На Фиг. 11 показан пример временной диаграммы отклика рельефа на входной электрический сигнал при различных зазорах модулятора.FIG. 11 shows an example of a timing diagram of the response of a relief to an input electrical signal at various modulator gaps.

На Фиг. 12 показан пример экспериментальных спектральных характеристик пропускания гелеобразного слоя толщиной 20 мкм.FIG. 12 shows an example of the experimental spectral transmission characteristics of a gel-like layer with a thickness of 20 μm.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Лидар (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6,) содержит лазерный излучатель 1, электрооптический преобразователь 2, выходную оптическую систему 3, направленную на объект наблюдения 4, приемный оптико-электронный тракт 5, направленный на объект наблюдения 4, электрически связанный с цифровым вычислителем 6, потребитель информации 7, электрически связанный с цифровым вычислителем 6, драйвер 8, блок управления 9, блок синхронизации 10, причем лазерный излучатель 1, электрооптический преобразователь 2 расположены на первой оптической оси, при этом электрооптический преобразователь 2 содержит кубический светоделитель 11 и модулятор 12, причем кубический светоделитель 11 первой гранью перпендикулярен к первой оптической оси, а второй гранью, параллельной первой грани, обращен к модулятору 12, причем лазерный излучатель 1, кубический светоделитель 11 и модулятор 12 расположены на первой оптической оси, причем светоделительная линия кубического светоделителя 11 расположена под 45 градусов к первой оптической оси, при этом выходная оптическая система 3 и кубический светоделитель 11 находятся на второй оптической оси, перпендикулярной к первой оптической оси, причем вторая оптическая ось проходит через центр третьей грани кубического светоделителя 11, обращенной к выходной оптической системе 3, причем драйвер 8 электрически связан с лазерным излучателем 1, блок управления 9 электрически связан с электрооптическим преобразователем 2, цифровым вычислителем 6 и блоком синхронизации 10, причем лазерный излучатель 1 содержит импульсный лазерный источник 13 и коллиматор 14, расположенные на первой оптической оси, перпендикулярной первой грани кубического светоделителя 11, причем модулятор 12 содержит прозрачную диэлектрическую подложку 15, одна из сторон которой перпендикулярна первой оптической оси, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем 16, с гелеобразным слоем 17, с зазором 18 и с трехслойной структурой 19, причем поверхность системы электродов 20, обращенная к зазору 18, покрыта диэлектрическим зеркалом 21, причем система электродов 20 электрически контактирует с блоком управления 9, при этом система электродов 20 содержит проводящую матричную сетку 22 с n × m штуками диэлектрических ячеек p_ij, причем в ячейках проводящей матричной сетки 22 размещена матрица 23 электродов n × m штук электродов, причем каждый электрод матрицы 23 разделен диэлектриком 24 от проводящей матричной сетки 22, причем проводящая матричная сетка 22 электрически соединена с блоком управления 9, содержащим источник опорного напряжения 25, и матрицу источников сигнала 26 из n × m источников сигнала U_ij, при этом первый полюс источника опорного напряжения 25 подключен к прозрачному проводящему слою 16, а второй полюс источника опорного напряжения 25 соединен с проводящей матричной сеткой 22, при этом каждый электрод из матрицы 23 электрически соединен с каждым соответствующим источником матрицы 26 из n × m источников сигнала U_ij, при этом другой полюс каждого из источников матрицы источников сигнала 26 из n × m источников сигнала U_ij заземлен, причем блок синхронизации 10 электрически соединен с драйвером 8 лазерного излучателя 1 и с блоком управления 9, при этом выходная оптическая система 3 содержит, например, адаптивную оптику, оптически направленную на объект наблюдения 4, при этом приемный оптико-электронный тракт 5 оптически направлен на объект наблюдения 4 и содержит объектив 27, полосовой оптический фильтр 28, фотоприемный элемент 29, согласующий электронный тракт 30, регистрирующую электронную схему 31 причем объектив 27, полосовой оптический фильтр 28 и фотоприемный элемент - 29 расположены на одной оптической оси, а фотоприемный элемент 29 электрически соединен с согласующим электронным трактом 30, при этом согласующий электронный тракт 30, электрически соединен с регистрирующей электронной схемой 31, при этом регистрирующая электронная схема 31 электрически соединена с цифровым вычислителем 6, при этом цифровой вычислитель 6 электрически соединен с драйвером 8 и блоком синхронизации 10.The lidar (Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6,) contains a laser emitter 1, an electro-optical converter 2, an output optical system 3 directed to the observation object 4, an optical-electronic receiving path 5 directed to the observation object 4, electrically connected to digital computer 6, consumer of information 7, electrically connected to digital computer 6, driver 8, control unit 9, synchronization unit 10, moreover, the laser emitter 1, the electro-optical converter 2 are located on the first optical axis, while the electro-optical converter 2 contains a cubic beam splitter 11 and modulator 12, and the cubic beam splitter 11 is perpendicular to the first optical axis with the first facet, and the second facet, parallel to the first facet, faces the modulator 12, and the laser emitter 1, the cubic beam splitter 11 and the modulator 12 are located on the first optical axis, and the beam splitter the line of the cubic beam splitter 11 is located at 45 degrees to the first optical axis, while the output optical system 3 and the cubic beam splitter 11 are on the second optical axis perpendicular to the first optical axis, and the second optical axis passes through the center of the third face of the cubic beam splitter 11 facing the output optical system 3, and the driver 8 is electrically connected to laser emitter 1, the control unit 9 is electrically connected to the electro-optical converter 2, the digital computer 6 and the synchronization unit 10, and the laser emitter 1 contains a pulsed laser source 13 and a collimator 14 located on the first optical axis perpendicular to the first face of the cubic beam splitter 11, and the modulator 12 contains a transparent dielectric substrate 15, one of the sides of which is perpendicular to the first optical axis, and its other side sequentially optically contacts with a transparent electrically conductive layer 16, with a gel-like layer 17, with a gap 18 and with a three-layer structure 19, and the surface of the electrically of the electrodes 20 facing the gap 18 is covered with a dielectric mirror 21, and the system of electrodes 20 is electrically in contact with the control unit 9, while the system of electrodes 20 contains a conductive matrix grid 22 with n × m pieces of dielectric cells p _ij , and in the cells of the conductive matrix grid 22 contains a matrix 23 of electrodes of n × m pieces of electrodes, each electrode of the matrix 23 being separated by a dielectric 24 from a conductive matrix grid 22, and the conductive matrix grid 22 is electrically connected to a control unit 9 containing a reference voltage source 25 and a matrix of signal sources 26 of n × m signal sources U _ij , wherein the first pole of the reference voltage source 25 is connected to the transparent conductive layer 16, and the second pole of the reference voltage source 25 is connected to the conductive matrix grid 22, each electrode from the matrix 23 being electrically connected to each corresponding matrix source 26 of n × m signal sources U _ij , while other The second pole of each of the sources of the matrix of signal sources 26 of n × m signal sources U _{ij is} grounded, and the synchronization unit 10 is electrically connected to the driver 8 of the laser emitter 1 and to the control unit 9, while the output optical system 3 contains, for example, adaptive optics, optically directed to the object of observation 4, while the receiving optical-electronic path 5 is optically directed to the object of observation 4 and contains an objective 27, a band-pass optical filter 28, a photodetector element 29, a matching electronic path 30, a recording electronic circuit 31 and the lens 27, a band-pass optical the filter 28 and the photodetecting element - 29 are located on the same optical axis, and the photoreceiving element 29 is electrically connected to the matching electronic path 30, while the matching electronic path 30 is electrically connected to the recording electronic circuit 31, while the recording electronic circuit 31 is electrically connected to the digital computer 6, while digitally The th calculator 6 is electrically connected to the driver 8 and the synchronization unit 10.

В другом варианте осуществления устройства (Фиг. 7) модулятор 12 содержит последовательно расположенные вогнутую прозрачную диэлектрическую подложку 15, вогнутый прозрачный электропроводящий слой 16, вогнутый гелеобразный слой 17, вогнутый зазор 18, вогнутую трехслойную структуру 19, причем вогнутая прозрачная диэлектрическая подложка 15, вогнутой стороной направлена на лазерный излучатель 1, причем форма вогнутого прозрачного электропроводящего слоя 16, вогнутого гелеобразного слоя 17, вогнутого зазора 18, вогнутой трехслойной структуры 19 одинакова для всех и представляет собой, например, сферическую, параболическую или иную фокусирующую форму, причем фокус упомянутой формы расположен на первой оптической оси.In another embodiment of the device (Fig. 7), the modulator 12 comprises a concave transparent dielectric substrate 15, a concave transparent electrically conductive layer 16, a concave gel-like layer 17, a concave gap 18, a concave three-layer structure 19, and the concave transparent dielectric substrate 15, with the concave side is directed to the laser emitter 1, and the shape of the concave transparent electrically conductive layer 16, the concave gel-like layer 17, the concave gap 18, the concave three-layer structure 19 is the same for all and is, for example, a spherical, parabolic or other focusing shape, and the focus of the said shape is located on the first optical axis.

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.

В предложенном устройстве лидара (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12) излучение от импульсного лазерного источника 13 последовательно проходит через коллиматор 14, кубический светоделитель 11, диэлектрическую прозрачную подложку 15, прозрачный электропроводящий слой 16, гелеобразный прозрачный слой 17, зазор 18 и отражается от диэлектрического зеркала 21. Модулированное излучение при прохождении первый раз гелеобразного прозрачного слоя 17 после отражения от диэлектрического зеркала 21 модулируется второй раз (усиливается) при прохождении фазового рельефа на гелеобразном прозрачном слое 17. Излучение с измененным набегом фаз на пикселях фазовой рельефной решетки поступает на кубический светоделитель 11 и выходную оптическую систему 3, с помощью которой модуляция фазовых набегов на пикселях фазовой рельефной решетки приводит к усилению угла сканирования объекта наблюдения 4. Отраженное импульсное излучение от объекта наблюдения 4 попадает на объектив 27, далее на полосовой оптический фильтр 28, который отфильтровывает оптические шумы. Далее оптический сигнал на фотоприемном элементе 29 преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал проходит через согласующий электронный тракт 30 и регистрируется в электронной схеме 31. С помощью цифрового вычислителя 6 определяется расстояние от лидара до объекта следующим образом. Поскольку время отправления импульсного излучения регистрируется, то можно определить время прохождения излучения от лидара до объекта наблюдения 4 и время от объекта наблюдения 4 до объектива 27. Это позволяет определить расстояние от лидара до объекта, поскольку скорость света постоянна и известна. Кроме того, поскольку азимут каждого импульсного излучения известен, то в потребителе информации 7 последовательно точка за точкой может быть записана форма объекта наблюдения 4 и расстояние до объекта в целом (Фиг. 2). Электрические сигналы, которые вырабатываются цифровым вычислителем 6 в блоке управления 9 с помощью драйвера 8 и блока синхронизации 10, поступают в модулятор 12. В модуляторе 12 под действием электрических сигналов от матрицы 26 источников сигнала из n × m источников сигнала U_ijв системе электродов 20 на матрице 23 электродов из n × m штук электродов, разделенных диэлектриком 24 от проводящей матричной сетки 22, создается модулированная напряженность электрического поля (Фиг. 1, 2, 3, 4). Для усиления этой напряженности используется источник опорного напряжения 25 U₀, который подключен одним полюсом к прозрачному проводящему слою 16, а другим к проводящей сетке 22. (Фиг. 4). Под действием этой модулированной напряженности на поверхности гелеобразного прозрачного слоя 17 в зазоре 18 создается геометрический рельеф с периодом фазовой дифракционной решетки λ (Фиг. 3, 9, 10). Детально работа модулятора 12 описана в книге Ю.П. Гущо «Физика рельефографии» Наука, М., 1999. Применение проводящей матричной сетки 22 позволяет устранить перекрестное влияние сигналов и увеличить чувствительность управления лидаром. Высота рельефа регулируется заданным напряжением каждого источника сигнала матрицы 26. В свою очередь глубина рельефа изменяет набег фазы ψ когерентного лазерного излучения, который можно определить по формуле: ψ=2 √2nω_lA, где А - глубина рельефа; ω₁=2π/λ_l; λ_l - длина волны считывающего излучения; n=1,41 - коэффициент преломления гелеобразного слоя 17 (Фиг. 8, 9, 10). Задавая управляющие напряжения соответствующих областей модулятора U₁(t)…U₄(t) (Фиг. 10а) и амплитуды рельефа соответствующих областей фазового модулятора света a₁(t)…a₄(t) (Фиг. 10б), можно управлять волновым фронтом (Фиг. 8, 9, 10) светового излучения с целью сканирования объекта наблюдения 4. При этом с помощью адаптивной выходной оптической системы 3 может быть введена коррекция углов сканирования. Отраженное излучение от объекта наблюдения 4 поступает в приемный оптико-электронный тракт 5 и проходит через объектив 27, полосовой оптический фильтр 28 и поступает в фотоприемный элемент 29, где преобразуется в электрический сигнал (Фиг. 1, 5, 6). Этот электрический сигнал через согласующий электронный тракт 30 поступает в регистрирующую электронную схему 31. Далее электрический сигнал поступает в цифровой вычислитель 6, в котором происходит программная обработка полученных электрических сигналов. Выработанные сигналы передаются в потребитель информации 7, драйвер 8, блок управления 9 и блок синхронизации 10.In the proposed lidar device (Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12), radiation from a pulsed laser source 13 sequentially passes through a collimator 14, a cubic beam splitter 11, a dielectric transparent substrate 15, transparent electrically conductive layer 16, gel-like transparent layer 17, gap 18 and is reflected from the dielectric mirror 21. Modulated radiation when passing the first time the gel-like transparent layer 17 after reflection from the dielectric mirror 21 is modulated a second time (amplified) when passing the phase relief on the gel-like transparent layer 17 Radiation with a changed phase incursion on the pixels of the phase relief grating is fed to the cubic beam splitter 11 and the output optical system 3, with the help of which the modulation of phase incursions on the pixels of the phase relief grating leads to an increase in the scanning angle of the observation object 4. Reflected pulsed radiation from the observation object 4 enters on the lens 27, then on the strip optical th filter 28, which filters out optical noise. Next, the optical signal is converted into an electrical signal at the photodetector 29. The electrical signal passes through the matching electronic path 30 and is registered in the electronic circuit 31. Using the digital calculator 6, the distance from the lidar to the object is determined as follows. Since the time of sending the pulsed radiation is recorded, it is possible to determine the transit time of the radiation from the lidar to the object of observation 4 and the time from the object of observation 4 to the lens 27. This makes it possible to determine the distance from the lidar to the object, since the speed of light is constant and known. In addition, since the azimuth of each pulse radiation is known, then in the information consumer 7, the shape of the observation object 4 and the distance to the object as a whole can be recorded, point by point, in sequence (Fig. 2). The electrical signals generated by the digital calculator 6 in the control unit 9 using the driver 8 and the synchronization unit 10 are fed to the modulator 12. In the modulator 12, under the action of electrical signals from the matrix 26 of signal sources from n × m signal sources U _ij in the system of electrodes 20 on a matrix of 23 electrodes of n × m pieces of electrodes separated by a dielectric 24 from a conductive matrix grid 22, a modulated electric field strength is created (Figs. 1, 2, 3, 4). To amplify this tension, a reference voltage source 25 U _{0 is used} , which is connected with one pole to the transparent conductive layer 16, and the other to the conductive grid 22. (Fig. 4). Under the action of this modulated tension on the surface of the gel-like transparent layer 17 in the gap 18, a geometric relief is created with the period of the phase diffraction grating λ (Fig. 3, 9, 10). The operation of modulator 12 is described in detail in the book by Yu.P. Densely "Physics of reliefography" Nauka, Moscow, 1999. The use of a conductive matrix grid 22 allows to eliminate the cross influence of signals and increase the sensitivity of the lidar control. The height of the relief is regulated by a given voltage of each signal source of the matrix 26. In turn, the depth of the relief changes the phase incursion ψ of the coherent laser radiation, which can be determined by the formula: ψ = 2 √2nω _l A, where A is the depth of the relief; ω ₁ = 2π / λ _l ; λ _l is the wavelength of the readout radiation; n = 1.41 is the refractive index of the gel-like layer 17 (Fig. 8, 9, 10). By setting the control voltages of the corresponding regions of the modulator U ₁ (t) ... U ₄ (t) (Fig. 10a) and the amplitude of the relief of the corresponding regions of the phase light modulator a ₁ (t) ... a ₄ (t) (Fig. 10b), it is possible to control the wave front (Fig. 8, 9, 10) of light radiation in order to scan the object of observation 4. With the help of the adaptive output optical system 3 can be entered correction of the scanning angles. The reflected radiation from the observation object 4 enters the receiving optoelectronic path 5 and passes through the lens 27, the band-pass optical filter 28 and enters the photo-receiving element 29, where it is converted into an electrical signal (Figs. 1, 5, 6). This electrical signal is fed through the matching electronic path 30 to the recording electronic circuit 31. Further, the electrical signal is fed to the digital computer 6, in which the received electrical signals are processed by software. The generated signals are transmitted to the consumer of information 7, driver 8, control unit 9 and synchronization unit 10.

Достоинством предлагаемого лидара является возможность устранить оптические искажения благодаря симметричной позиции модулятора 12 на оптической оси с помощью использования кубического светоделителя 11 и диэлектрического зеркала 21. Другим достоинством предлагаемого лидара является возможность сканирования в виде круговых, секторных, винтовых, спиральных, конических, пилообразных, зигзагообразных, спирально-, конических, поступательно-конических траекторий (Э.А. Засовин и др. «Радиотехнические и радиооптические системы», М.: Круглый год, 752 с., 2001). Важным преимуществом лидара по сравнению с известными является возможность использования всего светового потока в каждой точке траектории сканирования. Еще одним достоинством лидара является возможность сканирования с помощью относительно небольшого количество элементов матрицы электродов. Необходимо отметить высокое быстродействие предлагаемого лидара благодаря применению модулятора 12. Его быстродействие (Фиг. 11) на 3 порядка выше, чем быстродействие модуляторов LCoS и DMD («LCoS spatial light modulators as active phase elements of full-field measurement systems and sensors», Kujawinska Malgorzata, Porras-Aguilar Rosario, Zaperty Weronika, Metrology and Measurement Systems, Index 330930, ISSN 0860-8229, Metrol. Meas. Syst, Vol. XIX (2012), No. 3, pp. 445-458; «Second-generation compound for the modulationof utrophin in the therapy of DMD», Simon Guiraud, Sarah E. Squire, Benjamin Edwards, Huijia Chen, David Т., Human Molecular Cenetics, 2015, 1-15). Особенно следует отметить уникальную оптическую полосу пропускания модулятора (Фиг. 12). На Фиг. 12 приведены экспериментальные характеристики оптической полосы пропускания от 0,4 до 25 мкм. В другом варианте осуществления устройство работает следующим образом (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12). Излучение от импульсного лазерного источника 13 последовательно проходит через коллиматор 14, кубический светоделитель 11, вогнутую диэлектрическую прозрачную подложку 15, вогнутый прозрачный электропроводящий слой 16, вогнутый гелеобразный прозрачный слой 17, вогнутый зазор 18 и отражается от вогнутого диэлектрического зеркала 21. Таким образом, модулированное излучение при прохождении первый раз вогнутого гелеобразного прозрачного слоя 17 после отражения от вогнутого диэлектрического зеркала 21 второй раз модулируется (усиливается) при прохождении фазового рельефа на вогнутом гелеобразном прозрачном слое 17. Излучение с измененным набегом фаз на пикселях фазовой рельефной решетки поступает на кубический светоделитель 11 и выходную оптическую систему 3, с помощью которой модуляция фазовых набегов на пикселях фазовой рельефной решетки приводит к усилению угла сканирования объекта наблюдения 4. Кроме того, форма модулятора в виде вогнутого объектива совместно с выходной оптической системой 3 позволяет сократить габариты оптической системы 3 и тем самым габариты лидара.The advantage of the proposed lidar is the ability to eliminate optical distortions due to the symmetric position of the modulator 12 on the optical axis using a cubic beam splitter 11 and a dielectric mirror 21. Another advantage of the proposed lidar is the ability to scan in the form of circular, sector, helical, spiral, conical, sawtooth, zigzag, spiral-, conical, translational-conical trajectories (EA Zasovin et al. "Radiotechnical and radio-optical systems", Moscow: Round the year, 752 p., 2001). An important advantage of the lidar in comparison with the known ones is the possibility of using the entire luminous flux at each point of the scanning path. Another advantage of the lidar is the ability to scan using a relatively small number of elements of the electrode array. It should be noted the high speed of the proposed lidar due to the use of modulator 12. Its speed (Fig. 11) is 3 orders of magnitude higher than the speed of modulators LCoS and DMD ("LCoS spatial light modulators as active phase elements of full-field measurement systems and sensors", Kujawinska Malgorzata, Porras-Aguilar Rosario, Zaperty Weronika, Metrology and Measurement Systems, Index 330930, ISSN 0860-8229, Metrol. Meas. Syst, Vol. XIX (2012), No. 3, pp. 445-458; “Second-generation compound for the modulation of utrophin in the therapy of DMD, Simon Guiraud, Sarah E. Squire, Benjamin Edwards, Huijia Chen, David T., Human Molecular Cenetics, 2015, 1-15). Of particular note is the unique optical bandwidth of the modulator (Fig. 12). FIG. 12 shows the experimental characteristics of the optical transmission band from 0.4 to 25 μm. In another embodiment, the device operates as follows (Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12). Radiation from a pulsed laser source 13 sequentially passes through a collimator 14, a cubic beam splitter 11, a concave dielectric transparent substrate 15, a concave transparent electrically conductive layer 16, a concave gel-like transparent layer 17, a concave gap 18 and is reflected from a concave dielectric mirror 21. Thus, modulated radiation when passing through the concave gel-like transparent layer 17 for the first time after reflection from the concave dielectric mirror 21, it is modulated (amplified) for the second time when passing the phase relief on the concave gel-like transparent layer 17. Radiation with a changed phase incursion on the pixels of the phase relief grating enters the cubic beam splitter 11 and the output optical system 3, with the help of which the modulation of phase incursions on the pixels of the phase relief grating leads to an increase in the scanning angle of the observation object 4. In addition, the shape of the modulator in the form of a concave lens together with the output optical system my 3 allows to reduce the dimensions of the optical system 3 and thus the dimensions of the lidar.

Пример реализации изобретенияAn example of implementation of the invention

Устройство по настоящему изобретению может быть выполнено следующим образом.The device according to the present invention can be implemented as follows.

В качестве когерентного импульсного лазерного источника света 11 могут быть использованы, например, полупроводниковые лазеры или лазеры на парах меди, золота, стронция, а также газовые лазеры. Для обеспечения достаточного уровня быстродействия и высокой энергоэффективности в качестве коммутирующих элементов драйвера когерентного источника света целесообразно применять транзисторы на нитриде галлия, позволяющие формировать зондирующие импульсы длительностью менее 1 не и оптической энергией не менее 70 нДж. Реализация устройства драйвера 8 может быть осуществлена известными методами (Alex Lidow, Johan Strydom, Michael de Rooij, David Reusch. GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 2-nd Edition).As a coherent pulsed laser light source 11 can be used, for example, semiconductor or vapor lasers of copper, gold, strontium, as well as gas lasers. To ensure a sufficient level of performance and high energy efficiency, it is advisable to use gallium nitride transistors as switching elements of the driver of a coherent light source, which make it possible to form probe pulses with a duration of less than 1 nJ and an optical energy of at least 70 nJ. The driver device 8 can be implemented using known methods (Alex Lidow, Johan Strydom, Michael de Rooij, David Reusch. GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 2nd Edition).

В качестве элементов приемного оптико-электронного тракта 5, цифрового вычислителя 6, потребителя информации 7, драйвера 8, блока управления 9, блока синхронизации 10 могут быть использованы стандартные микросхемы, или наборы микросхем, уровень интеграции зависит от технических требований устройств. Для управления матрицей 23 для оптимизации количества электрических соединений целесообразно использовать многоканальные драйверы с последовательной загрузкой данных в регистр-защелку и возможностью последовательного объединения (например, HV583).As elements of the receiving optoelectronic path 5, digital calculator 6, information consumer 7, driver 8, control unit 9, synchronization unit 10, standard microcircuits or sets of microcircuits can be used, the level of integration depends on the technical requirements of the devices. To control the matrix 23 to optimize the number of electrical connections, it is advisable to use multichannel drivers with sequential loading of data into a latch register and the ability to serially combine (for example, HV583).

Матрица электродов 23 и проводящая матричная сетка 22 могут быть выполнены из алюминия, хрома, молибдена, окиси индия. Их толщина может быть выбрана от десятых до сотых долей микрона. Зазор 18 толщиной, например, 10 мкм может быть заполнен воздухом или инертным газом. Толщину гелеобразного прозрачного слоя 17, можно выбрать, например, 60 мкм. Электрические сигналы на вход модулятора 12, могут быть, например, выбраны следующими: максимальное напряжение сигнала 15-20 Вольт, длительность управляющего импульса от 1 до 100 мкс. Опорное напряжение источника опорного напряжения 25 может быть выбрано, например, 50 Вольт. Диэлектрическая прозрачная подложка 15 и кубический светоделитель 11 могут быть выполнены, например, из кварцевого стекла. Прозрачный электропроводящий слой 16 может быть выполнен, например, из материалов на основе окиси индия. Матрица 26 из n × m источников сигнала может быть выполнена известными методами (Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования Digital Integrated Circuits. - 2-е изд. - М.: «Вильяме», 2007. - С. 912). Гелеобразный прозрачный слой 15 приготавливают на основе полиорганосилоксана известными методами (Патент №2577802 Спеклоподавитель для лазерного излучения (варианты), классы МПК ⁷ G02F 1/00). В качестве остальных элементов и блоков могут быть использованы стандартные элементы и блоки.The matrix of electrodes 23 and the conductive matrix grid 22 can be made of aluminum, chromium, molybdenum, indium oxide. Their thickness can be selected from tenths to hundredths of a micron. The gap 18, for example 10 microns thick, can be filled with air or an inert gas. The thickness of the gel-like transparent layer 17 can be selected, for example, 60 µm. The electrical signals to the input of the modulator 12 can, for example, be selected as follows: the maximum signal voltage is 15-20 Volts, the duration of the control pulse is from 1 to 100 μs. The reference voltage of the reference voltage source 25 can be selected, for example, 50 Volts. The dielectric transparent substrate 15 and the cubic beam splitter 11 can be made, for example, of quartz glass. The transparent electrically conductive layer 16 can be made, for example, of materials based on indium oxide. Matrix 26 of n × m signal sources can be performed by known methods (Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivozh Nikolic. Digital Integrated Circuits. Design Methodology Digital Integrated Circuits. - 2nd ed. - M .: "Williams", 2007 . - P. 912). The gel-like transparent layer 15 is prepared on the basis of polyorganosiloxane by known methods (Patent No. 2577802 Speck suppressor for laser radiation (options), IPC classes ⁷ G02F 1/00). Standard elements and blocks can be used as other elements and blocks.

Claims

1. A compact lidar consisting of a laser emitter, an output optical system directed at the object of observation, a receiving optoelectronic path directed to the object of observation, electrically connected to a digital computer, an information consumer electrically connected to a digital computer, a driver, a control unit, a synchronization unit, characterized in that an electro-optical converter containing a cubic beam splitter and a modulator is introduced into the compact lidar, and the cubic beam splitter with the first facet is perpendicular to the first optical axis, and the second facet, parallel to the first facet, faces the modulator, and the laser emitter, the cubic beam splitter and the modulator is located on the first optical axis, and the beam splitting line of the cubic beam splitter is located at 45 degrees to the first optical axis, and the laser emitter, the electro-optical converter are located on the first optical axis, while the output optical system and the cubic beam splitter are located on the second optical axis perpendicular to the first optical axis, the second optical axis passing through the center of the third face of the cubic beam splitter facing the output optical system, and the driver is electrically connected to the laser emitter, the control unit is electrically connected to the electro-optical converter, digital a computer and a synchronization unit, and the laser emitter contains a pulsed laser source and a collimator located on the first optical axis perpendicular to the first face of the cubic beam splitter, and the modulator contains a transparent dielectric substrate, one of the sides of which is perpendicular to the first optical axis, and its other side sequentially optically contacts with a transparent electrically conductive layer, with a gel-like layer, with a gap and with a three-layer structure, and the surface of the electrode system facing the gap is covered with a dielectric mirror, and the electrode system is in direct contact with the control unit, while the system of electrodes contains a conducting matrix grid with n × m pieces of dielectric cells p _ij , and in the cells of the conducting matrix grid there is a matrix of electrodes of n × m pieces of electrodes, and each electrode of the electrode matrix is separated by a dielectric from the conducting matrix grid, and the conductive matrix grid is electrically connected to a control unit containing a reference voltage source and a matrix of signal sources from n × m signal sources U _ij , while the first pole of the reference voltage source is connected to a transparent conductive layer, and the second pole of the reference voltage source is connected to a conductive matrix grid, wherein each electrode of the electrode matrix is electrically connected to each corresponding source of the matrix of signal sources from n × m signal sources U _ij , while the other pole of each of the sources of the matrix of signal sources from n × m signal sources U _{ij is} grounded, and block si synchronization is electrically connected to the driver of the laser emitter and to the control unit, while the output optical system contains adaptive optics, optically directed to the object of observation, while the receiving optical-electronic path is optically directed to the object of observation and contains a lens, a band-pass optical filter, a photodetector element, matching electronic path, recording electronic circuit, moreover, the lens, band-pass optical filter and photodetector element are located on the same optical axis, and the photodetector element is electrically connected to the matching electronic path, while the matching electronic path is electrically connected to the recording electronic circuit, while the recording electronic circuit electrically connected to a digital computer, while the digital computer is electrically connected to the driver and the synchronization unit.

2. A compact lidar according to claim 1, characterized in that a concave transparent dielectric substrate, a concave transparent electrically conductive layer, a concave gel-like layer, a concave gap, a concave three-layer structure are introduced into the modulator, and the concave transparent dielectric substrate is directed to the laser emitter , the shape of the concave transparent electrically conductive layer, concave gel-like layer, concave gap, concave three-layer structure is the same for all and is a spherical, parabolic or other focusing shape, and the focus of said shape is located on the first optical axis.