RU2756987C9

RU2756987C9 - Compact lidar

Info

Publication number: RU2756987C9
Application number: RU2020141471A
Authority: RU
Inventors: Юрий Петрович Гущо; Марина Алексеевна Гущо
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью НаноРельеф Дисплей
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-04-27
Also published as: RU2756987C1

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 техникиTechnical field

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 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 systems, automotive industry, aircraft manufacturing, unmanned aircraft, collision avoidance systems with obstacles, cartography and navigation, space geodesy, machine vision systems, construction, mining, underwater vision systems, atmospheric research, mine clearance and rescue of 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 weight and size parameters and power consumption [patent US 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 photodetector elements, the radiation pattern 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 receiver-transmitter pairs, low performance due to the use of the phase ranging method and the use of an analog-to-digital converter [patent US 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, a receiving optical-electronic 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 limitations 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.The objective of the present invention is to create a compact lidar that can be used in the automotive, aviation and robotic 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.A compact lidar according to our invention contains a laser emitter, an electro-optical converter, an output optical system aimed at the object of observation, a receiving optoelectronic path directed at the object of observation, electrically connected to a digital computer, an information consumer electrically connected to a digital computer, a driver, a block a control unit, a synchronization unit, moreover, a laser emitter, an electro-optical converter are located on the first optical axis, while the electro-optical converter contains a cubic beam splitter and a modulator, the first face of the cubic beam splitter is perpendicular to the first optical axis, and the second face, parallel to the first face, faces the modulator, moreover, the laser emitter, the cubic beam splitter and the modulator are located on the first optical axis, and the beam splitter 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 passes 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 of the sides of which is perpendicular to the first optical axis, and its other side is successively 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 system of electrodes contacts with the control unit, while the system of electrodes contains a conductive matrix grid with n × m pieces of dielectric cells p _ij , and in the cells of the conductive matrix grid there is an electrode matrix of n × m pieces of electrodes, each electrode of the electrode matrix is separated by a dielectric from the conductive matrix grid, wherein 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 conductive matrix grid, wherein each electrode from 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 optoelectronic path is optically directed to the object of observation and contains a lens, a band-pass optical filter, a photodetector element that matches an electronic path, a recording electronic circuit, wherein the lens, a bandpass 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, with in this case, the recording electronic circuit is electrically connected to the digital calculator, while the digital calculator 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 a 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 a concave transparent dielectric substrate, the concave side of which is directed to the laser emitter. , and the shape of the concave transparent electrically conductive layer, the concave gel layer, the concave gap, the concave three-layer structure is the same for all and represents, for example, a spherical, parabolic or other focusing shape, and the focus of the said shape is located on the first optical axis.

Перечень фигурList of figures

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

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

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

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

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

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

На Фиг. 7 показан вариант конструкции отражающего вогнутого модулятора.On FIG. 7 shows a design variant of a reflective concave modulator.

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

На Фиг. 9 показано формирование набега фазы фазированной оптической решетки.On 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.On FIG. 10 shows a timing diagram of relief formation and phase advance.

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

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

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.Lidar (Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6,) contains a laser emitter 1, an electro-optical converter 2, an output optical system 3 directed at the object of observation 4, a receiving optical-electronic path 5 directed at the object of observation 4, electrically connected to the digital computer 6, information consumer 7, electrically connected to the 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 a beam splitter 11 and a modulator 12, wherein the cubic beam splitter 11 has its first face perpendicular to the first optical axis, and the second face, parallel to the first face, faces the modulator 12, wherein the laser emitter 1, the cubic beam splitter 11 and the modulator 12 are located on the first optical axis, and the beam splitter 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 electrical system The electrodes 20 facing the gap 18 are covered with a dielectric mirror 21, and the electrode system 20 is in electrical contact with the control unit 9, while the electrode system 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 there is a matrix 23 of electrodes of n × m pieces of electrodes, and each electrode of the matrix 23 is separated by a dielectric 24 from the conductive matrix grid 22, and the conductive matrix grid 22 is electrically connected to the control unit 9, containing the reference voltage source 25, and the 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, with each electrode from the matrix 23 electrically connected to each respective matrix source 26 out of n × m signal sources U _ij , while others the first 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 a lens 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 photodetector element - 29 are located on the same optical axis, and the photodetector element 29 is electrically connected to the matching electronic circuit 30, while the matching electronic circuit 30 is electrically connected to the recording electronic circuit 31, while the recording electronic circuit 31 is electrically connected to the digital calculator 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 contains 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 a concave transparent dielectric substrate 15 with a concave side is directed at 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 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 (Fig. 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, a transparent electrically conductive layer 16, a gel-like transparent layer 17, a gap 18 and is reflected from the dielectric mirror 21. The modulated radiation when passing through the gel-like transparent layer 17 for the first time after reflection from the dielectric mirror 21 is modulated a second time (amplified) when passing through the phase relief on the gel-like transparent layer 17 The radiation with a changed phase shift on the pixels of the phase relief grating is supplied to the cubic beam splitter 11 and the output optical system 3, with the help of which the modulation of the phase shifts on the pixels of the phase relief grating leads to an increase in the scanning angle of the object of observation 4. The reflected pulsed radiation from the object of observation 4 hits on lens 27, then on a strip optical th filter 28, which filters out optical noise. Next, the optical signal on the photodetector element 29 is converted into an electrical signal. The electrical signal passes through the matching electronic circuit 30 and is recorded in the electronic circuit 31. Using a digital calculator 6, the distance from the lidar to the object is determined as follows. Since the time of departure of the pulsed radiation is recorded, it is possible to determine the time of passage 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 allows you 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 pulsed radiation is known, the shape of the object of observation 4 and the distance to the object as a whole can be sequentially recorded point by point in the consumer of information 7 (Fig. 2). Electrical signals that are generated by digital computer 6 in control unit 9 with the help of driver 8 and synchronization unit 10 enter modulator 12. In modulator 12, under the action of electrical signals from a matrix 26 of signal sources from n × m signal sources U _ij in the system of electrodes 20 on the matrix 23 electrodes of n × m pieces of electrodes, separated by a dielectric 24 from the conductive matrix grid 22, a modulated electric field strength is created (Fig. 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 creates a geometric relief with a period of the phase diffraction grating λ (Fig. 3, 9, 10). The operation of the modulator 12 is described in detail in the book by Yu.P. Guscho "Physics of Reliefography" Nauka, M., 1999. The use of a conductive matrix grid 22 makes it possible to eliminate the cross influence of signals and increase the sensitivity of lidar control. The height of the relief is controlled by the given voltage of each signal source of the matrix 26. In turn, the depth of the relief changes the phase shift 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 \u003d 2π / λ _l ; λ _l - wavelength of the reading radiation; n=1.41 - 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 amplitudes 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. In this case, using the adaptive output optical system 3, a correction of the scanning angles can be introduced. The reflected radiation from the object of observation 4 enters the receiving optical-electronic path 5 and passes through the lens 27, the band-pass optical filter 28 and enters the photodetector element 29, where it is converted into an electrical signal (Fig. 1, 5, 6). This electrical signal through the matching electronic circuit 30 enters the recording electronic circuit 31. Next, the electrical signal enters the digital computer 6, in which the software processing of the received electrical signals takes place. The generated signals are transmitted to the information consumer 7, the driver 8, the control unit 9 and the 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 distortion due to the symmetrical 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 (E.A. Zasovin et al. “Radio engineering and radio-optical systems”, M.: Krugly God, 752 p., 2001). An important advantage of lidar compared to the known ones is the possibility of using the entire light flux at each point of the scanning trajectory. Another advantage of lidar is the ability to scan using a relatively small number of electrode array elements. 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 LCoS and DMD modulators (“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; compound for the modulationof 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). On FIG. 12 shows the experimental characteristics of the optical bandwidth 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). The radiation from the pulsed laser source 13 sequentially passes through the collimator 14, the cubic beam splitter 11, the concave dielectric transparent substrate 15, the concave transparent electrically conductive layer 16, the concave gel-like transparent layer 17, the concave gap 18 and is reflected from the concave dielectric mirror 21. Thus, the modulated radiation when passing 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. 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 object of observation 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 the implementation of the invention

Устройство по настоящему изобретению может быть выполнено следующим образом.The device of the present invention can be made 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, for example, semiconductor lasers or copper, gold, strontium vapor lasers, as well as gas lasers, can be used. To ensure a sufficient level of speed 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 probing pulses with a duration of less than 1 nJ and an optical energy of at least 70 nJ. Implementation of the device driver 8 can be done by 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 optical-electronic path 5, digital computer 6, information consumer 7, driver 8, control unit 9, synchronization unit 10, standard microcircuits or chipsets 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 multi-channel drivers with sequential data loading into the latch and the possibility of serial combination (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 with a thickness of, for example, 10 µm may be filled with air or an inert gas. The thickness of the gel-like transparent layer 17 can be chosen to be 60 µm, for example. 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. Dielectric transparent substrate 15 and cubic beam splitter 11 can be made, for example, of quartz glass. 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 made by known methods (Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivozh Nikolic. Digital Integrated Circuits. Design Methodology Digital Integrated Circuits. - 2nd ed. - M .: "William", 2007 . - S. 912). Gel-like transparent layer 15 is prepared on the basis of polyorganosiloxane by known methods (Patent No. 2577802 Speck suppressor for laser radiation (options), classes IPC 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 optical-electronic path directed at 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 is introduced into the compact lidar, containing a cubic beam splitter and a modulator, the cubic beam splitter having its first face perpendicular to the first optical axis, and the second face parallel to the first face facing the modulator, the laser emitter, the cubic beam splitter and the modulator is located on the first optical axis, and the beam splitter 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 a cubic beam splitter are located on the second optical axis perpendicular to the first optical axis, the second optical axis passes 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, digital a calculator and a synchronization unit, wherein 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, moreover, the surface of the electrode system facing the gap is covered with a dielectric mirror, and the electrode system of the electrode is in physical contact with the control unit, while the system of electrodes contains a conductive matrix grid with n × m pieces of dielectric cells p _ij , and in the cells of the conductive matrix grid there is an electrode matrix of n × m pieces of electrodes, and each electrode of the electrode matrix is separated by a dielectric from the conductive matrix grid, wherein 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 conductive matrix grid, wherein each electrode from 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 c block 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 optoelectronic path is optically directed to the object of observation and contains a lens, a band-pass optical filter, a photodetector element, a matching electronic circuit, a recording electronic circuit, wherein the lens, a bandpass optical filter and a photodetector element are located on the same optical axis, and the photodetector element is electrically connected to the matching electronic circuit, while the matching electronic circuit is electrically connected to the recording electronic circuit, while the recording electronic circuit electrically connected to the digital calculator, while the digital calculator 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 with its concave side is directed to the laser emitter , while the shape of the concave transparent electrically conductive layer, the concave gel layer, the concave gap, the concave three-layer structure is the same for all and is a spherical, parabolic or other focusing shape, and the focus of this shape is located on the first optical axis.