SE517696C2 - Anordning vid laser - Google Patents

Description

35 517 696 - - ~ o .n 2 Det reflekterande organet kan ha en mängd olika utformningar. Genom att låta laser- strålen styras över mantelytan hos en kon eller stympad kon är det möjligt att reflek- tera laserstrålen i den omgivande rymden inom ett område som från mantelytan i instrumentplanet omfattar ett cirkelvarv samt inom ett vinkelintervall cirka i45° i förhållande till instrumentplanet. Detta möjliga reflexionsområde erhålls således utan att lasern behöver vridas. Med ett huvudsakligen kalottformi gt reflekterande organ skulle erhållas ungefär samma möjliga reflexionsontråde. Med andra utformningar av det reflekterande organet kan det möjliga reflexionsornrådet ökas något, exempelvis genom att ett parabolformigt reflekterade organ eller en vidvinkellins används.

Företrädesvis innefattar styrmedlen en beräkningsenhet inrättad att beräkna strålstyr- ningen utifrån den i förväg valda riktningen samt påverka en med beräkningsenheten förbunden spatiell ljusmodulator (SLM) i enlighet därmed. Gränsen för SLM:ens bilduppdateringshastighet ligger idag kring 10 kHz, varigenom det är möjligt att vid användning av en SLM styra laserstrålen i uppemot 10 000 riktningar per sekund var som helst inom det ovan angivna området. Vid användning av en SLM innefattar ingen av de i anordningen ingående komponenterna några rörliga delar, vilket bäddar för en mycket lång livslängd hos anordningen och en låg tillverknings- och underhållskostnad.

Vid användning av SLM:en är det möjligt styra strålen för att förhindra att strål- divergens uppstår vid det reflekterande organet, varvid beräkningsenheten är inrättad att påverka ljusmodulatorn att omforma laserstrålens vågfront för att undvika att stråldivergensen uppstår.

Vid användning i en miljö utsatt för rörelser och vibrationer är det mycket fördel- aktigt om lasern, SLM:en och det reflekterande organet är fastspända i ett system till- sammans med ett rörelseavkännande organ, företrädesvis ett gyro. I detta utförande är styrmedlen inrättade att vid beräkningen av strålstyrningen kompensera för rörel- ser i systemet avkända medelst gyrot. Systemet kan därmed stabiliseras utan att rör- liga delar såsom vridbord och stabiliseringsbord behöver användas. Detta medför mycket stora kostnadsvinster vid konstruktion, tillverkning och underhåll.

KORT FIGURBESKRIVNING Fig 1 visar schematiskt ett exempel på ett uppfinningsenligt system.

Fig 2 visar schematiskt ett alternativt exempel på ett uppfinningsenligt system.

Fig 3 visar ett exempel på en mellanspegel för införsel i ett system enligt fig 1. 10 15 20 25 30 35 517 696 v v - v u u | n - ~ .g 3 Fig 4 visar ett exempel på en mottagare för systemet i fig 1.

UTFÖRINGSFORMER I fig 1 anger hänvisningssiffra l en laser och hänvisningssiffra 2 en i strålgången 12 från lasern 1 placerad sk spatiell ljusmodulator (eng. spatial light modulator, SLM).

En spegel 3 är placerad så att det är möjligt att via SLM:en 2 styra laserstrålen över denna. 1 detta exempel är spegeln 3 utformad som mantelytan hos en cirkulärformig, stympad kon. Lasern 1, SLM:en 2 och spegeln 3 är fastspända på ett inbördes av- stånd från varandra så att de är orörliga i förhållande till varandra. Strålningen från lasern 1 infaller således alltid mot SLM:en 2 ur samma vinkel. Det skall poängteras att termen laserstrålning här avser både ett kontinuerligt ljusflöde och ett pulsat.

Vi kommer ej att i detalj beskriva konstruktionen hos en SLM 2, men några viktiga egenskaper bör nämnas för förståelsens skull. En viktig egenskap är att vågfronten hos en laserstråle, som infaller mot SLM:en 2, kan styras av i en annan vinkel än just den som erhålls vid reflexion i SLM:ens 2 yta. Det har visats att det är möjligt att vinkla, eller styra ut, strålar upp till 30° i förhållande till den tänkta reflexionsrikt- ningen. Därigenom är det möjligt att styra laserstrålningen från SLM:en 2 inom ett område definierat som en kon med SLM:en 2 vid konens topp och spegelns 3 reflekterande yta vid konens botten och vars lutningsvinkel bestäms av den använda maximala utstyrningsvinkeln ot. Vid utstyrningsvinklar oc upp till 30° finns dock mycket lite effekt kvar i laserstrålen. Mer realistiskt idag är att använda utstyrningsvinklar ot upp till 4°, då en mm god upplösning erhålls. Mycket kort beskrivet ändras vinklama inom det använda utstyrningsvinkelområdet genom att SLM:ens yta ges olika mönster eller sk kinoformer.

Såsom framgår ur det ovanstående är den konformiga spegeln 3 placerad med sin stympade topp mitt i strålgången 9 för eventuella oönskade reflexioner i SLM:ens 2 yta. I ett exempel finns vid den stympade konens topp 10 en ljusfalla i form av ett laserljus absorberande material för att absorbera de oönskade reflexionerna. Med spegelns reflekterande mantelyta placerad symmetriskt runt den tänkta, oönskade reflekterade strålgången 9 möjliggörs genom styrning av strålen från SLM:en reflexion i spegelns mantelyta enligt ett förbestämt mönster. Exempelvis styrs strålen från SLM:en att träffa mantelytan utefter en radie 11 i denna sådan att den i spegeln reflekterade strålen sveps 360° runtom, riktad ut från spegeln vinkelrätt i förhållande till spegelns symmetriaxel (ekvivalent med strålgången 9). Härefter refereras det plan som denna radie 11 ligger i till som spegelns instrumentplan. I beroende av SLM:ens l0 20 25 30 35 517 696 o ~ < o n 4 maximala utstyrningsvinklar ot och spegelmantelytans gradient och avstånd i förhållande till SLM:en kan även strålen svepas uppåt/nedåt i förhållande till spegelns instrumentplan. Med den konformiga spegeln i fig 1 medges att strålen sveps uppåt/nedåt cirka i45° i förhållande till instrumentplanet. Iett fall med en mycket kort kon medges att strålen sveps uppåt/nedåt endast någon grad i förhållande till instrumentplanet. I ytterligare ett fall med en utefter spegelns symmetriaxel delad kon medges att strålen sveps runt exempelvis l80° eller 90°.

Till SLM:en 2 är ansluten en beräkningsenhet 4, exempelvis i form av en person- dator, inrättad att påverka SLM:ens 2 inställning. Datorn 4 är utrustad med program- vara för att mata in information från en användare för att rikta laserstrålen antingen mot ett mål i rymden, exempelvis angivet med dess koordinater, eller i en riktning i rymden, exempelvis angiven med hjälp av vinklar. Programvaran innefattar instruk- tioner för att beräkna hur strålen från SLM:en 2 skall styras för att erhålla en reflekte- rad stråle riktad såsom användaren matat in och instruktioner för att ställa in SLM:ens kinoform i enlighet därmed. Det är för fackmannen uppenbart hur dessa beräkningar utförs och hur de skulle kunna vara implementerade i programvaran.

Vid inmatning av långa sekvenser information, exempelvis för att rikta laserstrålen mot flera mål efter varandra eller för att förmå strålen att utföra en sveprörelse över ett område, är det möjligt att med hög frekvens uppdatera riktningen hos den i spe- geln 3 reflekterade strålen. I och med att det idag är möjligt att driva SLM:en med en bilduppdateringshastighet på åtminstone 10 kHz, dvs 10 000 kinoformer per sekund, är det möjligt att uppdatera strålens utstymingsvinkel ot från denna med en frekvens på uppemot 10 kHz, såtillvida prestanda hos datom och/eller gränssnitt mellan datorn och SLM:en ej är begränsande.

Om datorns kapacitet ej medger realtidsberäkning av kinoformens utseende för varje vinkel kan kinoformen i förväg beräknas för ett fast antal vinklar, varvid i realtid mellanliggande positioner interpoleras fram. Nämnas bör att en given kinoform hos en SLM endast styr laserljus inom en viss våglängd effektivt. Olika laservåglängder kräver därför att olika kinoformer beräknas.

Persondatorn 4 har i ett utförande programvaruinstruktioner utformade för att på- verka ljusmodulatorn att omforma laserstrålens vågfront för att undvika att strål- divergens uppstår vid reflexionen i spegeln. Fackmannen inser lätt hur dessa instruk- tioner kan vara implementerade.

I det i fig 1 visade exemplet är lasern 1, SLM:en 2 och spegeln 3 fastspända i ett system tillsammans med ett gyro 5. Datorn 4 är ansluten till gyrot 5 och inrättad att 15 20 25 30 35 5 via ett gränssnitt (ej visat) ta emot data från gyrot avseende rörelser i systemet. Vid beräkningen av SLM-inställningen tas då hänsyn till och kompenseras för rörelser i systemet så att strålen från systemet är riktad mot angiven punkt i rymden oavsett systemets rörelser. Det är uppenbart för fackmannen hur detta skulle kunna vara implementerat i mjukvaran.

I ett alternativt utförande (ej visat) är SLM:en 2 utbytt mot två vickspeglar, vilkas vridningsläge styrs av datorn 4 och vilka är placerade i strålgången 12 så att laserstrålen kan svepas över spegeln 3 på samma sätt som när en SLM används.

I det i anslutning till fig l beskrivna exemplet är spegeln 3 utformad som en stympad kon. Fackmannen inser lätt att speglar utformade på en rad andra sätt skulle kunna användas istället utan att för den sakens skull hamna utanför ramen för uppfinningen såsom angiven i de bifogade patentkraven. Exempelvis är spegeln 3 i det i fig 2 visade exemplet kalottformig. Såsom beskrivits ovan omfattas även speglar, vilkas reflekterande yta upptar delar av ett cirkelvarv, exempelvis en halvcirkel eller en kvartscirkel. Det är såsom tidigare nämnts möjligt att medelst en spegel formad som en kons mantelyta reflektera laserstrålen i rymden inom ett område definierat av spe- gelns instrumentplan och ett vinkelintervall på cirka i45° i förhållande till instru- mentplanet och vars längd avgörs av laserns ljusstyrka. Med den kalottformiga spe- geln 3 skulle erhållas ungefär samma möjliga reflexionsområde. Det skulle vara möjligt att tillverka andra reflekterande speglar eller linser, vilkas form är optimerad för att öka den ovan beskrivna lobens bredd.

I fig 3 anger hänvisningssiffra 6 en konvex mellanspegel, vilken i ett alternativt utfö- rande är placerad mellan SLM:en 2 och spegeln 3. Det är lämpligt att införa en sådan mellanspegel 6 i systemet i en situation där SLM:ens 2 maximala utstyrnings- vinkel ot anses otillräcklig.

Det ovan beskrivna systemet är användbart i en rad olika tillämpningar. I ett utfö- rande används det som en laserpekare, vilken har förmåga att peka på uppemot 10 000 mål i sekunden inom 360° i sidled och med en väl utformad spegel -45° till 60° i höjdled. I ytterligare ett utförande används systemet som en störlaser. Det är även möjligt att använda systemet som en laseravståndsmätare eller laserradar. Då krävs att ett mottagarsensorarrangemang inlemmas i systemet. I fig 4 visas ett exempel på montage under spegeln 3 av ett mottagarsensorarrangemang 7 innefattande sensorer 8 arrangerande i en ring. 517 696 - u v u ua 6 Genom att det är möjligt att snabbt ändra SLM:ens inställning möjliggörs snabb för- flyttning av strålen ut från systemet för behandling av många mål samtidigt och/eller utnyttjande av flera lasrar, vilka exempelvis arbetar vid varsin frekvens.

Claims (1)

1. 0 20 25 30 517 696 PATENTKRAV Anordning vid laser (1), innefattande medel (2,4) inrättade att styra laserstrålen över ett reflekterande organ (3), i sin tur inrättat att reflektera den styrda laserstrålen så att den är riktad i en omgivande rymd inom ett område som från organet (3) i ett instrumentplan (11) omfattar åtminstone en del av ett cirkelvarv samt inom ett vinkelintervall ungefär i60° i förhållande till instrumentplanet, k ä n n e t e c k n a d a v, att styrmedlen (2,4) är anordnade i strålgången mellan lasem (1) och det reflekterande organet (3) och är inrättade att styra laserstrålen i enlighet med en inom omrâdet förvald riktning hos den reflekterade strålen, varvid styrmedlen innefattar en spatie1lljusmodu1ator(2) vars kinoform bestämmer utstyrningsvinkeln från modulatorn. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att det reflekterande organet (3) är huvudsakligen konformigt. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att det reflekterande organet (3) är huvudsakligen kalottformigt. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av, att styrmedlen (2,4) vidare innefattar en med ljusmodulatorn (2) operativt förbunden beräkningsenhet (4) inrättad att utifrån den i förväg valda riktningen beräkna kinoforrninställningen. Anordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d av, att beräkningsenheten (4) är inrättad att påverka ljusmodulatom (2) att omforma laserstrålens vågfront för att undvika att stråldivergens uppstår vid det reflekterande organet (3). Anordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d av, att åtminstone lasem (1), ljusmodulatorn (2) och det reflekterande organet (3) är fastspända i ett system tillsammans med ett rörelseavkännande organ (5), företrädesvis ett gyro, varvid beräkningsenheten (4) är inrättad att vid beräkningen av strål- styrningen kompensera för rörelser i systemet avkända medelst gyrot (5). uno-on n