Рассматривается принцип построения оптических систем со встроенным лазерным дальномером, основанный на свойстве линейной поляризации лазерного излучения, приведены варианты исполнения оптических схем отдельного дальномера и прицельно-наблюдательных систем со встроенными дальномерными каналами.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по фотонике
Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж.
Другие серии книг:
Мир фотоники
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #4/2014
А.Медведев, А.Гринкевич, С.Князева
Однозрачковые системы со встроенным лазерным дальномером
Просмотры: 7931
Рассматривается принцип построения оптических систем со встроенным лазерным дальномером, основанный на свойстве линейной поляризации лазерного излучения, приведены варианты исполнения оптических схем отдельного дальномера и прицельно-наблюдательных систем со встроенными дальномерными каналами.
Портативные оптические системы наблюдения и прицеливания используются в решении широкого круга прикладных задач гражданской и военной тематики. Расширение их применения ведет к необходимости постоянного совершенствования конструкции данного класса приборов и придания им новых функциональных свойств.

Одно из направлений развития прицельно-наблюдательных приборов – оснащение их системами измерения дальности, в частности встроенными полупроводниковыми лазерными дальномерами. Такие системы дальнометрирования благодаря своей компактности в настоящий момент считаются самыми распространенными. Их применяют в современных ручных приборах наблюдения и в прицельных системах носимого оружия.

Рассматривая общую схему дальномерной системы, выделим в ней два рабочих канала. Один, являясь передающим устройством, включает в себя лазерный излучатель с объективом, обеспечивающим требуемую расходимость пучка лазерного излучения. Другой – приемное устройство, состоящее из объектива и приемника лазерного излучения, установленного в фокусе объектива.

Эволюция совершенствования дальномерных систем затронула различные аспекты их построения: от снижения массогабаритных характеристик и увеличения диапазона измеряемых дальностей до повышения достоверности и точности измерения дистанций до объектов.

Как правило, малогабаритные дальномеры построены на полупроводниковых лазерах, имеющих целый ряд преимуществ перед твердотельными лазерами. К ним можно отнести миниатюрные размеры, высокий КПД, а также малые значения питающих напряжений и большую частоту повторения импульсов [1]. Наряду с этим, полупроводниковые лазеры обладают и существенными недостатками: имеют ограниченную мощность и большую расходимость выходного излучения.

Другой способ снижения габаритов прицельно-наблюдательных приборов – построение приборов по схеме с совмещенными каналами. В настоящее время создан целый ряд стрелковых прицелов, в которых визуальный прицельно-наблюдательный канал совмещен с приемным каналом лазерного дальномера [2]. Таким образом, эти приборы имеют два отдельных оптических окна: окно передающего канала лазерного дальномера и окно визуального канала, являющееся одновременно окном приемного канала лазерного дальномера.

Однако задача минимизации габаритов и уменьшения потерь энергии при прохождении лазерным излучением полного оптического тракта от излучателя до приемника еще не решена. Один из вариантов ее решения – создание однозрачковых дальномерных систем, имеющих общее выходное (входное) окно для передающего и приемного каналов дальномера.

Практика показывает, что применение обычных светоделителей, выполненных в виде плоскопараллельных пластин или призм, приводит к существенному падению мощности принимаемого отраженного лазерного излучения. Причина низкой эффективности этих схем кроется в зависимости энергетических параметров от соотношения коэффициентов пропускания и отражения примененного светоделительного покрытия.

Для исключения этих потерь предложена схема реализации однозрачкового дальномера, основанного на известном свойстве линейной поляризации лазерного излучения. В оптической системе такого лазерного дальномера в качестве передающего и приемного каналов применен один комбинированный канал. Он имеет общую для обоих каналов входную часть, представляющую собой афокальную насадку. После нее последовательно расположены кварцевая четвертьволновая пластина и поляризационный сплиттер, а также объективы оптики сопряжения, в фокусах которых размещены лазерный излучатель и приемник излучения (рис.1). Конструктивные параметры варианта исполнения такой однозрачковой дальномерной системы приведены в табл.1.

Однозрачковая дальномерная система в предложенном варианте исполнения имеет следующие технические характеристики:

расчетная длина волны, λ 0,905 мкм

фокусное расстояние 100,97 мм

задний фокальный отрезок 23,39 мм

диаметр выходного (входного) окна 31,0 мм.

Система содержит лазерный излучатель 1, объективы 2 и 2′, поляризационный сплиттер 3, кварцевую четвертьволновую пластинку 4, афокальную насадку 5 и приемник лазерного излучения 6.

В предложенной системе сплиттер реализован в виде призмы-куба, состоящей из двух прямоугольных призм, соприкасающихся между собой наклонными гранями, на одной из которых формируется многослойная пленка. Сплиттер обладает способностью пропускать без затухания составляющую поляризованного излучения, параллельную плоскости падения (Р-составляющая, у которой вектор электрического поля Е лежит в плоскости падения), и отражать наклонными гранями призм составляющую, перпендикулярную плоскости падения (S-составляющая, у которой вектор электрического поля Е ортогонален плоскости падения), а многослойная пленка усиливает эффект расщепления. В качестве излучателя использован диод SPL PL90_3 (OSRAM), в качестве приемника – диод AD500-9#500590 (First Sensor).

Система функционирует следующим образом (см. рис.1). Линейно поляризованное излучение от излучателя 1 коллимируется объективом 2, изменяя его исходную расходимость на расходимость, близкую к нулю. Пучок излучения малой расходимости попадает на ориентированный определенным образом поляризационный сплиттер 3, полностью пропускающий проходящее излучение с направлением линейной поляризации, параллельным плоскости падения. Затем пучок проходит через кварцевую четвертьволновую пластинку 4, меняющую линейную поляризацию на круговую, и после афокальной насадки 5 попадает на цель. В отраженных от цели световых лучах вид поляризации сохраняется, но направление вращения вектора электрического поля меняется на противоположное. В данном случае при обратном прохождении через афокальную насадку 5 и при вторичном попадании на четвертьволновую пластинку 4 излучение меняет круговую поляризацию на линейную. Но при этом направление его вектора поляризации становится перпендикулярным направлению пучка, вышедшего из лазерного излучателя (перпендикулярным плоскости падения). Ориентация поляризационного сплиттера исключает прохождение пучка с измененным направлением поляризации. Поэтому излучение полностью отражается от наклонной внутренней грани призмы-куба и фокусируется объективом 2′ на приемнике излучения 6, практически не попадая на лазерный излучатель 1. В таких условиях мощность отраженного лазерного излучения, попадающего в фотоприемник, преобразующий световую энергию в электрическую, пропорциональна коэффициенту отражения светоделительной поверхности для лазерных лучей с ориентацией, перпендикулярной плоскости падения.

На данном принципе можно построить не только дальномер как самостоятельный прибор – однозрачковая система достаточно успешно может быть встроена в различные прицельные и наблюдательные приборы. Оптическая схема одноканального прицела-дальномера, в котором все каналы работают через один объектив, показана на рис.2 в масштабном соотношении.

Визуальный канал прицела имеет достаточно высокие параметры. В табл.2 приведены основные технические характеристики однозрачкового прицела в сравнении с характеристиками различных марок аналогичных прицелов известных фирм-изготовителей. Такой прицел сумеречного типа обеспечивает необходимое качество изображения для 8-мм размера зрачка, что является максимальной величиной, достигаемой при слабой освещенности местности. Размеры вычисленных диаметров кружков рассеяния системы приведены на рис.3.

Рассчитаем по значениям поперечных аберраций в фокальной плоскости параксиальной линзы с фокусным расстоянием 100 мм, установленной в выходном зрачке прибора, показатели качества системы. При этом учтем соотношение поперечных и угловых аберраций (10 мкм = 20,6 угловых секунд), характерное для такого способа расчета. Тогда в рассматриваемом 6-кратном прицеле в центре поля зрения качество изображения по среднеквадратичному отклонению составит:


59,73 × 20,6 / 10 = 123 угл.сек или 2,05 угл. мин.

Это неплохой результат, учитывая, что при сумеречных освещенностях менее 0,1 лк разрешающая способность глаза ухудшается и даже порой превышает величину, равную ~3 угл. мин. То есть с учетом разрешающей способности глаза (~3′ = 180″) 6-кратное увеличение любого прибора обеспечит итоговую разрешающую способность 30″ в сумерки при освещенности 0,1 лк. При 6-кратном увеличении в сумерки собственно прицел будет обеспечивать:


2,05 / Г = 2,3 / 6,0 ≈ 0,34 угл.мин или 20 угл.с.

Исходя из этой оценки, можно с уверенностью говорить, что в дневных условиях при достаточном уровне освещенности с уменьшением зрачка глаза до 4 мм прицел может вполне обеспечить разрешающую способность порядка 10–15″.

Еще одно применение рассмотренного принципа встраивания дальномера – однозрачковая мультиспектральная оптическая система, содержащая как вариант тепловизионный, телевизионный каналы и встроенный дальномер на полупроводниковом лазере.

Оптическая схема однозрачковой мультиспектральной оптической системы со встроенным лазерным дальномером представлена на рис.4. Мультиспектральная система содержит общий входной канал: менисковая линза 1, спектроделительная пластинка 2 (с дихроичным покрытием, пропускающим спектральный диапазон 8–14 мкм и отражающим спектральный диапазон 0,6–0,9 мкм); оптический канал в направлении, проходящем через спектроделительную пластинку 2; положительные линзы 3 и 4; оптический канал в отраженном от пластинки 2 направлении. Оптический канал в отраженном направлении выполнен двухкомпонентным – между первым компонентом (линзы 6, 7, 8) и вторым компонентом (линзы 10, 11, 12) установлен спектроделительный кубик 9. Кубик пропускает излучение спектрального диапазона телевизионного канала (линзы 6, 7, 8, 10, 11, 12) и отражает спектральный диапазон дальномерного канала (коллимирующая двухкомпонентная оптика 14, 15, четвертьволновая фазовая пластинка 16, поляризационный сплиттер 17, объективы 18, 19 и 21, 22). Поляризационный сплиттер разветвляет дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит двухкомпонентный объектив сопряжения (линзы 18, 19 и 21, 22).

Параметры такого варианта исполнения оптической системы:

для оптического канала спектрального диапазона (8,0–14,0) мкм:

расчетная длина волны 10,6 мкм

рабочий спектральный диапазон (8,0–14,0) мкм

фокусное расстояние 60,0 мм

линейное поле зрения 13,6 мм

относительное отверстие 1:1,2;

для оптического канала спектрального диапазона (0,6–0,9) мкм:

расчетная длина волны 0,7 мкм

рабочий спектральный диапазон (0,6–0,9) мкм

фокусное расстояние 26,5 мм

линейное поле зрения 6,0 мм

относительное отверстие 1:1,26;

для дальномерного канала на длине волны лазерного диода 0,905 мкм:

расчетная длина волны 0,905 мкм

фокусное расстояние 101,0 мм

линейное поле зрения 0,5 мм

относительное отверстие 1:3,3.

Для каналов наблюдения за оценочный критерий качества принята величина полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК). Качество однозрачковой мультиспектральной оптической системы иллюстрируется данными, приведенными в табл.3.

В расчете учтены следующие данные:

•толщина защитного стекла 5 (или 13) фотоприемника, равная 1,0 мм;
•спектральная эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива – 1,0 на длине волны 0,6 мкм, 1,0 на длине волны 0,7 мкм, 0,8 на длине волны 0,8 мкм и 0,5 на длине волны 0,9 мкм (для телевизионного канала), 1,0 на длинах волн 8,0; 11 и 14 мкм (для тепловизионного канала);
•пространственная частота ~80 лин/мм как частота Найквиста для фотоприемника (0,6–0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 6,4 мкм;
•пространственная частота ~30 лин/мм как частота Найквиста для фотоприемника (8,0–14,0) мкм с размером чувствительного элемента 17 мкм.
Расчеты показывают, что оптическая система при простоте ее конструкции обеспечивает отличное (канал 0,6–0,9 мкм) и хорошее (канал 8,0–14,0 мкм) качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих общий входной канал и два фотоприемника:

•телевизионную ПЗС-матрицу спектрального диапазона (0,6–0,9) мкм с размером пиксела 6,4 мкм;
•микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0–14,0) мкм с размером пиксела 17 мкм.
Таким образом, рассмотренный принцип построения дальномерных систем с совмещенными передающим и приемным каналами может быть применен в самых различных приборах: от наблюдательных и прицельных приборов носимого класса до сложных мультиспектральных многоканальных систем специального назначения. Его применение в значительной степени позволяет оптимизировать массогабаритные характеристики изделий и существенно расширяет их функциональные возможности.

Литература

1.Вильнер В., Волобуев В., Ларюшин В., Рябокуль А. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера. − Фотоника, 2013, №3, с.42−59.
2.Гейхман И.Л., Волков В.Г. Видение и безопасность. − М.: Изд-во РАЕН, 2004, с.381−427.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art