Патент на изобретение №2393516

(54) ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДЕ КВАЗИПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПУЧКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в геодезии, машиностроении, приборостроении, медицине, спорте и других областях науки и техники, где возникает необходимость создания квазипараллельных пучков, которые на определенных длинах измеряемых трасс и рабочих зон осуществляют взаимодействие лазерного излучения с различными средами. Техническим результатом изобретения является повышение точности работы устройства на основе сформированного им квазипараллельного пучка, имеющего в начале и конце трассы и рабочих зонах одинаковые диаметры по определенному энергетическому уровню. Предлагаемое оптическое устройство для формирования лазерного излучения в виде квазипараллельного пучка содержит лазер, установленный последовательно и соосно с телескопической системой, включающей окуляр и объектив, выполненный в виде двух положительных линз, укрепленных вплотную друг к другу, при этом передняя фокальная плоскость первой линзы совпадает с перетяжкой формируемого лазерного пучка, а задняя фокальная плоскость второй положительной линзы совпадает с перетяжкой сформированного лазерного пучка в середине трассы. Объектив телескопической системы может быть выполнен в виде одной линзы с фокусным расстоянием

где f₁ – переднее фокусное расстояние, f₂ – фокусное расстояние, равное половине длины трассы или рабочей зоны L, а сам объектив в обоих вариантах выполнен с возможностью замены при изменении трассы измерений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в геодезии, машиностроении, приборостроении, медицине, спорте и других областях науки и техники, где возникает необходимость создания квазипараллельных лазерных пучков, которые на определенных длинах трасс измерений и рабочих зон осуществляют взаимодействие лазерного излучения с различными средами.

Известно устройство для контроля отклонений положения объектов от прямолинейности, содержащее лазер, коллимирующее устройство в виде телескопической системы, фотоэлектрический анализатор, блоки обработки, регистратор и сканатор, установленный на оптической оси между объективом и фокальной плоскостью [1].

Недостатком этого устройства является неравноточность геодезических измерений на измеряемых трассах и появление дополнительных погрешностей (в различных лазерных технологиях) в связи с изменением диаметра лазерного пучка (d_П) при свободном его распространении на измеряемых трассах и рабочих зонах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения поперечных смещений, в котором для коллимации лазерного излучения используется телескопическая система с возможностью производить фокусировку лазерного излучения путем смещения окуляра в сторону объектива на величину, соответствующую минимальному размеру диаметра лазерного пучка (d_П) в определенных сечениях измеряемых трасс.

Устройство содержит последовательно расположенные лазер, формирователь лазерного пучка в виде телескопической системы и анализатор смещений. После формирователя пучка введен оптический мостик, состоящий из последовательно расположенных светоделительного элемента, отражателя и полупрозрачного элемента [2].

К недостаткам этого устройства следует отнести отсутствие возможности выбора оптимального увеличения Г_тс телескопической системы, определяющего величину диаметра пучка на выходе телескопической системы (d_тc). Эмпирические подходы к выбору оптимального значения d_тc не приводят к формированию квазипараллельного пучка на трассах, что способствует неравноточности измерений на трассах.

Целью изобретения является повышение точности работы устройства на основе сформированного им квазипараллельного пучка, имеющего в начале, и концах трассы, и рабочих зонах одинаковые диаметры по определенному энергетическому уровню.

Указанная цель достигается тем, что оптическое устройство для формирования лазерного излучения в виде квазипараллельного пучка, содержащее последовательно и соосно установленные лазер, первую положительную или отрицательную линзу, работающие в качестве окуляра и, вторую – положительную оптическую систему – (объектив), составляющие совместно телескопическую систему. При этом оптическая система (объектив) выполнена в виде двух положительных линз, установленных вплотную друг к другу, причем передняя фокальная плоскость первой линзы объектива совпадает с исходной перетяжкой формируемого лазерного пучка, а задняя фокальная плоскость второй линзы – с перетяжкой сформированного лазерного пучка в середине трассы. Кроме того, на месте двух линз может быть установлена одна линза с фокусным расстоянием

где f₁ – переднее фокусное расстояние первой линзы, a – заднее фокусное расстояние второй линзы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1 приведена принципиальная схема оптического устройства для формирования лазерного излучения в виде квазипараллельного пучка с двумя линзами, а на фиг.2 – с одной плоской положительной линзой.

На чертежах показаны: лазер 1, установленный на станине 2 совместно с телескопической системой 3, включающей объектив, выполненный в виде блока из двух (Л_А; Л_Б) или одной (Л_В) плоских положительных линз 4, укрепляемых в ложементе (на чертеже не показан), окуляр 5 и место перетяжек пучка 6 и 7, переднее фокусное расстояние – f₁, фокусное расстояние – f₂, которое равно половине длины трассы или рабочей зоны L. Место перетяжки 6 или 7 определяют путем оценки величины расходимости лазерного пучка в любом его сечении при совпадении которого с перетяжкой 6 или 7 расходимость лазерного пучка _лп не превысит дифракционную расходимость лазерного пучка:

где – длина волны лазерного излучения,

_п – диаметр лазерного пучка на энергетическом уровне 1/е².

Согласно волновому подходу диаметр лазерного пучка на энергетическом уровне _п равен диаметру перетяжки 6 лазерного пучка, под которым понимается минимальное сечение лазерного излучения, волновой фронт которого плоский. Такой перетяжкой 6 можно считать лазерное излучение на выходе плоского зеркала твердотельного, газового или полупроводникового лазера. При этом последний тип лазера может быть выполнен в виде лазерного блока, в который встроена миниатюрная телескопическая оптическая система, на выходе которой может быть сформирована перетяжка лазерного пучка.

Наличие перетяжки определяют условием 2,44·/_ол=_лп.

Это уравнение соответствует линиям волнового фронта. Линзы 4 (блок Л_А; Л_Б) установлены таким образом, чтобы переднее фокусное расстояние f₁ линзы Л_А совпадало с перетяжкой 6, а фокусное расстояние f₂ линзы Л_Б было равно половине длины трассы или рабочей зоны L (перетяжка 7).

Работает устройство следующим образом.

Излучение лазера 1, сформированное в виде перетяжки 6, образованной после фокусировки линзой окуляра 5, распространяется под влиянием дифракции в виде расходящегося пучка, достигая размера на одной из линз 4 (например, Л_А) размеров где D_oпт – диаметр пучка на линзах 4 (Л_А; Л_Б и Л_В). Диаметр пучка (D_oпт) после прохождения линз 4, например (Л_А; Л_Б или Л_В), не меняется, а волновой фазовый фронт становится плоским. Пройдя через линзу 4 (Л_Б), волновой фазовый фронт становится вогнутым и формирует перетяжку 7 на середине расстояния L. Описанный процесс не изменится при замене линз 4 (блока Л_А и Л_Б) одной линзой 4 (Л_В) с фокусным расстоянием f₃

которое соответствует определению суммарной оптической силе двух совмещенных линз (блока Л_А и Л_Б). При изменении длины трассы измерений L в ложемент объектива (на чертежах не показан) вставляются линзы 4 [блок линз (Л_А и Л_Б) или линза Л_В] из кассетного набора с фокусными расстояниями, радиусами кривизны и диаметрами, соответствующими заданной длине трассы измерений.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 742708, М.кл. G01C 1/00 от 15.09.77 г.

2. Авторское свидетельство СССР 781567, М.кл. G01C 1/00 от 18.12.87 г. (прототип).

Формула изобретения

1. Оптическое устройство для формирования лазерного излучения в виде квазипараллельного пучка, содержащее лазер, установленный последовательно и соосно с телескопической системой, включающей окуляр и объектив, отличающееся тем, что объектив выполнен в виде двух положительных линз, укрепленных вплотную друг к другу, при этом передняя фокальная плоскость первой линзы совпадает с перетяжкой формируемого лазерного пучка, а задняя фокальная плоскость второй положительной линзы совпадает с перетяжкой сформированного лазерного пучка в середине трассы.

2. Оптическое устройство для формирования лазерного излучения в виде квазипараллельного пучка по п.1, отличающееся тем, что объектив телескопической системы выполнен съемным с возможностью замены.

3. Оптическое устройство для формирования лазерного излучения в виде квазипараллельного пучка, содержащее лазер, установленный последовательно и соосно с телескопической системой, включающей окуляр и объектив, отличающееся тем, что объектив выполнен в виде одной положительной линзы с фокусным расстоянием

где f₁ – переднее фокусное расстояние;
– фокусное расстояние, равное половине длины трассы измерений или рабочей зоны l.

РИСУНКИ