Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Практикум, Хекслет, SkyPro, авторские курсы — собрали всех и попросили скидки. Осталось выбрать!
Поток Промышленная инженерия доступен 24/7 благодаря поддержке друзей Хабра
Комментарии 40
Я даже и не думал что с помощью расширителя можно создать практически не расширяющийся пучек, очень интересно! А зачем так много линз в приемнике, только для исправления сферической абберации? Про плоские поверхности еще Сикрук писал что они даже сложнее параболы)
Я даже и не думал что с помощью расширителя можно создать практически не расширяющийся пучек.
Нет, расширитель не создаёт параллельный пучок. Его задача - снизить угловую расходимость лазерного излучения, чтобы дальномер работал дальше. Расширение диаметра пучка - побочное следствие оптической схемы.
А зачем так много линз в приемнике, только для исправления сферической абберации?
Да. Причём до конца она не исправлена, есть остаточное пятно рассеяния.
Про плоские поверхности еще Сикрук писал что они даже сложнее параболы)
Неправда) Плоскую поверхность довольно легко довести в сепараторе. Технологическое преимущество плоскости - не нужно делать отдельную оснастку (полировальный гриб).
Нет, расширитель не создаёт параллельный пучок. Его задача - снизить угловую расходимость лазерного излучения, чтобы дальномер работал дальше. Расширение диаметра пучка - побочное следствие оптической схемы.
Ну коллиматор же. Как причудливо меняется терминология:)
Нет, коллиматор - это оптическая система, которая фокусирует излучение с лазерного диода в параллельный луч. Сам диод светит в довольно большом угле расходимости. Чтобы получить узконаправленный луч (проекцию pn-перехода диода на бесконечность), нужна коллимирующая оптика. В простейших излучателях типа лазерной указки это одна линза, в фокусе которой ставится лазерный диод. В излучателях дальномеров - более сложная оптика, которая собирает максимальное количество света с диода, и уже потом коллимирует световой поток.
У расширителя другая функция. Часто остаточная угловая расходимость после коллиматора всё ещё слишком большая, и тогда ставят расширитель, цель которого - уменьшить расходимость. Например, расходимость луча за коллиматором 4 мрад, а после 4× расширителя - 1 мрад (побочно увеличивая его диаметр в 4 раза, но это не изначальная цель).
Нуда тут диаметры мелкие, это не целостат и смотря какую точность поверхности нужно получить. А кстати какую?
Вопрос точности (оптических допусков) настолько сложен и обширен, что в западных оптических вакансиях (а следом уже и в российских) Tolerance Analysis часто вписывают отдельным пунктом, так как не все пользователи земакса умеют его делать. Если расчёт оптической схемы - это во многом математический алгоритм, то анализ допусков - больше про инженерный опыт и понимание конкретной оптической системы.
Для маломощного дальномера допуски можно посчитать встроенными инструментами земакса, исходя из того, какая предельная угловая расходимость допустима на выходе расширителя.
Интереснее с оптикой для мощных лазеров (например, промышленные лазеры для резки стальных листов). Если излучатель достаточно мощный , то любая царапина или постороннее включение в стекло начинает поглощать излучение и приводит к тому, что лазер сжигает сам себя (разрушает собственную фокусирующую систему). Потому оптику для мощных лазеров даже изготавливают другим способом - ГШП (глубокая шлифовка и полировка), когда толстые слои стекла с заготовки линзы долго и муторно (неделями!) снимаются полировкой на мелком абразиве, чтобы устранить невидимые приповерхностные микротрещины (трещиноватый слой).
Помню держал в руках снятую с головы 4кВт машины (раскроечный станок Bystronic на CO2 лазере) ZnSe линзу с отверстием с одной стороны и красивым вулканом с кратером с другой. При работе на нее что-то попало. Действительно удивительно было впервые наблюдать... Такая мощность на маленькой площади это действительно много... Неудивительно что всякие импульсные с модулятором добротности буквально взрывают металл )
Обычно лазерные диоды дают эллиптические пучки (если повезет, то и с астигматизмом); зачем тогда столько внимания к сферическим аберрациям расширителя?
На основе чего выбирается диаметр лазерного пучка? В голову приходит только мощность лазера. (Очевидно размер пятна на цели в любом случае будет больше разрешения приемного телескопа.)
Потому что в контексте оптики для лазерных излучателей сферическая аберрация дополнительно увеличивает расходимость лазерного луча и снижает предельную дальность работы дальномера. Сферическая аберрация никак не зависит от формы самого лазерного луча и одинаково портит луч с любой формой сечения.
Излучатель для дальномера выбирается по требуемым для работы характеристикам (мощность, расходимость, предельная частота импульсов, длина волны, габаритные размеры и т.д.). Диаметр луча не входит в этот список, это следствие конструкции конкретного излучателя. Его учитывают, под него считают оптику, но сам диаметр не выбирают - это не имеет смысла. Обычно чем мощнее лазер (особенно при переходе с лазерного диода на настоящий лазер), тем больше диаметр выходящего пучка (из излучателя, а не из вторичной оптики!)
У приёмного объектива нет понятия разрешения в привычном смысле, т.к. он не формирует изображение, а просто собирает отражённый свет на приёмный диод. Низкая сферическая аберрация приёмного канала позволяет собрать более плотное пятно и сделать менее строгими допуски на конструкцию, облегчить юстировку, повысить надёжность при колебании температуры и т.д.
Хм, мне казалось, что на пучки с изначально плохим М2 (что у лазерных диодов сплошь и рядом) небольшие сферические аберрации влияют довольно слабо. Разве это не так?
По поводу лазера меня интересовал именно выходной диаметр пучка, после расширителя. Мне приходит в голову только такой подход : мы знаем интенсивность подсветки, нужную для приемника на предельной дистанции и максимальную мощность лазера (чтобы попасть в нужный класс безопасности) -> из них считаем нужный размер пятна на предельной дистанции -> из него считаем расходимость и выходной диаметр пучка. Это так или не совсем?
По поводу последнего пункта - да, вы правы.
Хм, мне казалось, что на пучки с изначально плохим М2 (что у лазерных диодов сплошь и рядом) небольшие сферические аберрации влияют довольно слабо. Разве это не так?
Я рассуждал так: коллимированный пучок после диода монохромный, [практически] параллельный и идёт вдоль оптической оси, соответственно, из всех аберраций третьего порядка влияние оказывает фактически только сферическая. Потому и устранял её - больше нечего :) С приёмным каналом - то же самое (его рабочее угловое поле пренебрежимо мало).
Сферическая аберрация, строго говоря, не про фокусировку в точку (все аберрации нарушают такую фокусировку), а про то, что лучи преломляются по-разному в зависимости от расстояния до оптической оси. А для сохранения параллельности надо стремиться, чтобы на выходном зрачке системы для любого расстояния от оптической оси лучи были параллельными.
Статье так-то года три (решил перенести на хабру только сейчас), и всех нюансов расчёта я уже не помню, но вроде бы я старался частично компенсировать расходимость луча остаточной сферической аберрацией расширителя, чтобы на выходе итоговая расходимость оставалась в допуске.
мы знаем интенсивность подсветки, нужную для приемника на предельной дистанции и максимальную мощность лазера (чтобы попасть в нужный класс безопасности) -> из них считаем нужный размер пятна на предельной дистанции -> из него считаем расходимость и выходной диаметр пучка. Это так или не совсем?
Единственно правильного подхода в расчётной оптике нет, это не математика. Но моё мнение такое: поскольку дальности работы большие (мы же считаем предельно необходимые значения), то диаметром пятна на выходе из дальномера можно пренебречь, ибо размер пятна на цели значительно больше (да и пятно не имеет чёткой границы, там же эти окологауссовые хвосты). Потому я считаю, что диаметр пятна на выходе не важен, важна только расходимость луча.
Я бы к методике добавил учёт непрозрачности атмосферы, альбедо цели и держал в уме, что отражающая поверхность может располагаться под углом.
На ЛинкедИне сегодня картинку выложили:
Получается на дальних дистанциях вообще пятна как такового нет.
А это специально так надо выбирать оптику и схему, чтобы потом готовое изделие на герметике можно было собрать и оно ещё и работало бы при этом? Есть схемы, более устойчивые к кривой сборке?
ИМХО, это один из возможных инженерных подходов - создать конструкцию, которую легко и дешево производить, с получением приемлемых параметров.
А это специально так надо выбирать оптику и схему, чтобы потом готовое изделие на герметике можно было собрать и оно ещё и работало бы при этом?
Учитывая инженерный стиль китайцев, готов поручиться, что они не думали об этом. Скорее, они выбрали что-то вроде "При хорошей сборке дальномер работает на 3 километра, при кривой, но дешёвой - на 2. Делаем что дешевле".
Есть схемы, более устойчивые к кривой сборке?
Да, есть группа принципиально нерасстраиваемых оптических элементов и систем, когда не только погрешности сборки, но и грубые отклонения в положении не влияют на работу. Самый известный пример - триппель-призма, которая отражает лучи на 180° при любом положении. Кстати, часто применяется в геодезии как раз для работы с паре с лазерными дальномерами. В тахеометр мощный дальномер не вставить - нет места. Вместо этого ставят слабые дальномеры, а на вешку цепляют триппель-призму.
Из более сложных оптических систем - бинокулярные стереодальномеры, оптика в которых не расстраивалась даже при провисании труб под воздействием собственного веса и терморасширения, когда сверху на трубу светит солнышко.
О, расскажите, какие там допуски и как это получается?
Если вы про триппель-призму, то технически это два уголковых отражателя. Ошибка отражения луча в триппеле зависит от остаточной ошибки положения граней, то есть от качества изготовления самой триппель-призмы. А в пространстве можно вертеть как хочешь (в разумных пределах).
Триппель-призмы бывают не только как на картинке выше (с отражением на 180°), этот принцип можно использовать в любых призмах. Например, классическая пентапризма (уголковый отражатель из стекла) нечувствителен к ошибке по повороту.
Про стереодальномер и принципы его нерасстраиваемости (и компенсации оставшихся ошибок), можно прочитать у Чуриловского на стр. 431, в главе Стереоскопический дальномер.
Скрытый текст
В.Н. Чуриловский, Теория оптических приборов, 1966 – фундаментальное пособие по прикладной оптике
Спасибо! Интересное
А какую максимальную точность за вменяемый ценник может обеспечить лазерный дальномер, микроны сможет?
Это уже не пролетный, а какой-нибудь интерференционный. Т.е. будет совершенно другая оптическая схема, и т.п.
Для микронов лазерный дальномер в привычном понимании не подойдет, там уже надо смотреть лазерные интерферометры
Микроны точно нет. Всё же это дальномер :)
Тут уже написали, что для микронных измерений используются другие приборы - оптиметры, интерферометры и тд. Точность дальномеров - фазовые и геодезические - миллиметры, мощные TOF дальномеры - иногда метры. Каждый производитель публикует точность дальномера.
На больших дистанциях вступают в силу всякие другие эффекты - например, атмосферная рефракция, когда свет идёт не по геометрической прямой. Микроны и даже миллиметры в таких условиях не измерить :)
Меня смущает консольное крепление линзы, при такой сборке любая вибрация или перепад температур уведет пятно лазера в бесконечность. Но для бытового прибора, видимо, допуски позволяют подобные вольности
Консольное крепление линзы смущало всех, кто его видел :)
По вибрации - не думаю, что будет, всё же герметик твёрдый. а масса и плечо у линзы маленькое. А вот какая центрировка у такой оптической системы - вопрос хороший.
Я смотрел формы пучков дешёвых дальномеров - они все разные иногда очень аляпистые, что свидетельствует о грубых дефектах оптической схемы: децентрировка, астигматизм и т.д.
а чем вас обычная рулетка не устраивает?
В моей схеме все компоненты из одной марки стекла (самое ходовое К8 ЛЗОС / BK7 Shott), а у китайцев – нет
Возможно это не просто так. Лазерные схемы формально монохроматические, но в некоторых диодах длина волны может существенно плавать как в партии, так и просто в одном и том же приборе от температуры. Посмотрите при расчёте хроматизм на +-50 нм от номинальной рабочей длины волны. А так отличная работа!
Спасибо, ценное замечание. Но про термоувод на целых 50 мкм я никогда не слышал. Всё, что я встречал, было на порядок меньше.
Мы для другого проекта как раз проводили измерение сдвига длины волны в зависимости от времени работы (=нагрева, ибо был мощный диод в массивном радиаторе с вентиляторным охлаждением) - увод был не более 5 мкм.
Первый спектрометр:
Второй спектрометр:
Если вы встречали термоувод длины волны на 50 нм - расскажите, реально интересно.
На 50 - это, конечно, с запасом, но я например при использовании LFO-503 столкнулся - по спецификации рабочая длина волны на +-30 нм может отличаться от номинала, реально болталась на 25 нм где-то. И ещё какая-то линейка на 808 нм была, но у сожалению названия уже не вспомню. Но именно температурный увод у конкретного диода там был в пределах +-10 нм, там в партии от диода к диоду основная длина волны плавала.
Интересная статья. Спасибо! Вы упомянули про стекло, но его надо обработать еще. В итоге, сами обрабатываете или покупаете уже готовые по каталогам? Предвидя ответ, спрошу, можно ли сделать хорошее из китайских линз с Али?
Спасибо)
В статье про реверс-анализ, то есть конкретно по китайскому дальномеру - чистая теория.
Если про изготовление линз в целом, то все производители сложных оптических изделий изготавливают кастомную оптику под себя. Не всегда сами шлифуют/полируют, чаще отдают на аутсорс - но изготавливают.
Из покупных линз невозможно собрать сложную оптическую схему. Потому либо покупают готовые крупные комбинации линз (объективы, окуляры) - либо, если оптический прибор невозможно собрать на таких готовых узлах - считают оптику и конструируют механику. Промежуточных стадий нет.
Это широко распространённое заблуждение: "Почему электронщики собирают схемы на покупных транзисторах/резисторах, а оптики не собирают объективы на покупных линзах?". Потому что объектив - система, которая работает как сумма всех линз конкретно друг с другом. Объектив без одной линзы бесполезен, одна линза вне своего объектива - бесполезна.
Оптическая схема - как часы. Нельзя накупить готовых шестерней на алиэкспрессе и собрать из них часовой механизм. Подробнее об этом написал в этом разделе второй статьи.
Покупные линзы с алиэкспресса, торлабса, эдмунда, станды и т. д. - они не для создания оптических приборов. У них два назначения:
лабораторное оборудование (физика, моделирование, прототипирования)
оптика для лазеров (параллельные пучки и монохром позволяют собирать прототипы на покупном стекле). Но даже в лазерах при серьёзной разработке заказывают оптический расчёт.
Фильтры, светоделители, защитные окна и т.д. могут использоваться покупные (и активно используются, если оптическое покрытие соответствует рабочему спектральному диапазону) - а вот линзы нет.
Предвидя ответ, спрошу, можно ли сделать хорошее из китайских линз с Али?
Смотря что сделать. Схему для прототипирования научной установке на лазерах - да. Микроскоп - да. Объектив - нет. Водораздел - можно ли собрать схему из полностью покупных узлов.
Спасибо за подробный и добрый ответ. Сейчас для себя занимаюсь парой "оптических" проектов. Один - как раз тоже дальномер. И если с электроникой понятно, то вот с оптикой... ну есть импульсный лазерный диод 905 нм (только расходимость у него 28х12 градусов), есть лавинный фотодиод с фильтром. думал бинокль прилажу и... эх, наивность)))... теперь понял, что не так просто все. И второй - хоббийный станочек для засветки фоторезиста. суть - лазер 405 нм фокусируется на поверхность фоторезиста и дальше при помощи простейшего чпу гравера (не с F-Theta линзой) либо растр вырисовывает, либо векторами рисует. где должны остаться дорожки. В теории все классно. но на практике лазер светит прямоугольником, сфокусировать луч для тонких дорожек и зазоров нереально. Получается не окружность, а черточка. Засвечивает слишком большое пятно и как бы плотность оптическая низкая.
Так что, если есть еще подобные знания, с удовольствием почитаю :)
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Оптический реверс-инжиниринг лазерного дальномера