ITTO20070759A1

ITTO20070759A1 - SYSTEM AND PROCEDURE FOR ALIGNMENT BETWEEN AN OPTICAL FIBER AND AN OPTICAL SYSTEM FIBER EMERGING BEAM COLLIMATOR.

Info

Publication number: ITTO20070759A1
Authority: IT
Inventors: Cristiano Perrucci; Ermanno Roviaro
Original assignee: Selex Communications Spa
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-04-26

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema e procedimento per l'allineamento tra una fibra ottica ed un sistema ottico collimatore del fascio emergente dalla fibra" DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "System and procedure for the alignment between an optical fiber and an optical collimator system of the beam emerging from the fiber"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda l'allineamento ottico tra una fibra ottica ed un sistema ottico collimatore del fascio luminoso emergente dalla fibra. Più specificamente, essa concerne un sistema ed un procedimento dì allineamento ottico applicabili per la taratura di un gruppo collimatore di un apparato laser di rivelazione ostacoli, nonché un apparato di rivelazione ostacoli provvisto di un siffatto sistema di taratura. The present invention relates to the optical alignment between an optical fiber and an optical collimating system of the light beam emerging from the fiber. More specifically, it concerns an optical alignment system and method applicable for the calibration of a collimator unit of a laser obstacle detection apparatus, as well as an obstacle detection apparatus provided with such a calibration system.

Apparati laser per la rivelazione di ostacoli (radar laser), noti con l 'acronimo LOAM, si stanno diffondendo in qualità di sistemi di ausilio alla navigazione per velivoli, in particolare piattaforme ad ala rotante, e sono specificamente progettati per rilevare ostacoli potenzialmente pericolosi presenti sulla rotta di volo o nelle vicinanze e per segnalare tempestivamente all'equipaggio la necessità di attuare manovre di aggiramento appropriate. Essi operano sul principio del radar, ed effettuano la scansione di una porzione di spazio rilevando gli echi dì ritorno di un raggio laser collimato di elevata potenza. Laser equipment for the detection of obstacles (laser radar), known by the acronym LOAM, are spreading as navigation aid systems for aircraft, in particular rotary wing platforms, and are specifically designed to detect potentially dangerous obstacles present. on the flight route or in the vicinity and to promptly notify the crew of the need to implement appropriate bypassing maneuvers. They operate on the radar principle, and scan a portion of space by detecting the return echoes of a high-power collimated laser beam.

Nella progettazione di un siffatto apparato si presenta il problema di allineare il gruppo ottico collimatore disposto tra il generatore laser e le ottiche di scansione del fascio. In the design of such an apparatus, the problem arises of aligning the collimating optical group arranged between the laser generator and the scanning optics of the beam.

Infatti, come schematizzato in figura 1, la divergenza del fascio emergente dal connettore in fibre ottica di uscita del laser non renderebbe utilizzabile 1'apparato. In fact, as shown schematically in Figure 1, the divergence of the beam emerging from the laser output optical fiber connector would not make the apparatus usable.

Il fascio di luce generato dal laser dell'apparato, prima di essere inviato alle ottiche di scansione, deve infatti essere collimato con una divergenza di 1.2 mrad /- 0.2 mrad. Questa funzione viene svolta da un gruppo collimatore costituito da un array di lenti, il quale, se convenientemente disposto in relazione ottica con il terminale dì fibra ottica di emissione del laser, fornisce in uscita un fascio di luce di diametro e divergenza opportuni, idealmente a raggi paralleli. The beam of light generated by the laser of the apparatus, before being sent to the scanning optics, must in fact be collimated with a divergence of 1.2 mrad / - 0.2 mrad. This function is performed by a collimator group consisting of an array of lenses, which, if conveniently arranged in optical relation with the optical fiber emission terminal of the laser, outputs a beam of light of suitable diameter and divergence, ideally to parallel rays.

La configurazione operativa ottimale è schematizzata in figura 2. The optimal operating configuration is schematized in figure 2.

L'allineamento ottico del gruppo collimatore consiste idealmente nel posizionare la fibra ottica di emissione del laser dell'apparato nel fuoco delle lenti che costituiscono il gruppo collimatore. The optical alignment of the collimator group ideally consists in positioning the laser emission optical fiber of the apparatus in the focus of the lenses that make up the collimator group.

Tuttavia, essendo il sistema collimatore un oggetto costituito da parti meccaniche ed ottiche, le tolleranze di lavorazione sui particolari meccanici e sulle lenti introducono disallineamenti rispetto alle misure teoriche che richiedono aggiustamenti in fase di produzione, ricorrendo altrimenti le condizioni schematizzate nelle figure 3 e 4, ove sono sempre presenti fasci divergenti. Nel primo caso, un sistema collimatore posizionato troppo vicino al connettore della fibra determina in uscita un fascio dapprima convergente, poi divergente. Nel secondo caso, un sistema collimatore posizionato troppo lontano dal connettore della fibra determina in uscita un fascio comunque divergente . However, since the collimator system is an object made up of mechanical and optical parts, the machining tolerances on the mechanical parts and on the lenses introduce misalignments with respect to the theoretical measures that require adjustments in the production phase, otherwise the conditions schematized in figures 3 and 4 occur. where diverging beams are always present. In the first case, a collimator system positioned too close to the fiber connector determines at first a converging, then diverging beam. In the second case, a collimator system positioned too far from the fiber connector determines a divergent beam at the output.

La presente invenzione si prefigge quindi lo scopo di fornire una metodologia di taratura veloce e ripetibile per l'allineamento tra una fibra ottica ed un relativo sistema collimatore, in particolare un gruppo ottico collimatore di un apparato laser di rivelazione di ostacoli, che sia anche sicura per l'operatore ed affidabile. The present invention therefore aims to provide a fast and repeatable calibration methodology for the alignment between an optical fiber and a relative collimator system, in particular a collimator optical group of a laser obstacle detection apparatus, which is also safe. for the operator and reliable.

Ulteriore scopo dell'invenzione è di fornire una metodologia di taratura basata su un sistema semplice da utilizzare e formato con componenti e strumentazione a basso costo e di facile reperibilità . A further object of the invention is to provide a calibration methodology based on a system that is simple to use and formed with low-cost and easily available components and instrumentation.

Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un sistema avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1, ed un procedimento avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 7. According to the present invention, this object is achieved thanks to a system having the characteristics referred to in claim 1, and a process having the characteristics referred to in claim 7.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti. Particular embodiments are the subject of the dependent claims.

Forma ulteriore oggetto dell'invenzione un apparato laser di rivelazione di ostacoli come rivendicato . A further object of the invention is a laser obstacle detection apparatus as claimed.

In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di ottimizzare l'allineamento tra un terminale di fibra ottica ed un relativo sistema collimatore deducendo l'informazione di divergenza residua mediante la misura dell'intensità dì un fascio di luce idealmente collimato, riflesso da parte di un sistema di restituzione del fascio basato su un dispositivo catadiottro, disposto a valle del sistema collimatore ed atto ad intercettare un fascio idealmente collimato invertendone la propagazione attraverso il sistema collimatore, nuovamente concentrato entro la fibra e da questa estratto per mezzo di un divisore ottico. In summary, the present invention is based on the principle of optimizing the alignment between an optical fiber terminal and a relative collimator system by deducing the residual divergence information by measuring the intensity of an ideally collimated light beam, reflected by of a beam return system based on a reflex reflector device, arranged downstream of the collimator system and able to intercept an ideally collimated beam by reversing its propagation through the collimator system, concentrated again within the fiber and extracted from it by means of an optical divider .

Poiché è pericoloso utilizzare il laser di un tipico apparato di rivelazione di ostacoli LOAM in una fase di taratura, per problemi di sicurezza degli operatori coinvolti, in virtù delle elevate potenze di emissione, si adotta nel sistema e procedimento oggetto dell'invenzione un dispositivo laser di riferimento con caratteristiche ottiche simili, ma di potenza inferiore, non pericolosa per l'operatore, per cui vantaggiosamente il sistema può essere utilizzato senza particolari precauzioni di sicurezza, senza che occorrano verifiche successive con il laser di apparato. Since it is dangerous to use the laser of a typical LOAM obstacle detection apparatus in a calibration phase, due to safety problems of the operators involved, by virtue of the high emission powers, a laser device is adopted in the system and procedure object of the invention with similar optical characteristics, but of lower power, not dangerous for the operator, so that the system can advantageously be used without particular safety precautions, without the need for subsequent checks with the equipment laser.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: Further characteristics and advantages of the invention will be set out in more detail in the following detailed description of an embodiment thereof, given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:

le figure 1-4 mostrano schematicamente differenti condizioni di allineamento tra un terminale di fibra ottica ed un sistema collimatore del fascio emergente dalla fibra; e Figures 1-4 schematically show different alignment conditions between an optical fiber terminal and a collimator system of the beam emerging from the fiber; And

la figura 5 mostra schematicamente una disposizione di allineamento e taratura oggetto dell'invenzione . Figure 5 schematically shows an alignment and calibration arrangement object of the invention.

Le figure da 1 a 4 sono state richiamate nella parte introduttiva di questa descrizione. Esse mostrano schematicamente la disposizione ottica di un apparato laser di rivelazione di ostacoli LOAM tradizionale, comprendente un generatore laser L ad alta potenza, ed un tratto di fibra ottica F atto a convogliare i segnali ottici emessi dal generatore laser verso un sistema ottico collimatore C affacciato al suo terminale, a valle del quale è prevista, nella applicazione specifica di un apparato LOAM, la disposizione di una ottica di scansione del fascio luminoso collimato. Figures 1 to 4 have been recalled in the introductory part of this description. They schematically show the optical arrangement of a traditional LOAM obstacle detection laser apparatus, comprising a high-power laser generator L, and a section of optical fiber F adapted to convey the optical signals emitted by the laser generator towards an optical collimator system C facing at its terminal, downstream of which, in the specific application of a LOAM apparatus, the arrangement of a scanning optics of the collimated light beam is provided.

In figura 5 è mostrata una disposizione coassiale di allineamento e taratura, comprendente un generatore laser di riferimento Lrif, ad esempio un diodo laser di bassa potenza operante alla lunghezza d'onda di 1550nm, atto ad emettere una successione di impulsi luminosi a bassa frequenza. Figure 5 shows a coaxial arrangement for alignment and calibration, comprising a reference laser generator Lrif, for example a low-power laser diode operating at the wavelength of 1550nm, capable of emitting a succession of low-frequency light pulses.

A valle del generatore laser di riferimento è disposto un divisore ottico S, atto a consentire il passaggio del segnale luminoso diretto, generato dal laser verso un tratto di fibra ottica F ed un successivo sistema ottico collimatore C, ma a deviare un segnale luminoso riflesso proveniente dalla fibra verso un dispositivo convertitore ottico/elettronico CONV accoppiato ad un oscilloscopio OSC o simile apparecchiatura di misurazione di grandezze elettriche di segnale, atta ad emettere segnali di misura An optical divider S is arranged downstream of the reference laser generator, designed to allow the passage of the direct light signal, generated by the laser towards a stretch of optical fiber F and a subsequent collimator optical system C, but to deflect a reflected light signal from from the fiber to an optical / electronic converter device CONV coupled to an oscilloscope OSC or similar equipment for measuring electrical signal quantities, capable of emitting measurement signals

Il sistema collimatore C è disposto nella posizione ideale in cui il suo punto focale di ingresso coincide con il punto focale della fibra ottica, ed è mobile lungo l'asse ottico del sistema. The collimator system C is arranged in the ideal position where its focal point of entry coincides with the focal point of the optical fiber, and is movable along the optical axis of the system.

A valle del sistema collimatore C è disposto un sistema ottico riflettente R basato su un dispositivo catadiottro, preferibilmente a prisma triedro, avente la proprietà di riflettere i raggi luminosi incidenti verso la direzione di provenienza, quindi secondo un cammino ottico inverso nuovamente attraverso il sistema collimatore C e la fibra ottica F. Downstream of the collimator system C there is a reflecting optical system R based on a reflex reflector device, preferably with a trihedron prism, having the property of reflecting the light rays incident towards the direction of origin, therefore according to an inverse optical path again through the collimator system. C and the optical fiber F.

Un'unità di controllo P può essere prevista in un modo di funzionamento autonomo in cui la regi strazione della posizione del sistema collimatore rispetto al terminale della fibra, e quindi l'allineamento del collimatore, è effettuata automaticamente sulla base di segnali di misura ottenuti dall'oscilloscopio OSC, senza l'intervento di un operatore . A control unit P can be provided in an autonomous mode of operation in which the registration of the position of the collimator system with respect to the fiber terminal, and therefore the alignment of the collimator, is carried out automatically on the basis of measurement signals obtained from the OSC oscilloscope, without the intervention of an operator.

Il sistema di allineamento ottico oggetto dell'invenzione si basa sulla disposizione combinata di un divisore ottico ed associata strumentazione di conversione ottico-elettrica del segnale luminoso ricevuto da una parte e di un componente riflettente quale il dispositivo catadiottro, dall'altra parte del gruppo fibra-collimatore destinato ad equìpaggiare un apparato LOAM. The optical alignment system object of the invention is based on the combined arrangement of an optical divider and associated optical-electrical conversion instrumentation of the light signal received on one side and of a reflecting component such as the reflex reflector device, on the other side of the fiber group. -collimator intended to equip a LOAM apparatus.

Data la pericolosità del laser di un apparato LOAM per le elevate potenze di radiazione, è preferibile adottare - quale generatore laser - un dispositivo laser di riferimento con caratteristiche ottiche simili, ma di potenza inferiore, al dispositivo laser nominalmente previsto nell'apparecchiatura di destinazione. Qualora si intendesse utilizzare in sede di taratura una sorgente laser potenzialmente pericolosa per l'operatore, sarà naturalmente necessario utilizzare il sistema adottando le dovute precauzioni di sicurezza. Given the danger of the laser of a LOAM apparatus due to the high radiation powers, it is preferable to adopt - as the laser generator - a reference laser device with similar optical characteristics, but of lower power, to the laser device nominally envisaged in the target equipment. If you intend to use a laser source potentially dangerous for the operator during calibration, it will naturally be necessary to use the system by adopting the necessary safety precautions.

Il generatore laser è comandato a trasmettere una successione di impulsi laser a frequenza relativamente bassa (ad esempio, dell'ordine di alcune decine di kilohertz). Ciascun impulso è propagato dal laser alla fibra e, attraverso il collimatore, idealmente collimato verso il dispositivo catadiottro ove è intercettato e subisce una riflessione totale, invertendo il suo cammino per cui attraversa nuovamente il sistema collimatore ed è idealmente concentrato entro la fibra. Il segnale riflesso è deviato nel cammino di ritorno verso il dispositivo convertitore ottico-elettronico e misurato dall'oscilloscopio sul quale si osserva il risultato della conversione in termini di ampiezza di segnale, proporzionale alla quantità di fascio luminoso catturato dal dispositivo catadiottro nel cammino diretto e concentrato entro la fibra nel cammino inverso. Questa quantità è massima in caso di allineamento ottico tra fibra e sistema collimatore del fascio, per cui il fascio uscente risulta perfettamente collimato in raggi paralleli, interamente intercettato dal dispositivo catadiottro e restituito nel cammino inverso, da cui è interamente concentrato nel fuoco della fibra. Nel caso di non perfetto allineamento, come rappresentato nei casi illustrati nelle figure 3 e 4, la divergenza residua provoca una "apertura" del fascio nel cammino diretto, per cui parte della sua energia non è intercettata dal dispositivo catadiottro, ed una scorretta focalizzazione del fascio inverso dal collimatore al terminale di fibra, per cui un altro contributo di energia sfugge alla cattura nella fibra . The laser generator is controlled to transmit a succession of relatively low frequency laser pulses (for example, of the order of a few tens of kilohertz). Each pulse is propagated from the laser to the fiber and, through the collimator, ideally collimated towards the reflex reflector device where it is intercepted and undergoes total reflection, reversing its path so that it crosses the collimator system again and is ideally concentrated within the fiber. The reflected signal is deflected in the return path towards the optical-electronic converter device and measured by the oscilloscope on which the result of the conversion is observed in terms of signal amplitude, proportional to the quantity of light beam captured by the reflex reflector device in the direct path and concentrated within the fiber in the reverse path. This quantity is maximum in the case of optical alignment between the fiber and the collimator system of the beam, so that the outgoing beam is perfectly collimated in parallel rays, entirely intercepted by the reflex reflector device and returned in the reverse path, from which it is entirely concentrated in the focus of the fiber. In the case of non-perfect alignment, as shown in the cases illustrated in Figures 3 and 4, the residual divergence causes an "opening" of the beam in the direct path, so that part of its energy is not intercepted by the reflex reflector device, and an incorrect focusing of the reverse beam from the collimator to the fiber end, whereby another energy contribution escapes capture in the fiber.

La posizione di allineamento viene ricercata muovendo il collimatore lungo il suo asse, misurando e visualizzando sull'oscilloscopio un segnale elettrico impulsato corrispondente al fascio riflesso dal dispositivo catadiottro. The alignment position is sought by moving the collimator along its axis, measuring and displaying on the oscilloscope a pulsed electrical signal corresponding to the beam reflected by the reflex reflector device.

La posizione ottimale del collimatore rispetto alla fibra ottica è determinata nella condizione in cui il segnale elettrico misurato e visualizzato sull’oscilloscopio raggiunge il suo massimo. The optimal position of the collimator with respect to the optical fiber is determined in the condition in which the electrical signal measured and displayed on the oscilloscope reaches its maximum.

L'accuratezza ottenibile con questo metodo è sufficiente per raggiungere il risultato richiesto di divergenza contenuta entro /- 0,1mrad. The achievable accuracy with this method is sufficient to achieve the required divergence result within +/- 0.1mrad.

Si noti che la realizzazione proposta per la presente invenzione nella discussione che precede ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. Un tecnico esperto del settore potrà facilmente attuare la presente invenzione in realizzazioni diverse che non si discostano però dai principi qui esposti, e sono dunque ricomprese nel presente brevetto. It should be noted that the embodiment proposed for the present invention in the preceding discussion has a purely illustrative and non-limiting character of the present invention. A person skilled in the art will be able to easily implement the present invention in different embodiments which do not depart from the principles set out here, and are therefore included in the present patent.

Ciò vale in particolare per quanto riguarda la possibilità di movimentare la fibra ottica invece del sistema collimatore, o entrambi, anche se ciò è tecnicamente più sconveniente poiché richiederebbe la movimentazione dell'apparato generatore del segnale laser. This is particularly true as regards the possibility of moving the optical fiber instead of the collimator system, or both, even if this is technically more inconvenient since it would require the movement of the laser signal generating apparatus.

Claims

CLAIMS 1. Alignment system between an optical fiber (F) and a collimator optical system (C) of the light beam emerging from the fiber (F), the collimator system (C) being operationally intended to be arranged on the optical axis of the fiber (F), in an optical alignment position in which its focal point of entry coincides with the focal point of the termination of the fiber facing it, characterized in that it includes in combination: - generating means (Lrif) of a predetermined optical calibration signal, adapted to launch an optical beam modulated according to said signal at an input end of the fiber (F); - optical reflector means (R), arranged on the optical axis downstream of the collimator system (C) and able to reflect towards the direction of origin the intercepted light rays of the beam emerging from said collimator system (C); - detector means (CONV, OSC) of the reflected optical beam, positioned downstream of the return optical path comprising the collimator system (C) and the optical fiber (F), arranged to determine the intensity of the optical calibration signal received; And - axial translation means of the collimator system (C) and / or of the fiber (F) along said optical axis, arranged to control the translation of the system (C) and / or of the fiber (F) according to the intensity of the optical signal calibration received, until said alignment position is reached in correspondence with the maximum value of said signal.

2. System according to claim 1, further comprising deviating means (S) of the optical beam, arranged on the optical axis between said generating means (Lrif) and the fiber (F), adapted to divert the return optical path of the reflected beam towards said detector means (CONV, OSC).

System according to claim 1 or 2, wherein said reflector means (R) includes a retro-reflector device.

4. System according to claim 2, wherein said deflecting means (S) includes an optical beam splitter device, adapted to transmit the direct optical beam from said generating means (Lrif) to the fiber (F) and to deflect the optical beam of return emerging from the fiber (F) towards said detector means (CONV, OSC).

System according to any one of the preceding claims, wherein said detector means comprise converting means (CONV) of the received optical signal into an electronic signal and measuring means (OSC) arranged for determining the intensity of said electronic signal.

6. System according to claim 5, wherein said detector means comprises display means (OSC) of said electronic signal.

7. Procedure for the alignment between an optical fiber (F) and a collimating optical system (C) of the light beam emerging from the fiber (F), in which the collimator system (C) is operationally intended to be arranged on the optical axis of the fiber (F), in an optical alignment position in which its focal point of entry coincides with the focal point of the termination of the fiber facing it , characterized in that it includes in combination: - the generation of a predetermined optical calibration signal, and the launch of an optical beam modulated according to said signal at an input end of the fiber (F); - the reflection towards the direction of origin of the light rays of the beam emerging from said collimator system (C); - the detection of the reflected optical beam, downstream of the return optical path comprising the collimator system (C) and the optical fiber (F), - the determination of the intensity of the received optical calibration signal; And - the axial translation of the collimator system (C) along said optical axis as a function of the intensity of the optical calibration signal received, until said alignment position is reached at the maximum value of said signal.

8. Process according to claim 7, comprising the transmission of the direct optical beam from generating means (Lrif) of the calibration signal to the fiber (F) and the deviation of the return optical beam emerging from the fiber (F) towards detector means (CONV, OSC) separated.

Method according to claim 7 or 8, comprising converting the received optical signal into an electronic signal and measuring the intensity of said electronic signal.

10. A method according to claim 9, comprising the display of said electronic signal.

11. Obstacle detection laser apparatus (L0-AM), comprising a collimator system according to one of claims 1 to 6.