ОПТИЧЕСКАЯ СКАНИРУЮЩАЯ СИСТЕМА
OPTICAL SCANNING SYSTEM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, формирующим информационное поле пучком оптических лучей. В таких устройствах оптическое излучение от источника, преимущественно непрерывного твердотельного лазера, формируется оптической системой и модулируется определенным образом, создавая оптическое информационное поле, в пределах которого каждой точке соответствует определенное значение информативного параметра, например частоты модуляции, с помощью которого определяется положение, т.е. координаты объекта, относительно оптической оси системы.
В современной технике широкое применение нашли устройства, использующие оптическое информационное поле не только для обнаружения и определения положения, скорости перемещения и ускорения объекта, но и для телеориентирования управляемых объектов. Устройство вырабатывает электрические сигналы, пропорциональные измеренным координатам объекта, и посылает их на исполнительный механизм, приводящий управляемый объект на оптическую ось системы.
Известна оптическая система [1], в состав которой входит прожектор, коллимирующий излучение лазера, модулятор и расположенный соосно с ним оптический визир, ориентирующий его в нужном направлении. Сформированный прожектором и промодулированный поток оптического излучения одновременно облучает все оптическое информационное поле (круг диаметром 6-8 м), в пределах которого определяются координаты управляемого объекта, и происходит его удержание на оптической оси системы. Недостатками данной системы являются низкие энергетический запас и помехоустойчивость на дальних дистанциях, а также большие габариты и необходимость жидкостного охлаждения мощного твердотельного лазера.
Известна оптическая система [2], содержащая прожектор и визир, установленные соосно друг с другом. Прожектор содержит два одинаковых канала, каждый из которых служит для определения координаты по одной из координатных осей. Канал включает в себя полупроводниковый лазер, установленный вблизи общей передней фокальной плоскости цилиндрической линзы и объектива, формирующих узкий пучок лазерных лучей с отношением длины к ширине 20 и более. Длина пучка лучей соответствует размеру оптического информационного поля.
Такие пучки называют ножевыми, веерными и т.п. Их формированию способствует соотношение размеров излучающих областей (p-n переходов) лазеров, составляющих в современных полупроводниковых лазерных структурах 200(100)×1 мкм.
Устройства, формирующие оптическое информационное поле за счет сканирования двумя узкими пучками лучей по полю зрения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, как в системе [2], получили в последние годы широкое распространение благодаря появлению непрерывных полупроводниковых лазеров, сравнимых по мощности с твердотельными и имеющих при этом более высокий КПД.
Роль отклоняющих (сканирующих) элементов в системе [2] выполняют две цилиндрические линзы, закрепленные на общей рамке, установленной в корпусе на коленчатых валиках, которые в свою очередь установлены в шарикоподшипниках, что обеспечивает рамке с цилиндрическими линзами возможность плоскопараллельного движения по окружности. Поскольку образующие цилиндрических линз параллельны излучающим p-n переходам каждого канала и перпендикулярны между собой, происходит сканирование ножевых пучков лучей по полю зрения прожектора: горизонтальный перемещается по вертикали и служит для формирования сигналов, определяющих координаты по оси OY, вертикальный пучок перемещается по горизонтали и служит для формирования сигналов, определяющих координаты по оси OX. Сканирование пучками лучей вдоль координатных осей происходит с взаимным сдвигом по времени в четверть периода относительно оси визирования по синусоидальному закону.
Благодаря сканированию энергетический запас и помехоустойчивость в системе [2] значительно выше по сравнению с [1]. Однако недостатками ее являются не только сложная и инерционная оптико-механическая конструкция сканирующего узла, ограничивающая частоту сканирования, но и небольшая дальность из-за фиксированной угловой расходимости излучения, увеличивающей размер оптического информационного поля и соответственно уменьшающей его плотность мощности по мере удаления от пункта управления.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является оптическая сканирующая система для полупроводниковых лазеров [3], включающая два одинаковых канала, каждый из которых содержит полупроводниковый лазер, компонент, коллимирующий излучение полупроводникового лазера, и общие для обоих каналов оптический сканер, систему вывода излучения двух каналов на единую оптическую ось и панкратический объектив. При этом взаимное расположение полупроводниковых лазеров таково, что их излучающие области (p-n переходы) перпендикулярны как между собой, так и осям измеряемых координат.
Система вывода излучения двух каналов на единую оптическую ось выполнена в виде поляризационной призмы-куб, сканер выполнен в виде вращающейся призмы, ось вращения которой совпадает с осью панкратического объектива. Этим обеспечивается по сравнению с [2] надежность системы и более высокая частота вращения сканера (частота кадров). Однако частота вращения в системе [3] имеет ограничения из-за сложности конструкции механизма, передающего вращение от вала двигателя на оправу сканирующей призмы, что существенно снижает динамические характеристики системы и требует использования более мощных электродвигателей.
Поляризационная призма-куб, состоящая из двух одинаковых призм АР-90°, склеенных между собой гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено поляризационное покрытие, позволяет одновременно без потерь вывести на оптическую ось панкратического объектива линейно поляризованное излучение обоих полупроводниковых лазеров, излучающие области и плоскости поляризации которых соответственно ортогональны между собой.
Использование панкратического объектива позволяет уменьшать угловую расходимость излучения пропорционально дальности и сохранять тем самым при всех дальностях фиксированный размер оптического поля управления. За счет этого получается выигрыш в энергетике по сравнению с [2] и увеличение дальности управления.
Простота сканирования с помощью вращающейся призмы в системе [3] является одновременно и недостатком, т.к. проекции лучей в картинную плоскость образуют крест, который совершает плоскопараллельное круговое движение. Центр креста описывает окружность с радиусом, равным половине размера оптического информационного поля, а длина каждого сканирующего луча должна соответственно вдвое превышать размер поля. Это означает потерю половины мощности излучения лазеров, т.е. уменьшает энергетический запас и помехоустойчивость системы.
Кроме того, схема сканирования в [3] накладывает существенные ограничения на возможные способы определения координат объекта управления.
Временная зависимость отклонения положения пучка лучей h(t) от оптической оси по координатам OX и OY в системах [2] и [3] является синусоидальной и определяется выражениями:
x
y
где h(t) и h(t) - отклонения положения пучка лучей от оптической оси по двум координатам,
H - размер оптического поля управления,
T - период вращения сканера (время формирования кадра).
Точность определения координат при кодировании двойками импульсов определяется двумя факторами:
- максимально возможным интервалом времени между импульсами в двойке;
- возможностью максимального количества посылок двоек за период сканирования.
Из вышеприведенных формул видно, что точность определения координат при кодировании двойками импульсов была бы существенно выше в случае линейной зависимости h(t).
Задачей заявляемого технического решения является повышение по сравнению с прототипом энергетического запаса, помехоустойчивости и быстродействия системы, увеличение точности определения координат, а также возможность применения различных функциональных законов сканирования, в том числе и линейного.
Поставленная задача решается тем, что предложена оптическая сканирующая система, включающая два одинаковых канала, каждый из которых содержит полупроводниковый лазер и коллимирующий компонент, и общие для обоих каналов оптический сканер, систему вывода излучения двух каналов на единую оптическую ось и панкратический объектив, при этом взаимное расположение двух каналов таково, что излучающие p-n переходы полупроводниковых лазеров перпендикулярны между собой.
0
0
0
0
Система отличается от прототипа тем, что оптический сканер расположен за коллимирующими компонентами обоих каналов по ходу лучей и выполнен в виде диска, установленного с возможностью вращения и содержащего по краю рабочей поверхности, перпендикулярной оси диска, замкнутую кольцевую область, выполненную в виде расположенных по окружности через равные угловые промежутки двугранных элементов в виде ступенек, радиальные размеры которых ограничены внутренним и внешним диаметрами кольцевой области, выступающее ребро каждого двугранного элемента лежит в одной плоскости, перпендикулярной оси диска, с соответственными ребрами других двугранных элементов и составляет угол π/4 с радиусом, проведенным от оси диска в точку касания ребра с внешним диаметром кольцевой области. При этом одна из соответственных граней каждого двугранного элемента оптического сканера выполнена зеркально отражающей и наклонена относительно плоскости диска под своим углом β, дискретно меняющимся от одного двугранного элемента к другому по заданному функциональному закону в зависимости от центрального угла диска α, при значениях угла α от 0 до π угол β нарастает от минимального значения (β-γ) до максимального (β+γ), при значениях угла α от π до 2π угол β уменьшается от максимального значения (β+γ) до минимального (β-γ),
0
где β - среднее значение угла наклона к плоскости диска для двух диаметрально расположенных зеркально отражающих граней,
0
γ - максимальное изменение угла β наклона зеркально отражающей грани от среднего значения β.
0
При этом оба канала с коллимирующими компонентами расположены относительно оптического сканера таким образом, что до оптического сканера по ходу лучей оптические оси каждого из них составляют с плоскостью диска угол δ=(π/2-2β) и пересекаются с зеркально отражающими гранями двугранных элементов в точках, отстоящих одна от другой на центральный угол диска α, равный π/2. Система вывода излучения двух каналов на единую оптическую ось, выполненная в виде призмы-ромб БС-0° и призмы АР-90°, склеенных между собой гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено поляризационное покрытие, расположена за оптическим сканером по ходу лучей таким образом, что входные грани обеих призм параллельны плоскости диска оптического сканера, и оптически связана с ним и с коллимирующими компонентами обоих каналов посредством зеркально отражающих граней его двугранных элементов так, что оптическая ось одного канала пересекается с входной гранью призмы-ромб БС-0°, а оптическая ось другого канала - с входной гранью призмы АР-90°, на грани с поляризационным покрытием оптические оси обоих каналов пересекаются в одной точке, а за призмами по ходу лучей они совпадают как между собой, так и с осью панкратического объектива, расположенного по ходу лучей за системой вывода излучения двух каналов на единую оптическую ось.
Предлагаемое техническое решение позволяет:
- значительно повысить энергетический запас и помехоустойчивость системы по сравнению с прототипом благодаря тому, что конструкция оптического сканера обеспечивает возвратно-поступательное движение каждого из двух сканирующих пучков лучей по прямым взаимно ортогональным траекториям от одного до другого края оптического информационного поля, площадь которого определяется в предлагаемой системе произведением длин сканирующих пучков лучей, в то время как в прототипе длина каждого ножевого пучка вдвое превышает размер поля;
- повысить быстродействие системы и точность определения координат объекта за счет простоты, надежности и малой инерционности конструкции оптического сканера, позволяющей обойтись без редукторов, благодаря чему устраняется ряд механических погрешностей, а также за счет применения заданного функционального закона сканирования, в том числе и линейного.
Таким образом, заявляемая оптическая сканирующая система позволяет полностью решить поставленную задачу.
На фиг.1 представлена структурная схема оптической сканирующей системы, вид спереди.
На фиг.2 представлена структурная схема оптической сканирующей системы, вид сверху.
На фиг.3 представлен возможный вариант выполнения двугранных элементов оптического сканера, вид А.
На фиг.4 показана зависимость угла β наклона зеркально отражающих граней к плоскости диска от центрального угла диска α.
На фиг.5 показана схема сканирования узкими пучками лучей в картинной плоскости оптического информационного поля.
На фиг.6 показан принцип определения координат объекта при линейном законе сканирования.
Оптическая сканирующая система (фиг.1, 2) включает два одинаковых канала 1, каждый из которых содержит полупроводниковый лазер и коллимирующий компонент, и общие для обоих каналов оптический сканер 2, систему 3, 4 вывода излучения на единую оптическую ось и панкратический объектив 5. Взаимное расположение каналов 1 таково, что излучающие p-n переходы 6 полупроводниковых лазеров перпендикулярны между собой.
Оптический сканер 2 расположен за коллимирующими компонентами обоих каналов 1 по ходу лучей и выполнен в виде диска, установленного с возможностью вращения и содержащего на краю рабочей поверхности, перпендикулярной оси 7 диска, замкнутую кольцевую область 8 (фиг.2). Кольцевая область 8 выполнена в виде расположенных по окружности через равные угловые промежутки двугранных элементов 9 (фиг.2, 3) в виде ступенек, радиальные размеры которых ограничены внутренним и внешним диаметрами кольцевой области 8. Выступающее ребро между гранями каждого двугранного элемента 9 лежит в одной плоскости, перпендикулярной оси 7 диска, с соответственными ребрами других двугранных элементов и составляет угол π/4 с радиусом, проведенным от оси 7 диска в точку касания ребра с внешним диаметром кольцевой области 8 (фиг.2).
0
0
0
0
Одна из соответственных граней каждого двугранного элемента 9 выполнена зеркально отражающей и наклонена относительно плоскости диска под своим углом β, дискретно меняющимся от одного двугранного элемента к другому по заданному функциональному закону в зависимости от центрального угла диска α, при значениях угла α от 0 до π угол β нарастает от минимального значения (β-γ) до максимального (β+γ), при значениях угла α от π до 2π угол β уменьшается от максимального значения (β+γ) до минимального (β-γ),
0
где β - среднее значение угла наклона к плоскости диска для двух диаметрально расположенных зеркально отражающих граней (фиг.3),
0
γ - максимальное изменение угла β наклона зеркально отражающей грани от среднего значения β.
В частности, при линейном законе сканирования, для которого выполняется условие: Δγ=4γ/n=const (Δγ - разность углов β для соседних двугранных элементов 9, n - общее число двугранных элементов на сканере), зависимость угла β наклона зеркально отражающей грани двугранного элемента 9 к плоскости диска от центрального угла диска α показана на фиг.4 и определяется выражениями:
0
Оба канала 1 с коллимирующими компонентами расположены относительно оптического сканера 2 таким образом, что до оптического сканера по ходу лучей оптические оси каждого из них составляют с плоскостью диска угол δ=(π/2-2β) (фиг.1, 3) и пересекаются с зеркально отражающими гранями двугранных элементов 9 в точках 10, отстоящих одна от другой на центральный угол диска α, равный π/2.
Система вывода излучения двух каналов на единую оптическую ось, выполненная в виде призмы-ромб БС-0° 3 и призмы АР-90° 4, склеенных между собой гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено поляризационное покрытие 11, расположена за оптическим сканером 2 по ходу лучей (фиг.1, 2) таким образом, что входные грани обеих призм параллельны плоскости диска оптического сканера, и оптически связана с ним и с коллимирующими компонентами обоих каналов 1 посредством зеркально отражающих граней двугранных элементов 9 таким образом, что за оптическим сканером 2 по ходу лучей оптическая ось одного канала пересекается с входной гранью призмы-ромб БС-0° 3, а оптическая ось другого канала - с входной гранью призмы АР-90° 4, на грани с поляризационным покрытием 11 оптические оси обоих каналов пересекаются в одной точке, а за призмами по ходу лучей они совпадают как между собой, так и с осью 12 панкратического объектива 5, расположенного по ходу лучей за системой 3, 4 вывода излучения двух каналов на единую оптическую ось.
Двугранные элементы 9 оптического сканера 2, в общем случае, могут быть выполнены таким образом, что выступающее ребро в каждом из них может составлять с радиусом, проведенным от оси 7 диска в точку его касания с внешним диаметром кольцевой области 8, необязательно угол π/4, а любой угол ε, где ε лежит в интервале от 0 до π/2. Однако это неминуемо приведет к конструктивному усложнению системы 3, 4 вывода излучения двух каналов на единую оптическую ось, а именно к необходимости введения в нее дополнительной оптической призмы, к примеру еще одной призмы-ромб БС-0°.
На фиг.5 показаны проекции сканирующих ножевых пучков лучей 13 и 14 обоих каналов 1 для различных значений центрального угла диска α от 0 до 2π в картинной плоскости оптического информационного поля 15, а также положение в нем объекта управления 16.
Система работает следующим образом.
0
Линейно поляризованное излучение от полупроводниковых лазеров (фиг.1-3), излучающие p-n переходы 6 которых имеют форму светящейся линии 200(100)×1 мкм, в каждом из двух каналов 1 проходит сквозь коллимирующий компонент и в виде двух коллимированных узких пучков с сечением, близким к круговому, попадает под углом δ=(π/2-2β) на кольцевую область 8 оптического сканера 2, пересекаясь с отражающими гранями двугранных элементов 9 в двух точках 10, отстоящих друг от друга на центральный угол диска α, равный π/2. Поскольку углы наклона β отражающих граней каждого двугранного элемента 9 дискретно меняются от одного элемента к другому по заданному функциональному закону в пределах, указанных в выражениях (3), (4), то в процессе вращения оптического сканера 2 оба лазерных пучка, отражаясь последовательно от зеркальных граней каждого двугранного элемента 9, за один оборот диска отклоняются от оптической оси симметрично на углы ±2γ по двум ортогональным направлениям с разностью фаз π/2.
Далее ортогонально поляризованные пучки излучения обоих полупроводниковых лазеров попадают в систему 3, 4 вывода излучения на единую оптическую ось, а именно: излучение одного канала проходит сквозь призму-ромб БС-0° 3 и падает под углом π/4 на гипотенузную грань с поляризационным покрытием 11, излучение второго канала проходит сквозь призму - АР-90° 4 и также падает под углом π/4 на гипотенузную грань с поляризационным покрытием 11. Поляризационное покрытие 11 выполнено таким, что полностью пропускает излучение одного канала, поляризованное в плоскости падения на гипотенузную грань (p-компонента), и полностью отражает излучение другого канала, поляризованное в ортогональной плоскости (s-компонента). Таким образом, излучение обоих полупроводниковых лазеров, излучающие p-n переходы 6 и плоскости поляризации которых соответственно ортогональны между собой, полностью, без потерь выводится на единую оптическую ось 12 и направляется в панкратический объектив 5.
Пучки излучения обоих полупроводниковых лазеров формируются панкратическим объективом 5 (фиг.1, 2) в узкие ножевые взаимно перпендикулярные пучки 13 и 14 в картинной плоскости оптического информационного поля 15 (фиг.5) таким образом, что длинная сторона каждого пучка соответствует размеру оптического информационного поля H, а амплитудный угол отклонения каждого пучка вдоль его короткой стороны от оптической оси 12, равный ±2γ, соответствует линейной величине отклонения ±H/2.
Пучки 13 и 14 совершают возвратно-поступательное прямолинейное движение каждый вдоль своей координаты, как показано на фиг.5, отклоняясь симметрично относительно центра оптического информационного поля (оптической оси 12) с разностью фаз π/2 по одному и тому же функциональному закону, дважды за один оборот сканера 2 обходя оптическое информационное поле.
В случае линейного закона сканирования зависимость от времени t отклонения положения пучков 13 и 14 от центра оптического информационного поля по координатам OX и OY показана на фиг.6 и определяется выражениями:
- по координате OX (луч 13):
- по координате OY (луч 14):
где hx(t) и hy(t) - отклонения положения пучка от центра оптического информационного поля (от оптической оси системы) по двум координатам,
H - размер оптического информационного поля,
T - период вращения сканера (время формирования кадра).
При этом каждый пучок дважды за один период засвечивает пачкой коротких импульсов фотоприемник объекта управления 16 (фиг.5).
a
a
x
y
x
y
Как показано на фиг.6, координаты объекта управления по осям OX и OY или, иначе, отклонения от центра оптического информационного поля (от оптической оси системы 12) x и y линейно зависят от интервалов времени Δt и Δt между засветками фотоприемника объекта управления 16 соответствующими лазерными пучками при их прямом и обратном ходе, точнее, Δt и Δt пропорциональны отклонению объекта управления от края оптического информационного поля и определяются выражениями:
x
y
Электрические сигналы, пропорциональные измеренным интервалам времени Δt и Δt между засветками фотоприемника, посылаются на исполнительный механизм, приводящий объект управления на оптическую ось 12 системы.
Литература
1. Цуккерман С.Т., Гридин А.С. Управление машинами при помощи оптического луча. Л.: Машиностроение, 1969 г.
2. Патент RU 2100745 C1, МПК F41G 7/26, опубл. 27.12.1997 г.
3. Патент RU 2228505 C2, МПК F41G 7/26, опубл. 10.05.2004 г. - прототип.