Оптическое устройство параллельного сканирования

 

Использование: в оптическом приборостроении. Сущность изобретения: оптическое устройство параллельного сканирования содержит первое и второе зеркала, выполненные с криволинейными отражающими поверхностями, генератор развертки, источник света, круглую пьезопластину, жестко закрепленную в корпусе, на одну сторону которой нанесен управляющий электрод, а другая сторона соединена с гибкой металлической подложкой. Первое зеркало прикреплено к центру пьезопластины со стороны управляющего электрода, прикрепленного под углом к оси оптически связанного с ним источника света. Генератор развертки выполнен в виде генератора сунусоидального напряжения. Второе зеркало выполнено в виде параболоида вращения, расположенного на фокусном расстоянии от первого зеркала, оптически связанного с последним. Оптическая ось второго зеркала расположена под углом 3-10° к нормали и поверхности пьезопластины. 4 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при построении систем сканирования и развертки оптического излучения.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявленному является устройство, недостатки которого состоят в низком быстродействии и возможности реализации априорно заданного закона сканирования.

Задача, решаемая заявляемым устройством, повышение быстродействия и обеспечение возможности осуществления любого априорно заданного закона сканирования.

Предлагается оптическое устройство параллельного сканирования, содержащее источник света, первое зеркало с отражающей криволинейной поверхностью, второе зеркало с отражающей криволинейной поверхностью, прикрепленное к пьезоэлементу, соединенному с генератором развертки, оптически связанное с первым зеркалом.

В отличие от прототипа пьезоэлемент выполнен в виде круглой пластины, по образующей жестко закрепленной в диэлектрическом корпусе, на одну сторону которой нанесен управляющий электрод, а другая ее сторона соединена с гибкой металлической подложкой. При этом первое зеркало прикреплено к центру пьезопластины со стороны управляющего электрода под углом к оси оптически связанного с ним источника света. Генератор развертки выполнен в виде генератора синусоидального напряжения, общая шина которого соединена с металлической подложкой, а его выход соединен с управляющим электродом. Второе зеркало выполнено в виде параболоида и расположено на расстоянии, равном его фокусному расстоянию от первого зеркала, причем оптическая ось второго зеркала расположена под углом 3-10^о к нормали поверхности пьезопластины. Форма отражающей поверхности первого зеркала удовлетворяет условию F(X_i+1) F(X_i) + Fʹ(X_i) ΔХ_i, где Fʹ(X) ; (1) F(X_i) и F(X_i+1) функции, описывающие форму отражающей поверхности первого зеркала соответственно в точках X_i и X_i+1; Н(t_i) закон сканирования; t_i= arcsin; X_i координата Х на i-м шаге; F¹(X_i) первая производная функции F(X_i); Х_о расстояние от луча до плоскости сканирования; ω- круговая частота генератора синусоидальных колебаний;
ΔX_i шаг, с которым вычисляется функция F(X_i);
Н_о ордината начального положения луча на плоскости сканирования;
а амплитуда отклонения луча.

На фиг. 1 и 2 приведена структурная схема устройства и приняты следующие обозначения: 1 источник света, 2 первое зеркало, 3 пьезопластина, 4 металлическая подложка, 5 управляющий электрод, 6 корпус, 7 генератор развертки, 8 второе зеркало; на фиг. 3 поясняется геометрия задачи; на фиг. 4 приведены рассчитанные формы первого зеркала для линейного (а) и квадратичного (б) зеркал сканирования.

На фиг. 1 и 2 источник 1 света оптически связан с первым зеркалом 2. К одной стороне пьезопластины 3 прикреплена металлическая подложка 4, к другой стороне пьезопластины 3 прикреплен (нанесен) управляющий электрод 5. Пьезопластина 3 жестко закреплена в корпусе 6. Общая шина генератора 7 развертки соединена с металлической подложкой 4. Выход генератора 7 соединен с управляющим электродом 5. Первое зеркало 2 прикреплено к пьезопластине 3 со стороны управляющего электрода 5 в центре. Второе зеркало 8 расположено на фокусном расстоянии от первого и оптически связано с ним.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 7 вырабатывает синусоидальные колебания, которые подаются на управляющий электрод 5. Пьезопластина 3 при этом выгибается, а отражатель 2 совершает синусоидальные возвратно-поступательные движения в плоскости, перпендикулярной направлению луча источника 1. Луч источника 1 благодаря тому, что поверхность первого зеpкала 2 выполнена выпуклой, изменяет свое положение.

Рассмотрим подробнее, каким образом форма отражающей поверхности первого зеркала 2 влияет на закон сканирования и таким образом, выбирая ту или иную его форму, можно обеспечить заданный априорно закон сканирования. Обратимся к фиг. 3 и рассмотрим геометрию задачи источника 1. Луч АВ падает на отражающую поверхность зеркала, описываемую функцией F(X). С учетом того, что F(X) имеет непрерывную производную в каждой точке, длину отрезка ОС Н можно из геометрических соображений вычислить следующим образом:
H F(X) + Xtgϕ (2)
Для вычисления угла ϕ можно воспользоваться тем фактом, что угол ЕВД равен β, а угол СВМ равен β- . Таким образом
ϕ π-β-- -2β. (3)
С учетом последнего выражение (2) запишется в следующем виде:
H F(X) + X ctg 2β. (4)
Воспользовавшись формулой для двойного аргумента, получим
H F(X) + (5)
Для дальнейших преобразований необходимо учесть, что tgβ=Fʹ, β= arctgFʹ, тогда выражение (5) представим в виде
H F(X)+ . (6)
Выражение (6) представим в виде квадратного уравнения:
F¹²+ -1 0, (7) решение которого имеет вид
Fʹ - ± . (8)
Выражение (8) описывает геометрию задачи в статике. Если первому зеркалу 2 придать возвратно-поступательное движение по закону
X(t) X_o + a sinωt, (9) т. е. смещать его в направлении луча ЕВ, то согласно правилу преобразования координат выражение (8) запишется в виде
Fʹ --
. (10)
В выражении (10) закон сканирования представлен как функция времени Н(t), где ее аргумент получен из выражения (9):t arcsin. Знак перед корнем выбран исходя из физического смысла. Таким образом, проинтегрировав выражение (10) по Х в пределах от X_o-a до X_o + a, при заданных начальных условиях F(X_o), Fʹ(X_o) получим искомую форму первого зеркала 2, которая обеспечивает априорно заданный закон сканирования Н(t) по углу. Для преобразования углового сканирования в линейное на фокусном расстоянии от первого зеркала расположено второе параболическое зеркало. При этом имеется в виду фокусное расстояние второго зеркала. Все лучи, распространяющиеся из фокуса второго зеркала (после отражения от первого), после отражения от поверхности второго зеркала распространяются параллельно его оптической оси. Таким образом осуществляется преобразование углового сканирования в линейное перемещение луча источника света. Следует особо отметить тот факт, что сканирование первого зеркала 2 производится по закону а sinωt, являющемуся оптимальным с точки зрения быстродействия для пьезопластины 3. Интегрирование выражения (10) для большинства законов сканирования возможно только численным методом. Удобнее и проще это уравнение решить на ЭВМ. При задании начальных условий следует учесть, что исходя из геометрических соображений угол целесообразно выбирать близким к 135^о, т. е. Fʹ(X) ≈1.

Формула изобретения

ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СКАНИРОВАНИЯ, содержащее источник света, первое зеркало с отражающей криволинейной поверхностью, прикрепленное к пьезоэлементу, соединенному с генератором развертки, второе зеркало с отражающей криволинейной поверхностью, оптически связанное с первым зеркалом, отличающееся тем, что пьезоэлемент выполнен в виде круглой пластины, по образующей жестко закрепленной в диэлектрическом корпусе, на одну сторону которой нанесен управляющий электрод, а другая ее сторона соединена с гибкой металлической подложкой, при этом первое зеркало прикреплено к центру пьезопластины со стороны управляющего электрода под углом к оси оптически связанного с ним источника света, генератор развертки выполнен в виде генератора синусоидального напряжения, общая шина которого соединена с металлической подложкой, а его выход соединен с управляющим электродом, второе зеркало выполнено в виде параболоида вращения и расположено на расстоянии, равном его фокусному расстоянию от первого зеркала, причем оптическая ось второго зеркала расположена под углом 3 10^o к нормали поверхности пьезопластины, форма отражающей поверхности первого зеркала удовлетворяет условию
F(X_i+1)=F(X_i)+Fʹ(X_i)ΔX_i,
где
F(X_i), F(x_i+1) функции, описывающие форму отражающей поверхности первого зеркала соответственно в точках X_i и X_i+1;
H(t_i) закон сканирования;

X_i координата X на i-м шаге;
Fʹ(X_i) первая производная функций F(X_i);
X_о расстояние от луча до плоскости сканирования;
ω круговая частота генератора синусоидальных колебаний;
DX_i шаг, с которым вычисляется функция F(X_i);
H_о ордината начального положения луча на плоскости сканирования;
a амплитуда отклонения луча.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4