Устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча

Устройство относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам сканеров и дефлекторов для управления положением оптического луча и для его переключения из одного углового положения в другое, и может быть использовано при лазерной локации объектов. Устройство содержит сканер с составным зеркалом в виде ряда синхронно поворачивающихся эквидистантно расположенных секций, подключенный к источнику управляющего напряжения. Секции составного зеркала расположены с шагом, равным отношению длины волны излучения к среднему угловому расстоянию между соседними позициями оптического луча в угловой области позиционирования, причем упомянутый шаг является кратным ширине секции. Преимуществом устройства является получение более точной информации о положении объекта, причем дискретность угловых координат объекта предопределяет цифровую форму информации. 3 ил.

 

Устройство относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам для управления положением оптического луча, в том числе для его переключения из одного углового положения в другое.

Для углового дискретного отклонения оптического луча с его позиционированием в каждом угловом положении могут быть применены известные устройства, использующие электромеханические дефлекторы с поворачивающимся сплошным зеркалом [1]. В таких устройствах фиксация углового положения луча может быть достигнута ступенчатым характером управляющего тока или напряжения; пока уровень тока (напряжения) ступеньки сохраняется постоянным, луч неподвижен в своей позиции.

Недостатком таких устройств является нестабильность углового положения и его недостаточная воспроизводимость, так как угловое положение является функцией управляющего тока (напряжения), который не является абсолютно стабильным и зависит также от стабильности и воспроизводимости электромеханических параметров дефлектора, от динамических резонансных параметров дефлектора, вызывающих появление переходных процессов при позиционировании.

Известно также устройство отклонения оптического луча на базе электромеханических дефлекторов с составным зеркалом в виде ряда эквидистантно расположенных синхронно поворачиваемых секций - микрозеркал [2], взятое в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Известное устройство отклоняет отраженный световой пучок при поворотах зеркал, угловое положение которых определяется управляющим током катушек, нанесенных на поверхность зеркал.

Недостатком устройства, защищенного упомянутым авторским свидетельством, является возможность появления в широкой угловой области в отраженном излучении значительной его доли, вызванная дифракцией на периодической структуре микрозеркал, что ухудшает направленность отклоненного луча. Устройство-прототип не решает задачу дискретного отклонения луча.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании устройства, позволяющего дискретно, с заданным угловым шагом между отдельными позициями, отклонять оптический монохроматический коллимированный луч при использовании непрерывно изменяющегося управляющего тока, а также в том, чтобы исключить зависимость точности позиционирования луча от возможных нестабильностей углового положения микрозеркал дефлекторов.

Решение задачи достигается тем, что в устройстве управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча, содержащем сканер с составным зеркалом в виде ряда синхронно поворачивающихся эквидистантно расположенных секций, подключенный к источнику управляющего напряжения, согласно изобретению в нем секции составного зеркала расположены с шагом, равным отношению длины волны излучения к среднему угловому расстоянию между соседними позициями оптического луча в угловой области позиционирования, причем упомянутый шаг является кратным ширине секции.

Новым в предложенном решении задачи является то, что секции составного зеркала расположены с шагом, равным отношению длины волны излучения к среднему угловому расстоянию между соседними позициями оптического луча в угловой области позиционирования, причем упомянутый шаг является кратным ширине секции.

Предложение расположить в устройстве секции составного зеркала с шагом, равным отношению длины волны излучения к среднему угловому расстоянию между соседними позициями оптического луча в угловой области позиционирования, позволяет дискретно, с заданным угловым шагом между отдельными позициями, отклонять оптический монохроматический коллимированный луч, при использовании непрерывно изменяющегося управляющего тока, а также исключает зависимость точности позиционирования луча от возможных нестабильностей углового положения микрозеркал дефлекторов.

Предложение выполнить упомянутый шаг кратным ширине секции способствует улучшению направленности отклоненного луча, так как регламентирует количество в отклоненном луче составляющих, обусловленных соседними порядками дифракции излучения на периодической структуре составного зеркала. Так, если кратность равна единице, в луче только один дифракционный максимум, если равна двум - луч содержит два максимума, то есть состоит из двух лучей, направленных в пространстве под небольшим и постоянным углом друг к другу.

На фиг.1 показана схема устройства сканера с составным зеркалом. Здесь 1 - секции составного зеркала, 2 - опорная рама, на которой закреплены секции, 3 - составное зеркало. На фиг.2 показано отклоненное положение секций 1 при подаче на устройство управляющего напряжения. При подаче напряжения на элементы привода микрозеркал они наклоняются на угол γ; отраженный луч отклоняется на угол φ=2γ.

На фиг.3 показана схема дифракционной картины, возникающей в отраженном свете при падении отклоняемого луча на составное зеркало. Для упрощения картины показан ход только отраженных лучей; φ₁ и φ₂ - угловые положения первого и второго дифракционных максимумов; обозначения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 - номера главных дифракционных максимумов; 4 - сканер с составным зеркалом; 5 - положение отраженного луча для случая, когда φ₀=0 и зеркала отклонены в положение, при котором излучение зеркально отклоняется по направлению +3 дифракционного максимума; 6 и 7 - положение двух «лепестков», из которых состоит отраженный луч, если ширина секции вдвое меньше шага секций и зеркала ориентируют отражаемое излучение в направлении -3 и -2 дифракционных максимумов.

Работа устройства базируется на известном свойстве отражательной фазовой дифракционной решетки перераспределять световую энергию между различными порядками дифракции, направляя ее в тот порядок, угловое положение которого совпадает с лучом, зеркально отраженным от граней штриха фазовой решетки. В нашем случае такой гранью является отклоненная под действием управляющего тока секция зеркала дефлектора. Весь ряд секций можно уподобить дифракционной решетке, период которой равен шагу их расположения. Понятно, что эффект перераспределения энергии имеет место в случае когерентного монохроматического падающего излучения. По мере отклонения микрозеркал на фиг.3 зеркально отраженный луч, содержащий основную долю энергии падающего излучения, перемещается последовательно в позиции, обозначенные цифрами, положения этих позиций определяются только шагом дифракционной структуры составного зеркала и не зависят от углового положения секций. При быстром отклонении микрозеркал в пространстве глазу будет видна картина в виде неподвижного веера лучей.

При наклонном падении света на дифракционную решетку справедливо известное уравнение:

где m=0, ±1, ±2…, d - период решетки, φ - угловая координата отраженного луча, φ₀ - угол падения света на решетку для случая, когда плоскость падения перпендикулярна штрихам решетки, λ - длина волны света.

Можно найти, что угловое положение соседних порядков дифракционной картины определяется выражением:

где φ_m и φ_m+1 - угловые координаты соседних дифракционных порядков отраженного луча.

Если d>>λ, то можно получить:

Как видим, угловое расстояние Δφ между соседними позициями луча - слабо меняющаяся в условиях принятого приближения величина, если сумма углов φ_m+1+φ_m мала, то величину Δφ можно найти как среднюю величину в угловой области позиционирования Δφ=φ₂-φ₁, где φ₁ и φ₂ - углы крайних позиций луча в области позиционирования (сканирования), включая все рассматриваемые позиции. Видим, что Δφ не зависит ни от управляющего дефлектором тока, ни от угловых колебаний отдельной секции зеркала дефлектора, а целиком определяется соотношением между длиной волны излучения и шагом расположения зеркал. Можно записать:

Если задаться значением углового расстояния Δφ_ср между соседними позициями, то, с учетом (2), (3) и (4), для шага d секций, при условии d>>λ, найдем выражение:

Полученное выражение подтверждает целесообразность формулы изобретения: секции составного зеркала расположены с шагом, равным отношению длины волны излучения к среднему угловому расстоянию между соседними позициями оптического луча в угловой области позиционирования.

Ширина секции а определяет в дифракционной картине угловую ширину лепестка диаграммы излучения. Угловое положение первого минимума определяется формулой:

Угол ψ отсчитывается от направления зеркально отраженного луча. Сравнивая (5) и (6), можно увидеть, что при условии d=а отклоненный устройством луч будет содержать один дифракционный максимум (на фиг.3 луч 5), при условии d=2а - два максимума (на фиг.3 лучи 6 и 7) и т.д. Это подтверждает целесообразность условия формулы изобретения: шаг расположения секций является кратным ширине секции.

Рассмотрим пример.

Пусть λ=0.5 мкм, Δφ=5·10^-3 paд. Получим d=100 мкм. При требующемся числе угловых позиций - 100 их общая угловая ширина Δφ=100·5·10^-3=0.5 рад - это диапазон полного углового перемещения луча. Каждое микрозеркало дефлектора при этом поворачивается на

Если принять угловую ширину луча в каждой позиции равной ΔΩ=0.01 Δφ, то общая ширина D решетки зеркал равна:

Примером конструктивного исполнения устройства и технологии его изготовления может быть следующее: одномерная матрица микрозеркал, каждое толщиной 2-3 мкм, вытравленная в монокристаллической мембране, расположена в одной плоскости. Микрозеркало представляет собой узкую, шириной 50-100 мкм, полоску, концы которой закреплены на общей для всех зеркал раме, что обеспечивает микрозеркалам торсионную подвеску; на плоскости каждого микрозеркала формируют методами фотолитографии токовую петлю. Технология фотолитографии обеспечивает также возможность выполнения размеров шага и ширины секции в соответствии с формулой изобретения. Матрица зеркал помещается в магнитное поле, и при подаче тока в токовые петли все микрозеркала синхронно поворачиваются.

Изложенная теория работы предложенного устройства и приведенный пример расчета возможных конструктивных параметров устройства и его конструкции и технологии подтверждают, что элементы новизны, представленные в формуле изобретения, обеспечивают решение поставленной задачи.

Устройство может найти применение, например, при лазерной локации объектов и обеспечит получение более точной информации, причем дискретность угловых координат объекта предопределяет цифровую форму информации.

Источники информации

1. Справочник по инфракрасной технике / Ред. У.Волф, Г.Цисис. В 4-х тт. Т.2. Проектирование оптических систем: Пер. с англ. - Мир, 1998. - 347 с.

2. Патент РФ №1569783, приоритет 9 ноября 1987 г.

Устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча, содержащее сканер с составным зеркалом в виде ряда синхронно поворачивающихся эквидистантно расположенных секций, подключенный к источнику управляющего напряжения, отличающееся тем, что секции составного зеркала расположены с шагом, равным отношению длины волны излучения к среднему угловому расстоянию между соседними позициями оптического луча в угловой области позиционирования, причем упомянутый шаг является кратным ширине секции.