СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК G02B26/10 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптико-электронных приборах со сканированием в параллельных и сходящихся пучках лучей.

Известны сканирующие устройства, содержащие оптически сопряженные сканирующий элемент, осуществляющий развертку строк по криволинейной траектории, объектив и приемник излучения, в которых сканирующим элементом являются зеркальные ромбы, расположенные по окружности [1] , или зеркальная пирамида с пространственным расположением оси вращения [2] . Зеркальные ромбы осуществляют развертку строк с искривлением по дуге окружности, а зеркальная пирамида - с искривлением по криволинейной траектории, близкой к дуге окружности. При воспроизведении изображения на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) получается искаженная картина объекта вследствие того, что ЭЛТ производит развертку строк по прямой, а сканирующие устройства - по криволинейной траектории. Существенным недостатком этих сканирующих устройств являются вносимые ими искажения изображения.

Известно оптическое сканирующее устройство [3] , повышающее качество изображения путем уменьшения угла поворота поля обзора и растровых искажений, содержащее вращающуюся зеркальную усеченную пирамиду, оптический корректирующий элемент, исправляющий искажения изображения, объектив и приемник излучения. Корректирующий элемент размещен над меньшим основанием усеченной пирамиды и включает дополнительный объектив с оптической осью, параллельной оси вращения пирамиды, и зеркало, установленное на оптической оси дополнительного объектива. Оптика корректирующего элемента подвержена разъюстировке в процессе эксплуатации, вносит аберрации и увеличивает потери света, вследствие чего ухудшается качество прибора. При использовании одноплощадочного приемника сканирующее устройство [3] не позволяет осуществить кадровую развертку с числом строк большим, чем число граней сканирующей пирамиды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, обеспечивающее развертку строк по прямой, включающее оптически сопряженные лазерный модулированный источник света, сканирующий элемент в виде зеркальной призмы, осуществляющий сканирование строк по криволинейной траектории, корректирующий оптический элемент, компенсирующий кривизну строк, и фокусирующий элемент [4] . Устройство можно использовать в обратном ходе лучей, заменив модулированный источник света на объектив и приемник излучения. В этом случае при наблюдении удаленных объектов фокусирующий элемент исключают.

В качестве корректирующего оптического элемента используются оптическая призма или призменная анаморфотная афокальная система, а также устанавливаемые на место фокусирующего элемента асферическое вогнутое зеркало или голограмма, которые одновременно выполняют роль фокусирующего элемента. Призма и призменная система изображают прямую в виде параболы [5] .

Сканирующий элемент разворачивает строку по криволинейной траектории, отличной от параболы, поэтому строка спрямляется не полностью. При развертке по кадру, например, за счет разного наклона зеркал в сканирующем элементе, призменные корректирующие элементы удовлетворительно спрямляют только одну строку, для которой рассчитан корректирующий элемент. Остальные строки растра получаются искривленными и тем больше, чем дальше находится строка от спрямленной строки. Эта картина является следствием того, что лучи, отображающие разные строки, падают на корректирующий элемент под разными углами. В результате ухудшается качество изображения из-за его искажения. Кроме того, преломляющие призменные устройства вносят трудноисправимые аберрации и занимают большой объем.

Асферическое вогнутое зеркало неизбежно внесет значительные аберрации, особенно при использовании кадровой развертки, а его реализация проблематична. Способы расчета и производства зеркала, осуществляющего одновременно фокусировку и спрямление строк растра, не известны.

Голограмма сильно ослабляет световой поток, пропускает около 30% от его первоначальной величины. Голограмма в связи с ограниченным динамическим диапазоном записи, позволяет воспроизвести не более двух или трех десятков строк, в то время как в ряде случаев при развертке по кадру требуется на порядок большее число строк. Голограмма сложна в изготовлении, требует высокой точности установки и стабильности положения в процессе эксплуатации. В обратном ходе лучей при использовании одноэлементного приемника сканирующее устройство [4] не позволяет осуществить кадровую развертку с числом строк, большим, чем число граней призмы.

Целью изобретения является повышение степени спpямления строк при одновременном исключении аберраций и потерь света в корректирующем элементе.

Цель достигается тем, что в сканирующем устройстве, содержащем оптически сопряженные сканирующий элемент, выполненный с возможностью осуществления строчной развертки, объектив, корректирующий элемент и приемник излучения, корректирующий элемент выполнен в виде щелевой диафрагмы, длина которой равна высоте растра, установленной в плоскости изображений объектива, и расположенной за ней по ходу луча и кинематически связанной со сканирующим элементом заслонки с выполненными в ней для каждой строки щелевыми изогнутыми прорезями, стрела прогиба которых относительно линии траектории концов прорези равна стреле прогиба строки растра в плоскости изображений, ширина щелевой диафpагмы и прорезей равна размерам элемента растра, при этом заслонка установлена с возможностью вращения относительно оси, проходящей через ее центр.

Заслонка выполнена в виде диска или цилиндра, на которых щелевые изогнутые прорези расположены по одновитковой линии, или в виде двух соосных дисков или цилиндров, на первом из которых по ходу луча щелевые изогнутые прорези расположены в несколько витков, а на втором выполнена одновитковая прорезь.

Кривизна каждой строки растра исправляется благодаря взаимодействию неподвижной щелевой диафрагмы с изогнутой щелевой прорезью на вращающейся заслонке. В корректирующем устройстве нет оптических деталей, поэтому оно не вносит аберраций и не дает потерь света.

Применение заслонки из двух соосных дисков или цилиндров позволяет значительно уменьшить габариты сканирующего устройства путем уменьшения диаметра заслонок. Кроме того, предложенное выполнение корректирующего устройства обеспечивает осуществление кадровой развертки при одноэлементном приемнике излучения.

Известно сканирующее устройство, осуществляющее развертку по строке, которое содержит объектив, в плоскости изображений которого установлены неподвижная щелевая диафрагма и приемник излучения, расположенный на вращающемся диске в виде изогнутой по одновитковой спирали полоски чувствительного к свету материала [6] . Щель диафpагмы и чувствительная полоска при наложении друг на друга формируют элемент растра.

В отличие от предлагаемого, устройство [6] обеспечивает прямолинейную развертку только одной строки, неподвижная щелевая диафрагма имеет длину, равную длине строки, а кривизна спиральной чувствительной полоски не оказывает влияния на форму строки. В предлагаемом устройстве вторая заслонка с одновитковой спиральной прорезью не используется для формирования элементов растра, она оставляет не перекрытым излучением одного элемента и перекрывает излучение от остальных элементов растра на щелевой диафрагме.

На фиг. 1 и 2 приведены фронтальная и горизонтальная проекция устройства с дисковыми заслонками; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; на фиг. 4 изображены поля обзора в плоскости изображений объектива при отсутствии корректирующего элемента (пунктирные линии) и после его установки (сплошные линии); на фиг. 5 представлена схема для расчета профиля прорези в дисковой заслонке; на фиг. 6 и 7 показаны фронтальная и профильная проекции корректирующего элемента с цилиндрическими заслонками.

Сканирующее устройство содержит оптически сопряженные сканирующий элемент 1, выполненный с возможностью осуществления строчной развертки, например, в виде пирамиды, установленной с возможностью вращения вокруг пространственно расположенной оси, объектив 2, зеркало 3, исключающее зеркальность изображения и "ломающее" оптическую ось с целью уменьшения габаритов устройства, корректирующий элемент 4 и приемник 5 излучения.

Корректирующий элемент 4 выполнен в виде щелевой диафрагмы 6, длина которой равна высоте растра в плоскости изображений объектива 2, и расположенной за ней по ходу луча и кинематически связанной со сканирующим элементом 1 заслонки, которая может быть выполнена в виде диска 7 или цилиндра 8 с выполненными в них для каждой строки щелевыми изогнутыми прорезями 9, стрела прогиба которых относительно линии траектории концов прорезей равна стреле прогиба строки растра в плоскости изображений, ширина щелевой диафрагмы 6 и прорезей 9 равна размерам элемента растра, при этом заслонка установлена с возможностью вращения относительно оси, проходящей через ее центр. При выполнении заслонки в виде диска или цилиндра щелевые изогнутые прорези 9 расположены на них по одновитковой линии (на чертеже не показано).

Заслонка может быть выполнена в виде двух соосных дисков 7, 10 (фиг. 1-3) или цилиндров 8, 11 (фиг. 6, 7). При этом на первом по ходу луча диске 7 или цилиндре 8 щелевые изогнутые прорези 9 расположены в несколько витков, а на втором диске 10 или цилиндре 11 выполнена одновитковая прорезь 12.

Обозначим буквой R₂ в дисковой заслонке 7 расстояние от ее центра до середины ближайшей к центру прорези 9, а в цилиндрической заслонке 8 - ее радиус. Буквой β выразим угловое расстояние между серединами двух соседних прорезей 9. Наименьшее линейное расстояние между серединами прорезей
l = β R₂, где β= 2π k/М;
М - число строк;
k - число витков спирали или винтовой линии, по которой расположены прорези 9.

Откуда следует
R₂ = lM/(2 π k), т. е. при выбранных значениях l, M величина радиуса R₂ обратно пропорциональна числу витков k.

Если нет ограничений по габаритам корректирующего элемента, для компенсации кривизны строк прорези 9 располагают на диске 7 по одновитковой архимедовой спирали, а на цилиндре 8 - по одному витку винтовой линии. При этом отпадает надобность в дополнительных диске 10 или цилиндре 11.

Для реализации пpедложенного сканиpующего устpойства пpоизведен pасчет элементов его конструкции. В качестве сканирующего элемента 1 использована шестигранная зеркальная пирамида диаметpом 88 мм с пространственным расположением оси вращения. В плоскости изображений объектива 2 с фокусным расстоянием 80 мм и относительным отверстием 1: 4 развертка растра имеет размер 17х 12,8 мм и содержит 128 строк при стреле их прогиба 0,87 мм. Прогиб строк исправляет корректирующий элемент.

Щелевая диафрагма 6 размером 0,1х 12,8 мм и диск 7 диаметром 113 мм с изогнутыми щелевыми прорезями 9 расположены по обе стороны плоскости изображений объектива 2, причем ось вращения диска 7 находится ниже плоскости сканирования V. Зазор между диафрагмой 6 и диском 7 равен 0,2 мм.

Изогнутые щелевые прорези 9 шириной 0,1 мм расположены по пятивитковой архимедовой спирали с шагом β = 14,06^о. Расстояние между витками спирали равно 2,56 мм. Ближайшая к центру диска 7 прорезь имеет радиус кривизны 6,3 мм и хорду длиной 6 мм. Второй диск 10 с одновитковой прорезью 12 шириной 2 мм, выполненной по архимедовой спирали, расположен за первым диском по ходу луча на расстоянии 0,5 мм.

Передаточные числа передачи от зеркальной пирамиды до первого диска и от первого диска до второго равны 4,27 и 5.

Сканиpующее устройство работает следующим образом.

Движение от зеркальной пирамиды 1 передается на заслонку из двух соосных дисков 7, 10 или цилиндров 8, 11. В процессе сканирования одной строки пирамида с числом граней N повернется на угол γ_гр= 2π/N, первый диск 7 или цилиндр 8 - на угол β , а второй диск 10 и цилиндр 11 - на угол λ= β/k= 2π/M. Следовательно, при сканировании одного кадра, содержащего М строк, диск 10 и цилиндр 11 повеpнутся на один оборот.

Диск 7 и цилиндр 8 совместно со щелевой диафрагмой 6 одновременно пропускают излучение нескольких элементов растра, количество которых равно числу витков k. Диск 10 и цилиндр 11 пропускают на приемник 5 излучение только одного элемента pастpа и перекрывают излучение остальных элементов.

При сканировании строки элемент растра, выделенный щелевой диафрагмой 6 и изогнутой прорезью 9, движется вдоль диафрагмы 6 по заданному закону, благодаря чему достигается исправление кривизны строк, вносимой пирамидой 1. Характер движения элемента растра определяет форма изогнутых прорезей 9.

Для дисковой заслонки форму прорезей 9 можно рассчитать с достаточной для практики точностью следующим образом. Очевидно, что угловая длина прорези
2α= ηβ, где η - коэффициент использования зеркала сканирующего элемента.

За исходные данные примем расстояние R от центра диска 7 до середины прорези 9, угловую длину 2 α прорези 9 и стрелу прогиба h строки в плоскости изображений объектива 2 при отсутствии корректирующего элемента (фиг. 4, 5). Согласно фиг. 5 запишем sin α = a /(2(R-h), cos α = (R-h₁) /(R-h),
a= 2, где R₁ - радиус прорези;
h₁ - стрела прогиба прорези;
а - хорда прорези.

При совместном решении этих уравнений получим
R₁ = ( ( R - h )² sin² α + h₁² ) / ( 2h₁ ),
h₁ = R - ( R - h ) cos α .

При размещении оси вращения диска с противоположной стороны относительно плоскости сканирования V (фиг. 1) величины h, h₁, R₁принимают отрицательные значения.

В случае использования цилиндрических заслонок угловая дина 2α прорезей 9 такая же, как в дисковых заслонках. Определим радиус кривизны прорези R_1ц на развертке цилиндрической поверхности заслонки. Длина хорды развертки прорези
a_p= 2αR₂, a_p= 2. Приравнивая правые части этих выражений, получим
R_1ц= (α²R₂²+h²)/(2h).

Корректирующий элемент позволяет исправить в полной мере кривизну всех строк растра, не ограничивает число строк в кадре, не содержит оптических деталей, соответственно, не вносит аберраций и не дает световых потерь, не подвергается разъюстировке. Кроме исправления кривизны строк корректирующий элемент осуществляет кадровую развертку при использовании дешевого одноплощадочного приемника излучения и при одинаковом наклоне зеркал в сканирующем элементе. (56) 1. Патент Великобритании N 1393535, кл. G 02 B 26/10, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР N 1628041, кл. G 02 B 26/10, 1991.

3. Авторское свидетельство СССР N 1582170, кл. G 02 B 26/10, 1990.

4. Патент США N 4176907, кл. G 02 B 27/7, 1979.

5. Скоков И. В. Оптические спектральные приборы. М. : Машиностроение, 1984, с. 109.

6. Патент Японии N 46-20444, кл. Н 04 N 1/10, 1971.

Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптико-электронных приборах со сканированием в параллельных и сходящихся пучках лучей. Сущность изобретения: сканирующее устройство содержит оптически сопряженные сканирующий элемент, объектив, корректирующий элемент и приемник излучения. Для исправления кривизны всех строк растра без внесения аберраций и световых потерь корректирующий элемент выполнен в виде щелевой диафрагмы и вращающейся заслонки с щелевыми изогнутыми прорезями. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее оптически сопряженные сканирующий элемент, выполненный с возможностью осуществления строчной развертки в виде растра, объектив, корректирующий элемент и приемник излучения, отличающееся тем, что корректирующий элемент выполнен в виде щелевой диафрагмы, длина которой равна высоте растра, установленной в плоскости изображений объектива, и расположенной за ней по ходу луча и кинематически связанной со сканирующим элементом заслонки с выполненными в ней для каждой строки щелевыми изогнутыми прорезями, стрела прогиба которых относительно линии траектории концов прорези равна стреле прогиба строки растра в плоскости изображений, ширина щелевой диафрагмы и прорезей равна размерам элемента растра, при этом заслонка установлена с возможностью вращения относительно оси, проходящей через ее центр. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что заслонка выполнена в виде диска или цилиндра, на которых щелевые изогнутые прорези расположены по одновитковой линии. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что заслонка выполнена в виду двух соосных дисков или цилиндров, на первом из которых по ходу луча щелевые изогнутые прорези расположены в несколько витков, а на втором выполнена одновитковая прорезь.