УСТРОЙСТВО ОТКЛОНЕНИЯ ЛУЧА Российский патент 1995 года по МПК G02B26/10 

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

Известны различные конструкции устройств, содержащие источник света и перемещающийся отражатель [1] В качестве перемещающегося отражателя чаще всего используют вращающийся барабан-призму. Быстродействие таких устройств ограничивается максимальной скоростью вращения вала электродвигателя, на оси которого вращается барабан-призма. Так же с помощью такого устройства невозможно осуществить сканирование по априорно заданному закону.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям является устройство, содержащее источник света, оптический модулятор, сканирующие элементы, оптический фокусирующий блок, оптический приемник, генератор двухкоординатной развертки, логическую схему управления и оптические датчики [2] Сканирующие элементы выполнены в виде пьезоэлементов, закругленная отражающая поверхность которых применена в качестве усилителя смешения отраженного луча. Устройству присущи следующие недостатки, невозможность обеспечить априорно заданный закон сканирования, Это связано с тем, что генератор развертки выдает сигнал определенной формы для управления положением сканирующих элементов. Таким образом, никаких технических решений для изменения закона сканирования в устройстве не предусмотрено. Низкое быстродействие устройства можно объяснить исходя из следующих соображений. Обеспечить линейное изменение геометрических размеров пьезоэлементов можно только на низких частотах, при f < f_p1, где f_p1 частота первого резонанса. При увеличении частоты (уменьшении длительности управляющего сигнала) отклик пьезокерамики становится отличным от формы управляющего напряжения. Этот факт можно объяснить тем, что пьезоэлемент является распределенной колебательной системой и при воздействии достаточно широкополосного сигнала генератора развертки он возбуждается на частотах своего механического резонанса, близких к частотам спектра сигнала управления. Это приводит к изрезанности формы переходной характеристики пьезоэлемента. Таким образом, реализовать линейно-изменяющийся закон управляющего напряжения в устройстве можно только лишь на низких частотах.

Задачей изобретения является повышение быстродействия устройства отклонения луча и возможность осуществления любого, заданного априорно, закона сканирования. Повышение скорости сканирования позволяет повысить скорость обработки информации в оптоэлектронных системах, а также использовать устройство в системах развертки изображения. Возможность априорного задания закона сканирования важна при решении задач нелинейного преобразования изображения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве отклонения луча, содержащем источник света, отражатель с криволинейной поверхностью, прикрепленный к пьезоэлементу, соединенному с генератором развертки, пьезоэлемент выполнен в виде круглой пластины, по образующей жестко закрепленной в диэлектрическом корпусе, на одну сторону которой нанесен управляющий электрод, а другая сторона ее соединена с гибкой металлической подложкой, при этом отражатель прикреплен к центру пластины со стороны управляющего электрода и расположен под углом к оси оптически связанного с ним источника света, генератор развертки выполнен в виде генератора синусоидального колебания, общая шина которого соединена с металлической подложкой, а выход его соединен с управляющим электродом, причем форма отражателя соответствует следующим условиям
F(x_i+1)=F(x_i)+F′(x_i)Δx_i;
F(x) (1)
где F(x_i), F(x_i-1) функция, описывающая форму отражателя в точках x_i, x_i-1;
H(t_i) закон сканирования;
t_iarcsin
x_i координата х на i-ом шаге;
F'(x_i) первая производная функции, описывающей форму отражателя в точке x_i;
x_o расстояние от луча до плоскости сканирования;
ω- круговая частота генератора синусоидальных колебаний;
Δx_i шаг, с которым вычисляется форма отражателя в точке x_i;
H_o ордината начального положения луча на плоскости сканирования;
а амплитуда отклонения луча.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник 1 света, отражатель 2, пьезопластину 3, металлическую подложку 4, управляющий электрод 5, корпус 6, генератор 7 развертки.

На фиг.2 изображено разъяснение геометрии задачи; на фиг.3 рассчитанные формы поверхности отражателя для линейного и квадратичного законов сканирования.

Источник 1 света (фиг.1) оптически связан с отражателем 2. К одной стороне пьезопластины 3 прикреплена металлическая подложка 4. К другой стороне пьезопластины 3 прикреплен (нанесен) управляющий электрод. Пьезопластина 3 жестко закреплена в корпусе 6. Общая шина генератора 7 развертки соединена с металлической подложкой и выход генератора 7 соединен с управляющим электродом. Отражатель 2 прикреплен к пьезопластине 3 со стороны управляющего электрода 5 в центре.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 7 вырабатывает синусоидальные колебания, которые подаются на управляющий электрод 5. Пьезопластина 3 при этом будет выгибаться, а отражатель 2 совершать синусоидальные возвратно-поступательные движения в плоскости, перпендикулярной направлению луча источника 1. Луч источника 1 благодаря тому, что поверхность отражателя 2 выполнена выпуклой будет изменять свое угловое положение, т.е. осуществлять угловое сканирование. Подробное разъяснение, каким образом форма отражающей поверхности отражателя 2, влияет на закон сканирования и каким образом выбирая ту или иную его форму можно обеспечить заданный априорно закон сканирования из фиг.2. Луч АВ падает на отражающую поверхность зеркала, описываемую функцией F(x) (фиг.2). 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) + xtg ϕ (2)
Для вычисления угла ϕ можно воспользоваться тем фактом, что угол EBD равен β а угол СВМ равен β Таким образом,
ϕ -π-β--2β (3)
С учетом (3) выражение (2) можно записать в виде
H F(x) + xctg2 β, (4)
Воспользовавшись формулой для двойного аргумента, получаем
H=F(x) + (5)
Для дальнейших преобразований необходимо учесть, что tg β F, β arctg F', тогда (5) представим в виде
H=F(x) + (6)
Выражение (6) представим в виде квадратного уравнения F′² + -1=0 (7)
Решение которого запишется в виде
F′= - ± (8)
Выражение (8) описывает геометрию задачи в статике. Если придать отражателю 2 возвратно-поступательное движение по закону
X(t) X_o+asin ω t, (9) т.е. смещать его в направлении луча ЕВ, то согласно правилу преобразования координат выражение (8) запишется в виде
F′=
(10)
В выражении (10) закон сканирования представлен как функция времени H(t), где ее аргумент получен из выражения (9)
t arcsin
Знак перед корнем выбран исходя из физического смысла. Таким образом, проинтегрировав (10) по Х в пределах от Х_а-а до Х_о+а при заданных начальных условиях F(x_o); F'(x_o) получим искомую форму отражателя 2, которая обеспечит априорно заданный закон сканирования H(t). При задании начальных условий следует учесть, что исходя из геометрических соображений угол ϕ целесообразно выбирать близким к 135^о, т.е. F' ≈ 1. Сканирование отражателя 2 производится по закону asin ω t, являющемуся оптимальным с точки зрения быстродействия для пъезопластины 3. Интегрирование выражения (10) возможно только численным методом. Удобнее и проще это уравнение решать на ЭВМ. Расчетные формулы при этом запишутся в виде (1). Для подтверждения возможности расчетов в соответствии с выражением (1) была составлена программа на языке PL-1 для вычисления формы отражателя и проверки соответствия закона сканирования заданному. Программа моделирует работу устройства для случаев линейного и квадратичного законов сканирования. При этом были заданы следующие исходные данные
а 0,1; х_о 1; F(x_o) 1;
F'(x_o) -1 ( β 135^о) отражатель 2 расположен под углом 45^о к лучу источника света. Из проведенных расчетов следует, что с точностью до 10^-5-10^-6 закон сканирования соответствовал заданному априорно. Шаг интегрирования Δ х выбран 5˙10^-6. Форма рассчитанных отражателей для линейного и квадратичного закона сканирования приведена на фиг.3.

Использование: оптическое приборостроение и может быть использовано при построении систем сканирования и развертки оптического излучения. Сущность изобретения: устройство содержит источник 1 света, отражатель 2, генератор 7 развертки и круглую пьезопластину 3, жестко закрепленную в корпусе 6, на одну сторону которой нанесен управляющий электрод 5, а другая сторона соединена с гибкой металлической подложкой 4. К центру пьезопластины 3 со стороны управляющего электрода 5 прикреплен под углом к источнику 1 отражатель 2, а генератор выполнен в виде генератора синусоидального колебания. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ОТКЛОНЕНИЯ ЛУЧА, содержащее источник света, отражатель с криволинейной поверхностью, прикрепленной к пьезоэлементу, соединенному с генератором развертки, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен в виде круглой пластины, по образующей жестко закрепленной в диэлектрическом корпусе, на одну сторону которой нанесен управляющий электрод, а другая сторона ее соединена с гибкой металлической подложкой, при этом отражатель прикреплен к центру пластины со стороны управляющего электрода и расположен под углом к оси оптически связанного с ним источника света, генератор развертки выполнен в виде генератора синусоидального колебания, общая шина которого соединена с металлической подложкой, а выход его соединен с управляющим электродом, причем форма отражателя соответствует следующим условиям:
F(x_i-1) = F(x_i)+F′(x_i)Δx_i;

где F(x_i), F(x_i-1) функция, описывающая форму отражателя в точках x_i, x_i-1;
H(t_i) закон сканирования;

x_i координата x на i-м шаге;
F′(x_i) первая производная функция, описывающей форму отражателя в точке x_i;
x₀ расстояние от луча до плоскости сканирования;
ω круговая частота генератора синусоидальных колебаний;
Dx_i шаг, с которым вычисляется форма отражателя в точке x_i;
H_о ордината начального положения луча на плоскости сканирования;
a амплитуда отклонения луча.