СПОСОБ РАЗВЕРТЫВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ЛУЧА Российский патент 1997 года по МПК G02B26/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к способам развертывания, сканирования оптического луча и к способам стабилизации оптического изображения.

Известен способ стабилизации положения оптического луча в пространстве, основанный на применении оптического клина с переменным преломляющим углом, образующимся в результате поворота одной из линз двухлинзовой системы вокруг точки, находящейся на оптической оси. Этот способ позволяет развертывать оптический луч по любой траектории, однако его применение ограничено сложной оптико-механической конструкцией, и уже при малых величинах угла поворота подвижной линзы происходит ухудшение качества оптического изображения из-за возникновения в линзах нецентрированных аберраций [1]
Известен способ сканирования, основанный на применении кулачка, задающего закон сканирования, и механически связанного с ним плоского зеркала, совершающего одновременно два движения: качание по вертикали строчная развертка и медленное вращение в горизонтальной плоскости кадровая панорамная развертка. Этот способ сканирования позволяет развертывать оптический луч по любой траектории, однако требует сложной механической конструкции для реализации одновременно двух движений зеркала и при относительно малых амплитудах траектории развертывания обладает низким быстродействием [2, с. 303-304]
В качестве прототипа выбран способ развертывания оптического луча раздельным поворотом двух оптических клиньев вокруг оптической оси оптического прибора, параллельной развертываемому лучу [2, с. 227-230] Этот способ позволяет развертывать оптический луч по любой траектории и, в частности, по одной из следующих: розеточной, спиральной, циклоидальной, круговой и строчной, каждая из которых может быть получена только при определенном отношении скоростей вращения оптических клиньев W₁/W₂, где W₁, W₂ угловые скорости, соответственно, первого и второго клина. Текущие координаты точки изображения в общем случае для этого способа развертывания оптического луча по любой траектории описывают соотношениями:

где A₁, A₂ отклонение лучей элементами сканирующего устройства;
W₁, W₂ угловые скорости элементов.

Такой способ развертывания оптического луча реализуется в простой и компактной оптико-механической конструкции, однако требует больших углов поворота оптических клиньев для обеспечения развертывания оптического луча по любой траектории, в том числе и для малых амплитуд развертки. Это легко доказывается при подстановке в соотношения (1) конкретных значений координат точки изображения, например, определив для простоты A₁=A₂=A и выбрав две точки с угловыми координатами на траектории развертывания (X γ, Y=0) и (X' -g, Y' 0), получаем, что для перехода развертываемого луча из одной точки в другую оптические клинья должны вращаться в соответствии со следующим выражением:

что говорит об изменении направления вращения оптических клиньев на противоположное независимо от величины координат точки или амплитуды траектории развертывания. Этот фактор резко снижает быстродействие развертывания оптического луча данным способом и сокращает область его применения.

Задачей предложенного способа развертывания оптического луча является уменьшение углов поворота оптических клиньев при одновременном обеспечении развертывания оптического луча по любой траектории.

Задача решается тем, что в известном способе развертывания оптического луча путем раздельного поворота двух оптических клиньев вокруг параллельной ему оси, ребра оптических клиньев предварительно ориентируют непараллельно друг другу, и угол поворота одного из оптических клиньев определяют из соотношения:
F₁ = K₁A2x

-A_x(K₂+K₃A2x)+K₄A_yA2x, (3)
а угол поворота другого оптического клина определяют из соотношения:
F₂ = K₅A2y-A_y(K₆+K₇A2y)+K₈A_xA2y, (4)
где K₁, K₈ коэффициенты, определяемые оптическими характеристиками каждого из клиньев;
F₁, F₂ угол поворота оптического клина относительно исходного состояния (рад.);
A_x, A_y приращения угловых координат луча на траектории развертывания (рад.).

Предварительное ориентирование ребер оптических клиньев непараллельно друг другу позволяет уменьшить углы поворота оптических клиньев, а раздельный поворот их вокруг оси, параллельной развертываемому оптическому лучу, на углы, определяемые из соотношений (3), (4), обеспечивает развертывание оптического луча по любой траектории.

Способ развертывания оптического луча путем раздельного поворота двух оптических клиньев вокруг параллельной ему оси поясняется фиг. 1, 2 и таблицей.

На фиг. 1 показано устройство реализации способа развертывания оптического луча, включающее источник излучения 1, например лазер, два оптических клина поз. 2, 3, укрепленных каждый в своей оправе 4, 5, кинематически связанной с электродвигателем 6, 7, электрически связанным с источником питания 8, 9, размещенные в едином корпусе 10. На фиг. 2 показана конструкция оптического клина, с помощью которого реализован способ развертывания оптического луча и получены конкретные законы поворота оптических клиньев вокруг оси, параллельной развертываемому лучу.

Способ развертывания оптического луча путем раздельного поворота двух оптических клиньев вокруг параллельной ему оси осуществляется следующим образом (фиг. 1): оптический луч от какого-либо источника излучения 1, например лазера, попадает на поверхность первого по ходу луча оптического клина 2 и последовательно преломляется им и вторым оптическим клином 3, укрепленными каждый в своей оправе 4, 5, кинематически связанной с электродвигателем 6, 7, электрически связанным с источником питания 8, 9, размещенными в едином корпусе 10. Оптические клинья предварительно повернуты друг относительно друга вокруг оси, параллельной развертываемому оптическому лучу на угол, отличающийся от 0 и 180 град. что обеспечивает непараллельность их ребер, и развертываемый оптический луч образует с оптической осью угол, разлагающийся на две составляющие: меридиональную и сагиттальную, величина которых определяется углом предварительного поворота оптических клиньев друг относительно друга, а приращения к ним (A_x, A_y) для получения требуемой траектории луча обеспечивают величиной и фазой электрического сигнала, поступающего от источников питания на электродвигатели, поворачивающие через кинематическую связь оптические клинья в оправах вокруг оси, параллельной развертываемому оптическому лучу на углы, определенные из соотношений (3), (4).

В качестве примера конкретной реализации способа развертывания оптического луча путем раздельного поворота двух оптических клиньев вокруг оси, параллельной развертываемому оптическому лучу, предлагаются два идентичных оптических клина, выполненные склеенными из двух (для улучшения качества изображения), ребра которых предварительно повернуты на 90^o друг относительно друга, угол отклонения оптического луча каждым оптическим клином составляет 15^o, причем после предварительного поворота ребер оптических клиньев друг относительно друга на 90^o (исходное состояние), развертываемый оптический луч после последовательного преломления оптическими клиньями образует с меридиональной и сагиттальной плоскостями углы соответственно: A_xu 15^o, A_yu -15^o, и в телесном угле величиной 3^o, образованном вокруг этого луча, может быть получена любая траектория для развертываемого оптического луча. Конструктивные данные оптических клиньев представлены на фиг. 2.

Благодаря возможности задания в разделе нецентрированных систем программы расчета оптических систем "САРО" ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова" оптических клиньев и величин углов их поворота, были получены численные значения зависимости приращения угловых координат развернутого оптического луча от углов поворота оптических клиньев для четырех направлений развертывания: параллельно оси OY (A_x=0), параллельно оси OX (A_y=0) и параллельно осям, наклоненным к оси OY на -45^o. (A_x=A_y) и на +45^o (A_x=-A_y). Численные значения результатов расчета сведены в таблицу. Аппроксимацией этих данных образованы следующие соотношения для углов поворота оптических клиньев в зависимости от требуемого приращения угловых координат развертываемого оптического луча на траектории развертывания:

где F₁, F₂ угол поворота оптического клина относительно исходного состояния (в радианах);
A_x, A_y приращения угловых координат оптического луча на траектории развертывания (в радианах).

Полученные соотношения позволяют рассчитывать углы поворота оптических клиньев, требуемые для обеспечения заданных угловых координат развернутого оптического луча в телесном угле величиной 3^o с погрешностью не более 9% причем величина погрешности может быть снижена уточнением коэффициентов K₁ K₈ или введением в каждое из соотношений членов с A_x, A_y более высоких порядков.

При проверке условия перехода развернутого оптического луча из точки с угловыми координатами (X = γ, Y=0) в точку (X′ = -γ, Y'=0) подстановкой в соотношения (1) и (3), (4), получаем для прототипа выражение (2), в котором угол поворота оптического клина (W₁t) не зависит от величины угловых координат γ и -γ. При подстановке тех же координат в соотношения (3), (4) получаем следующие значения углов поворота оптических клиньев:
для точки (X= g, Y=0):

и для второй точки (X′ = -γ Y'=0):

что углы поворота клиньев уменьшаются с уменьшением угловых координат луча на траектории развертывания. Это позволяет утверждать, что в заявляемом способе развертывания оптического луча путем раздельного поворота двух оптических клиньев вокруг параллельной ему оси, решена задача уменьшения углов поворота оптических клиньев при одновременном обеспечении развертывания оптического луча по любой траектории.

Использование: оптическое приборостроение. Изобретение позволяет уменьшить углы поворота оптических клиньев при одновременном обеспечении развертывания оптического луча по любой траектории. Сущность изобретения: в способе развертывания оптического луча раздельно поворачивают два оптических клина вокруг параллельной развертываемому оптическому лучу оси, ребра оптических клиньев предварительно ориентируют непараллельно друг другу, и угол поворота каждого из оптических клиньев определяют из соответствующих соотношений. 2 ил., 1 табл.

Способ развертывания оптического луча путем раздельного поворота двух оптических клиньев вокруг оси, параллельной развертываемому лучу, отличающийся тем, что их ребра предварительно ориентируют не параллельно друг другу, и угол поворота одного из оптических клиньев определяют из соотношения
F₁ = K₁A2x

-A_x(K₂+K₃A2x)+K₄A_yA2x,
а угол поворота оптического клина определяют из соотношения
F₂ = K₅A2x-A_y(K₆+K₇A2y)+K₈A_xA2y,
где К₁ К₈ коэффициенты, определяемые оптическими характеристиками каждого из клиньев;
F₁, F₂ угол поворота соответствующего оптического клина;
A_x, A_y приращения угловых координат луча на траектории развертывания соответственно к сагиттальной и меридиональной составляющим угловых координат развертываемого луча, рад.