Голографическое сканирующее устройство (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК G02B26/08 

где X - абсцисса границы К-го штриха на развертке рабочей поверхности сканирующего элемента;

ордината границы К-го штриха; 1,2,3, ... - индекс штриха; длина волны излучения;

радиус цилиндрической поверх ности сканирующего элемента;

угол падения излучения на

рабочую поверхность сканируй; щего элемента;

радиус кривизны цилиндрического зеркала;

длина линии сканирования.

1. Голографическое сканирующее устройство, содержащее источник когерентного излучения, анаморфотную оптическую систему и голографический сканирующий элемент с приводом вращения, отличающееся тем, что,с целью повышения разрешающей способности и расширения функциональных возможностей путем обеспечения двухкратного сканирования за один оборот сканирующего элемента по Участку окружности радиуса R в пределах угла 0 п/6, сканирующий элемент выполнен в виде кругового цилиндра с отражательной дифракционной решеткой, выполненной на боковой поверхности, при этом профиль границы К-го щтриха дифракционной решетки определяется из соотношения (/6гl - k -Й6ln(:г/6p), где X - абсцисса границы К-го штриха на развертке рабочей поверхности сканирующего элемента; Z - ордината границы К-го штриха; К 1,2,3, ... - индекс штриха; Л - длина волны источника излучения; г - радиус цилиндрической поверхности сканирующего элемента, а анаморфотная оптическая система установлена на фокусном расстоянии от рабочей поверхности сканирующего элемента главным сечением перпендикулярно образующей цилиндра, при этом сканируемый участок окружности и образующая цилиндрической поверхо S ности принадлежат одной плоскости. 2. Голографическое сканирующее устройство, содержащее источник коС герентного излучения, анаморфотную оптическую систему и голографический сканирую ций элемент с приводом вращения, отличающе еся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и расширения функциональных возможностей, оно дополнительно снабжено щелевой диафрагмой, установленной в фокальной плоскости анаморфотной оптической системы, и вогнутым цилиндрическим зеркалом, центр кривизны которого лежит на одной линии с отверстием диафрагмы, образующей цилиндрической поверхности сканирующего элемента и линией сканироваиия, при этом профиль границы К-го штриха дифракционной решетки определяется из соотношения Ч-|гК1,Хсо5 у t KV- k-ilioih у . -1г;/2ит,

Изобретение относится к оптикомеханическому приборостроению, в частности к оптическим сканирующим устройствам, и может быть использовано в устройствах для записи, считывания, преобразования и отображения информации. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и рас ширение функциональных возможностей На фиг. 1 представлена .схема гол графического сканирующего устройства по первому варианту; на фиг. 2 то же, по второму варианту; на фиг. 3 - развертка рабочей поверхности сканирующего элемента. Сканирующее устройство (фиг. 1) состоит из источника 1 когерентного излучения, анаморфотной оптической системы 2, голографического сканирующего элемента 3 с цилиндрической рабочей поверхностью и привода 4 его вращения. Рабочей поверхности сканирующего элемента придается стр тура оптической дифракционной решет ки, в которой распределение штрихов соответствует распределению зон в осевом сечении зонной пластинки. Фре неля. Главное сечение анаморфотной оптической системы 2 ориентируется перпендикулярно одному из положений 5 образующей рабочей поверхности, лежащему в фокальной плоскости анаморфотной системы 2. Круговая бинарная зонная пластин ка Френеля имеет структуру с чередо ванием прозрачных и непрозрачных кольцевых зон (зон Френеля), границы которых для параллельного пучка све определяются выражением где К 1,2,3, ... - индекс К-й зоны;г - радиус К-й зоны; F - фокусное расстояние зонной пластинки (первого дифрак,ционного максимума); Д - длина волны излучения, используемого для освещения пластинки. В декартовых координатах X, У при одстановке r) , где Х., асстояние от центра координат (совпадающего с центром зонной пластинки) до границы К-й зоны, выражение (1) имеет вид . (2) Для цилиндрических зонных пластиок распределение зон Френеля опрееляется из (2) как . Падающий на рабочую поверхность пучок световых лучей является параллельным в плоскости Р, оптическая ось анаморфотной оптической системы перпендикулярна ее фокальной плоскости, а следовательно, перпендикулярна и образующей рабочей поверхности, лежащей в фокальной плоскости анаморфотной оптической системы. На плоскости Р выбирают декартову систему координат ОХУ так, чтобы ось ОХ проходила через образующую рабочей поверхности, лежащую в фокальной плоскости анаморфотной оптической системы. Траектория сканирования, лежащая в плоскости Р, описываемая параметрическим уравнением

Х Х(об)

(4) У У(об)

об - угловое положение сканируюгдещего элемента.

На развертке рабочей поверхности сканирующего элемента в фокальной плоскости анаморфотной оптической системы выбирают систему координат OXZ так, чтобы X -X, а Z rci , где г - радиус цилиндрической поверхности сканирующего элемента. Выражая из (5) oi и делая подстановку в (4) , получают х X(Z/r) У y(Z/r) На основании (6) в плоскости систеМЫ координат OXZ профиль границы К-й полосы (штриха) дифракционной решетки описывается как iU;2b- KMji jr)(zjr) (7) где К 1,2,3, ... - индекс полосы; 0-Z 2irr; Е - длина сканирующего элемента Зависимость (7) непосредственно получается из формулы (3). Координаты Х(/(), У(/г) эквивалент ны начальному смещению Х и фокусно му расстоянию F исходной зонной пла тинки Френеля, которая обеспечивает фокусировку луча в линию, перпендикулярную плоскости Р и пересекающую ее в точке с координатами X(Z/r), y(Z/r). В голографическом сканирующем ус ройстве в системе координат ОХУ тра ектория сканирования представляет собой участок окружности радиуса R (фиг. 3) и описывается параметричес КИМ уравнением X R sin В У R cos В

За один оборот сканирующего элемента сфокусированный в линию световой луч дважды с линейной скоростью перемещается по поверхности сканирования в пределах углаО й - .

Из указаннь1х условий

Р 06/6 , j(9) /Ь ()/6 .

Так как , то из (8) и (9) для получают х R sin (Z/6r) У -R cos (Z/6r) откуда в соответствии с (7) на развернутой в плоскости системы координат OXZ поверхности сканирующего элемента профиль границ штрихов дифракционной решетки определяется как ((/6) , (11) где К 1,2,3, ... ;. . Аналогичная структура получается ина участке I (в этом случае в уравнении (7) согласно (2) и (6) заменяется на Z-7r). Голографическое сканирующее устройство (фиг. 2) содержит источник 1 когерентного излучения, анаморфотную оптическую систему 2, голографический сканирующий элемент 3 с цилиндрической рабочей поверхностью и привод А его вращения. Рабочая поверхность сканирующего элемента имеет образующую 5. Сфокусированный луч сканирует по траектории 6. Для фокусировки сканирующего светового луча до дифракционно-ограниченных точечных размеров в устройство дополнительно введены щелевая диафрагма 7, установленная в фокусе анаморфотной оптической системы 2, и вогнутое цилиндрическое зеркало 8, центр кривизны которого лежит на одной линии с отверстием диафрагмы 7, одним из положений образующей рабочей поверхности 5 и траекторией 6 сканирования. Для нормальный работы зонной пластинки в случае наклонного падеПИЯ параллельного пучка лу-чей границы зон Френеля должны рассчитыват ся так, чтобы оптическая разность хода между световым пучком, проходя щим через центр зонной пластинки , и пучком, проходящим через границу К-й зоны Френеля, составляла бы -у К. В устройстве фокусное расстоя ние F для любого участка структуры дифракционной решетки принимается равным удвоенному значению радиуса кривизны Rj цилиндрического зеркала В этом случае в плоскости системы координат OXZ профиль границы К-го штриха- дифракционной решетки описывается следующим образом Ь U2KR,,co jj4--K i --Kft5;ny)/co5y-x( За один оборот сканирующего элемен та луч света один раз с линейной, скоростью перемещается по траектории сканирования. В соответствии с предъявляемыми требованиями при из менении (S6 от О до 21i значение Z должно меняться от О до /Т г, а X - от О до L. Откуда 1 где L - длина траектории сканирования. Профиль границ штрихов дифракционной решетки на основании форму лы (12) X .KR,, cosy-b KV- lcA ein Jf cos , Устройство по первому варианту работает следующим образом. Световой луч от источника 1 изл чения, проходя через анаморфотную оптическую систему 2, фокусируется в узкую световую линию, лежащую на рабочей поверхности сканирующего э мента и совпадаюшую с одним из тек щих положений 5 ее образующей. Дал испытывая дифракцию на рабочей поверхности, световой луч отклоняетс на некоторый угол и фокусируется в направлении сканирования в узкую с товую линию (что обеспечивается фо сирующ1тм свойством участков оптической решетки), При вращении сканирующего элемента 3, на решетке которого варьируются только начальные смещения, световая линия перемещается по участку окружности радиуса R. Если же структура решетки такова, что варьируются только фокусные расстояния указанных участков оптической решетки, то световая линия перемещается уже в направлении, перпендикулярном положению траектории 5. В общем случае при изменении как фокусных расстояний, так и начальных смещений указанных участков оптической решетки можно осуществлять двухмерное сканирование. Устройство по второму варианту работает следующим образом. При наклонном (по отношению к оси вращения сканирующего элемента) падении светового луча последний, пройдя диафрагму 7 и отразившись от цилиндрического зеркала 8, фокусируется в узкую световую линию на рабочей поверхности сканирующего элемента 3, испытывает дифракцию и, повторно отразившись от цилиндрического зеркала 8, попадает на плоскость сканирования. В направлении, перпендикулярном направлению сканирования, световой луч фокусируется на линии, проходящей через отверстие диафрагмы 7 и одно из положения 5 образующей рабочей поверхности, в дифракционно ограниченную точку. Вращение сканирующего элемента обеспечивает последовательную засветку различных участков дифракционной структуры ,элемента, соответствующих различным углам отклонения светового луча и положениям светового пятна на линии 6 сканирования. Предлагаемое устройство обеспечивает высокое качество фокусировки светового луча, так как для фокусировки в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, применено простое в изготовлении цилиндрическое зеркало, без искажений переносящее изображение отверстия диаф1рагмы на рабочую поверхность и повторно воспроизводящее изображение засвеченного участка на плоскости сканирования. Использование объективного сканирования также положительно влияет на качество фокусировки (в направлении сканирования).

Сканирующий элемент может быть выполнен также в форме конуса и однополостного цилиндра. Голографическая структура сканирующего элемента может быть получена оптическим интерференционным методом либо синтезирована, с помощью вычислительной машины.

Повышение разрешакяцей способности обеспечивается тем, что размер апертуры в направлении сканирования, равный в данном случае длине фокусируемой на рабочей поверхности световой линии, ограничивается только длиной образующей рабочей поверхности, которую можно сделать существенно большей радиуса сканирующего элемента. Увеличивая длину сканирующего

элемента и используя при этом больший размер апертуры в направлении сканирования, можно повысить разрешающую способность, сохранив при этом прежний диаметр сканирующего элемента, а следовательно, оставив неизменным скорость его вращения и частоту сканирования.

Предложенная структура оптической решетки на рабочей поверхности сканирующего элемента обеспечивает сложный характер развертки светового луча, что расширяет функциональ-ные возможности устройства. Применение оптической решетки с иной структурой, рассчитанной по описанной методике, позволяет производить сканирование по произвольной траектории.