Оптическое сканирующее устройство Советский патент 1990 года по МПК G02B26/10 

,(46) 30.08.90. Бюп. № 32

(21)А052200/24-10

(22)10.03.86

(71)Институт электроники АН БССР-

(72)В. Н. Ильин.

(53)621.396.965(088.8)

(56)Патент Великобритании If 1А00253, кл. G 01 В 11/08, 1975.

Авторское свидетельство СССР № 1241063, кл. G 01 В 11/02, 1985,

(54)ОПТИЧЕСКОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

(57)Изобретение относится к оптико- механическим (Системам развертки с дифракционными решетками сканирования объектов лучом. Цель изобретения - повьшение точности скащ1рования за счет повьшекия чувствительности, схемы на сопряженных дифракционных решетках к углу поворота сканнрукяцего элемента. В устр-ве меяиу сканатором 17 и дифракционной решеткой 12 размещен

. блок 11 призм, выполненный в виде призмы-куба, с двумя гранями которой соединены две призмы АР-90 , а грань одной из зтих призм состыкована с третьей пркзмой АР-90 . Блок I1 фор- ьирует два пучка, сканирующие решетку

12 в противоположных направлениях. Возникающие при этом комбинированные полосы считываются фотоэлементами 1.4 и 16. Решетка 12 установлена с возможностью перемещения по нормали к своим штрихам, осуществляемого двигателем 19 по сигналу со схемы управления 18. Между решеткой 12 и третьим фотоэлементом 6 введена третья линза 15. 2 ил.

л

4

00 00 00

Изобретение относится к оптике, а именно к оптике-механическим системам развертки с дифракционными решетками сканирования объектов пучом, Цель изобретения - .повышение точности сканирования, за счет повышения чувствительности схемы на сопряженных дифракционных решетках к. углу поворота сканирующего . элемента. 10

Цель изобретения достигается тем, что в устройство, содержащее лазер, светоделительную пластину, образующую два канала, в ходе прошедшего через светоделительную пластину луча |5 последовательно установлены первый., коллиматор, первое и второе плоские

зеркала, установленные под углом 45 к Оптической оси, первая линза, вый фотоэлемент, а в ходе отраженно- 20 го от светоде.лительной пластины луча - второй коллиматор, первая дифракционная решетка, бипризма, вторая дифракционная решетка, вторая линза, второй фотоэлемент, сканатор, уста-.. 25 новленный с возможностью перекрытия обоих каналов между бипризмой и второй дифракционной решеткой, схему сравнения, подключенную к выходам . фотоэлементов обоих каналов, а вьгхо- зо ды схемы сравнения соединень со счетчиком, введены блок призм, третья линза, третий фотоэлемент, двигатель, схема управления, выход схемы управления связан с двигателем, а вход - - с третьим фотоэлементом, который ус- тацовлен после вто рой дифракционной решетки, а сама дифракционная решетка имеет возможность перемещаться по нормали к своим штрихам и связана дд с двигателем.

На фиг, 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - три проекции блока призм и ход лучей в нем.д5

Оптическое сканирующее устройство содержит лазер 1, светоделительную пластину 2, делящую поток на два канала, В первом канале в ходе прошедшего через светоделительную пластину ,- луча последовательно установлены первый коллиматор 3, первое 4 и второе 5 плоские зеркала, установленные под углом 45° к оптической оси, первая линза 6, первый фотоэлемент 7. Во втором канале в ходе отраженного от светоделительной гитастины луча установлены второй коллиматор 8, первая дифракционная решетка 9, би.призма 10

блок призм И, вторая дифракционная решетка 12, вторая линза 1.3, второй фотоэлемент 14, третья линза 15, третий фотоэлемент 16, сканатор 17, установленный между бипризмой и второй дифракционной решеткой с возможностью перекрытия обоих каналов, схема управления 18, выход которой связан с двигателем 19, схема сравнения 20, один вход которой соединен с выходом первого фотоприемника 7, а второй - с выходом второго фотопрйемника 14, счетчик 21, контролируемый объект 22

На фиг. 1 указаны скорость сканирования VP, скорость движения второй дифракционной решетки Va, угловая скорость вращения сканатора ы , начальный сканирующий пучок лучей А.

Устройство работает следующим образом.

Пучок лучей от лазера 1 разделяется светоделительной пластинрй 2 на два пучка лучей равной интенсивности, обра-зуя при этом два канала. В ходе прошедшего через светоделительную пластину пучка лучей последовательно установленные первое 4 и второе 5 плоские зеркала, установленные под углом 45 к оптической оси, направляют , пучок лучей на сканатор 17. При своем вращении сканатор 17 преобразует падающий на него неподвижный луч и сканирует контролируемый объект 22 луч лересекает последовательно соответствующие границы контролируемого объекта 22 и фокусируется первой линзой 6 на первый фотоэлемент 7. В ходе отраженного от .светоделительной пластины 2 пучка лучей во втором канале последовательно установленный второй коллима.тор 8 освещает первую дифракционную решетку 9.

Дифрагированньщ после первой дифракционной решетки 9 пучок лучей поступает на бипризму 10, пучок дифрагированных лучей после бипризмы 10 направляется на сканирующий элемент 17 и далее на блок призм И, выполненный из комбинации призьы-куба и трех призм АР-90°. Комбинация этих призм формирует два пучка, которые освещают вторую дифракционную решетку 1 2 и сканируют ее в противополож- Hbix направлениях. Один из пучков А , вышедших из блока призм 11 после второй дифракционной решетки 12, попадает на вторую линзу 13 и далее фокусируется на втором фотоэлементе 14, а

другой пучок А, вьппедший из блока призм 11, - на третью линзу 15 и фокусируется на третьем фотоэлементе 16,t

Преломляющий угол S бипризмы 10 связан с шагом Р первой дифракционной решетки 9 и расстояние g между первой 9 и второй 2 дифракционными решетками и величиной коррекции L первого дифракционного максимума следующим соотношением: Q arcsin (Д/р) - a.rctg (L/g) (n-l), В результате взаимодействия обоих пучков А и А с второй дифракционной решеткой 12 возникают комбинированные полосы, которые считываются соответственно вторым 1А и третьим 16 фотоэлементами. Синусоидальные сигналы с третьего фотоэлемента 16 преобразуются схемой управления 18 в широтно-моду- лированные имлульсы и поступают в обмотки двигателя 19, который приводит вторую дифракционную решетку 2 в движение, равномерное и прямолинейное по нормали к своим штрихам,.

Сканирующий дополнительный пучок А , вторая дифракционная решетка 12, движущиеся комбинационные полосы, третья линза 15, третий фотоэлемент 16,схема управления 18 и двигатель 19, механически связанньй с второй дифракционной решеткой 12, образуют замкнутую самонастраивающуюся систе- Nty, выход третьего фотоэлемента 16 связан с входом с хемы управления 18, Такая система обеспечивает поддержание постоянной заданной скорости перемещения второй дифракционной решетки V а относительно скорости сканирования Vj. дополнительного луча.

Любое изменение V вызовет рассогласование в управляющем ШИМ-сигна- ле, которое приведет к эквивалентному изменению Vn, при этом отношение VJ/YC const. Этим достигается синг- хронизация УС и Va, В зависимости от Voпpи постоянной и) возможны три основных состояния комбинационных полос снимаемых с фотоэлемента 16,

,1) V С УС 2) V VcH 3) Vj Vc.

В первом случае скорость движения полос меньше, чем если бы V О, во втором - движение полос отсутствует, или, точнее, картина находится в ди- .намическом состоянии покоя, в третьем случае полосы движутся, направление

их меняется на противоположное (относительно первого случая), а скорость может в несколько раз превзойти V,

Если направле1шя движения второй решетки 12 и дополнительного луча всегда совпадают, а это основное условие устойчивости системы, для основного луча направление движения решетки 12 всегда встречно.

Обозначив путь S., проходимый дополнительным лучом по второй решетке 12, за единицу угла поворота сканато- ра 17, а путь So пройденный решеткой, 12 -перемещаемой двигателем 19, за тот же угол поворота, получим величину Sn относительного смещения луча

So

Sc +

20

Второй фотоэлемент 14 зарегистрирует на единицу угла во столько раз больше комбинационных полос, чем в схеме прототипа с неподвижной решет

во сколько

Чем выше V

Ц)

кой,

тем больше S и тем вьпие чувствител - ность v устройства к угловому смещению сканатора 17

Tf (S( + Sc)/Sc Импульс фототока с первого фотоэлемента 7 длительностью, пропорциональной .раз меру контролируемого объекта 22, поступает ка первый вход

cxeiAi сравнения 20. На второй вход

схемы сравнения поступает импульс с выхода второго фотоприемника 14. Выход схемы сравнения 20 соединен со счетчиком 21, в-который поступает

пачка импульсов, число крторьгх .про-;- порционально длительности импульса, снимаемого с первого фотоэлемента и, соответственно, размеру сканируемого объекта 22,.

При угле поворота сканатора 17 на 45 происходит срезание пучков, наступает зона мертвого хода, В этот отрезок времени двигатель 19 возвращает вторую решетку 12 в исходное (для фиг. 1) крайнее левое положение. При повторном появлении пучка лучей на новых гранях вновь наступает упр.авляемый режим движения второй решетки и процесс измерения объекта

повторяется.

Формула изобретения Оптическое сканир тощее устройствЬ, содержащее лазер, установленную за ним светоделительную пластину, обра™

зующую два канала, в первом из которых в ходе прошедшего через нее луча последовательно установлены первый коллиматор, два плоских зеркала под .углом АЗ к оптической оси, первая линза, первый фотоэлемент, а в ходе отраженного от нее луча - во втором канале - второй коллиматор, первая дифракционная решетка, бипризма, вторая дифракционная решетка, вторая линза, второй фотоэлемент, сканатор, установленный с возможностью перекры тия обоих каналов, между бипризмой и второй дифракционной решеткой, схе- му сравнения, подключенную к выходам фотоэлементов обоих каналов, а выход cxet«4 сравнения соединен со счетчи-. ком, отличающееся .тем.

фие-1

что, с целью повышения точности, в него введены блок призм, третья линза, третий фотоэлемент, двигатель и схема управления, выход которой связан с двигателем, третья линза и третий фотоэлемент, связанный с входом схемы управления, установлены после второй дифракционной решетки, блок призм, выполненный в виде призмы-куба, с двумя гранями которой соединены две призмы АР-ЭО, а грань одной из этих призм состыкована с третьей призмой , установлен между ска- натором и второй дифракционной решеткой, причем вторая дифракционная решетка выполнена с возможностью перемещения по нормали к своим штрихам и механически связана с двигателем.

htf.Z