Голографический дефлектор Советский патент 1992 года по МПК G02B26/10 

Предлагаемое изобретение относится к технике сканирования лазерного пучка с помощью голографических оптических решеток, генерированных компьютером.

Оно может быть использовано для управления положением и фокусировки лазер- ного пучка, например, в лазерных устройствах считывания штриховых кодов товарной продукции, лазерных принтерах, дисплеях, оптических камерах со сканированием изображения.

Известны лазерные сканирующие устройства, которые используют вращающиеся голографические оптические решетки, Сканирующее устройство содержит отклоняющие интерференционные решетки, расположенные на прозрачных дисках в непосредственной близости одна от другой и находящиеся в параллельных плоскостях.

Шаг интерференционных решеток постоянный. Обычно решетку делят на четыре равных сектора, в каждом из которых линии решетки параллельны. Сканирующее средство содержит также средства для синхронного вращения диска вокруг параллельных осей в противоположных направлениях Пучок лазера проходит через решетки перпендикулярно каждой из них и осуществляет линейное сканирование экрана. Недостатком такого лазерного сканирующего устройства является необходимость использования дополнительной оптики для фиксирования лазерного пучка и нелинейная зависимость положения лазерного пучка в плоскости экрана от угла поворота интерференционных решеток 1.

Известны также лазерные сканирующие устройства, содержащие вращающиеся

VI О

N

S

голограммы, генерированные компьютером, с пространственно изменяемой частотой, обеспечивающие безизгибное (прямолинейное) сканирование лазерного пучка 2.

Такие сканирующие устройства содержат прозрачный диск, на котором нанесена оптическая решетка. Решетка помещена так, что часть ее освещается лазерным пучком. Сканирующее устройство содержит также средство для вращения диска вокруг оси таким образом, что пучок света освещает различные элементарные участки голограммы. Голограмма генерирована компьютером и имеет структуру, характери- зуемую нелинейным распределением расстояний между полосами в направлении радиальном относительно оси вращения решетки и тангенциальном относительно направления вращения. При вращении лазерного диска пучок, проходящий через голограмму, отклоняется на угол, пропорциональный углу поворота диска. При этом для того, чтобы обеспечить коррекцию аберраций сканирующего лазерного пятна между диском и плоскостью сканирования размещена дополнительная оптика.

Рассмотренные сканирующие устройства, содержащие вращающиеся диски с различными конфигурациями голографиче- ских оптических решеток, либо не обеспечи- ваются прямолинейной траектории сканирования, либо требуют вспомогательной оптики для коррекции аберраций скани- рующего лазерного пятна. Наиболее близким по технической сущности заявляемого изобретения является выбранный в качестве прототипа голографический сканере фокусировкой пучка, не требующий при этом вспомогательной оптики и осуществ- ляющий безизгибное плоское сканирование лазерного пучка 3. Лазерный сканер содержит плоский прозрачный диск, разделенный на целое число секторов. В каждом из секторов в кольцевой зоне помещена го- лограмма, сктуктура которой симметрична относительно оси симметрии каждого сектора. Голографический сканер содержит также источник света с длиной волны AI, пучок которого через линзу попадает на уча- сток голограммы перпендикулярно поверхности диска. Нанесенные на диске голограммы представляют собой гологра- фические линзы, интерференционные картины которых удовлетворяют уравнению

(2я/Шг(п)2 + Ро2)1/ -Fo +

+(r(n)2 + Fo2)1/2-Fr 27rn,(1)

где Fo, Fr - расстояние между точками, из которых выходят расходящаяся и сходящаяся сферические волны с голограммой; Яа - длина волны расходящейся сферической волны; п - целое число, г(п) - радиус интерференционной картины с центром, расположенным на пересечении прямой линии, соединяющей точки сходимости и расходимости, сферических волн и голограммы.

Значения F0 и Fr выбраны так, что обеспечивают формирование изображения на сканирующей поверхности на оптической оси при г(п) 0, но не удовлетворяют условию формирования изображения на сканирующей поверхности в области удаленной от оптической оси.

Рассмотренный голографический лазерный сканер обеспечивает фокусировку лазерного пуска без дополнительной оптики, корректирующей аберрации сканирующего лазерного пятна, однако траектория сканирования представляет собой некую кривую, минимальная погрешность отклонения которой от прямой линии достигается тем, что голограммы на диске располагают таким образом, чтобы для отношений (Хс - R)/F и R/F выполнялось условие

-0,15R/F + 0,7

-0,15R/F + 0,9,(2)

где R - расстояние от центра диска до точки падения лазерного пучка, Хс - расстояние от центра диска до точки голограммы, в котором г равно 0; F - фокусное расстояние голограммы.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности за счет уменьшения аберраций сканирующего лазерного пятна и уменьшение погрешности отклонения траектории сканирования от прямой линии.

Эта цель достигается тем, что кольцевые зоны голограммы выполнены как проекция на плоскость диска поверхности чередующихся темных и светлых сегментов сферической зонной пластинки, образованной в результате интерференции первой и второй расходящихся сферических волн, отстоящих от плоскости диска на расстоянии FO и Fr, где FO - радиус-поверхности сферической зонной пластинки, в центре которой размещен источник первой сферической волны, Fr - расстояние от источника второй сферической волны до поверхности сферической зонной пластинки вдоль линии соединяющей источники сферических волн, причем Fr FO, а также тем, что ось вращения диска располагается под углом к оптической оси оптического элемента, формирующего фронт расходящейся сферической волны,

На фиг. 1 приведена функциональная схема топографического дефлектора; на фиг, 2 - схема расположения двух точечных источников расходящихся сферических волн, обеспечивающих формирование сфе- рической зонной пластинки, и проекций сферических сегментов этой пластинки на плоскость, перпендикулярную оси, соединяющей точечные источники сферических волн А и В; на фиг. 3 - расположение голо- грамм на диске.

Голографический дефлектор (фиг. 1) содержит лазер 1, световой пучок 2 который направлен через оптический элемент 3 на прозрачный диск 4 с размещенными на нем синтезированными компьютером голограммами 5-10, механизм 11 для перемещения диска 4 относительно лазерного пучка 12 расходящейся сферической волны, формируемого оптическим элементом 3, причем ось вращения диска 4 расположена под углом к оптической оси оптического элемента. Направление вращения диска 4 и направление перемещения сканирующего пучка 13 обозначены соответственно 14 и 15,

Работает лазерное сканирующее устройство (фиг. 1) следующим образом. Лазерный пучок света 2 от лазера 1 проходит через оптический элемент 3, который в точке S формирует точечный источник света. Сферическая волна лазерного пучка 12, пройдя через голограмму, дифрагирует под углом Qd и фокусируется в плоскости сканирования,

При вращении диска 4 с помощью меха- низма 11 участки голограммы 5-10 с различной пространственной частотой последовательно предъявляются лазерному пучку 12 и вызывают повторяющиеся перемещения лазерного пучка 13 в плоскости сканирования в направлении указанном стрелкой 15.

Диск 4, перемещаемый относительно лазерного пучка 12 (фиг. 2), разделен на целое число секторов, в каждом из которых размещена голограмма 5-10. выполненная таким образом, что ее оптическая ось располагается на расстоянии Хс, большем чем средний радиус R голограммы диска. Голограмма представляет собой чередующиеся темные 16 и светлые 17 кольцевые зоны.

Кольцевые зоны 16 и 17 получены (см. фиг, 3) как проекции на плоскость голограммы 18 темных и светлых сегментов сферической зонной пластинки 19 для границ зон которых, оптическая разность хода двух точечных источников света расположенных в точках А и В, удовлетворяет уравнению

(Fr(n) + Fo) - Fr + Fo) nA/2,

где Fr, FO - расстояния соответственно от точечных источников света В и А до плоскости 18 вдоль прямой, соединяющей эти точечные источники, п - номер сферического сегмента, А - длина волны точечных источников света,

Выразив в уравнении (3) значение Fr(n) через г(п) и проекцию Fr{n) на ось АВ, представленную на фиг. 3 суммой Fr + h(n), no лучим

(Fr + h(n)}2 + r(n) - Fr п Я/2 (4) где r(n) - радиус границы n-й зоны сферического сегмента голограммы 18, относительно оси АВ.

Значение h(n) получим, решив уравнение

FKn)2 - ( Fr + h(n)2 F02 - (F0 - h(n)2, (5)

HM-fFKnr-Fr VWr+Fo)).

(6)

Подставив Fi{n), взятое из (З), получим h(n) (n AFr + n2 A /4)/(2.(Fr + Fo) (7)

С учетом уравнения (7) уравнение (4) теперь

выглядит так

15 2025

303540

45 50

55

(F2 +

nAFr + n2A2/4

2 ( Fr + Fo ) 1/2

)2 +

(8)

r(n)2 v

Уравнение 8 является условием формирования сферической зонной пластинки 18, проекции зон сферических сегментов которой на плоскость, перпендикулярную оси АВ, являются зернами голограммы, размещаемой на диске 4. Границы этих зон найдем при решении уравнения (8) относительно г(п).

f г( n Fr + n 2 А/г ) V2 (9)

AFC

+ FC

, ч Г А

(ТЪТ1Т2 П Fr + n2A/4)/2J2

Так как длина волны света много меньше как Fr, так и Fo, последним членом уравнения (9) можно пренебречь. Тогда радиусы границ кольцевых зон голограммы наносимой на диск 4, получаются равными г(п) - (nA FrFo + h2 A2F0/4)/ /(Fr+F0)1/2(10)

Использование голограммы, радиусы границ чередующихся темных и светлых кольцевых зон которых выполнены в соответствии с уравнением 10, позволяет уменьшить аберрации сканирующего лазерного пятна и увеличить разрешающую способность устройства.

Как известно, при восстановлении голограммы, интерференционная картина которой удовлетворяет уравнению (1), длиной волны большей, чем длина волны записи, фокусировка сканирующего пятна будет осуществляться на расстоянии b(r) определяемом из выражения

1/a+1/b(r)1/F(11)

где а - расстояние от точечного источника до плоскости голограммы, F- фокусное расстояние голограммы. Это условие соответствует формированию изображения на сканируемой поверхности вблизи оптической оси.

Увеличение развертки М для лазерных голографических устройств дискового типа может быть определено как

M b(tg#d)/R + 1/F(12)

где в соответствии с обозначениями, принятыми-на фиг. 1 и фиг. 2, #d - угол дифракции сканирующего пучка, b - рассточние от плоскости голограммы до плоскости сканирования, R - средний радиус голограмм 5-10, размещенных в секторах диска 4. Из этого уравнения следует, что большое увеличение можно получить, если дифракционный угол большой. В этом случае длинная линия сканирования может быть получена даже, если угол вращения диска и мал. При этом, как показано в описании патента устройства прототипа (3) в окрестностях некоторого дифракционного угла В в плоскости сканирования наблюдается коррекция аберраций лазерного пятна.

В предлагаемом техническом решении эта зона расширяется за счет того, что голограмму, формируемую от двух точечных источников на сферической поверхности, можно рассматривать как множество параллельных друг другу плоских зонных пластинок, у которых один и тот же фокус, но разные расстояния от источника сферических волн. Для этих зонных пластинок также будет выполняться соотношение (11). Однако, поскольку эти зонные пластинки сведены в одну плоскость, то для зонных пластинок, формирующих больший дифракционный угол, расстояние до источника сферических волн, освещающих голограмму, становится большим, а расстояние до плоскости формирования изображения меньшим. Благодаря этому достигается дополнительная коррекция аберраций сканирующего пятна, и, следовательно увеличение разрешающей способности лазерного сканирующего устройства.

Уменьшение погрешности отклонения траектории сканирования от прямой линии

достигается тем, что ось вращения диска повернута под небольшим углом к оптической оси оптического элемента, лежащем в пределах 1-2°. Экспериментальные исследования и компьютерный расчет погрешности отклонения траектории сканирования от прямой линии показали, что при одинаковой длине развертки отклонение траектории сканирования от прямой линии в три раза

меньше, чем погрешность отклонения, достигнутая в лазерном сканирующем устройстве (4), где ось вращения диска и ось оптического элемента параллельны. Формула изобретения

1. Голографический дефлектор, содержащий лазерный источник излучения, диск, разделенный на несколько секторов, выполненных в виде голограмм, записанных от двух сферических волн, одна из которых

расходящаяся, причем центр каждой голограммы расположен в плоскости диска, перпендикулярного к линии, соединяющей источники сферических волн, и смещен относительно центра диска, оптический элемент для формирования лазерного пучка расходящейся сферической волны, узел для перемещения голограмм относительно этого пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности за счет уменьшения аберраций сканирующего лазерного пятна, кольцевые зоны голограммы выполнены как проекции на плоскость диска поверхности, содержащей чередующиеся темные и светлые сегменты

сферической зонной пластинки, образованной за счет интерференции первой и второй расходящихся сферических волн, отстоящих от плоскости диска на расстояниях F0 и Fr, где FO - радиус поверхности сферической

зонной пластинки, в центре которой размещен источник первой сферической волны, Fr - расстояние от источника второй сферической волны до поверхности сферической зонной пластинки вдоль линии, соединяющей источники, при этом Fr F0.

2. Дефлектор поп. 1,отличающий- с я тем, что, с целью уменьшения погрешности отклонения траектории сканирования от прямой линии, ось вращения диска расположена под углом к оси оптического элемента.

r

s

Ч

Использование: техника сканирования лазерным пучком. Сущность изобретения: дефлектор содержит прозрачный диск с размещенными на нем голограммами, генерированными компьютером, оптический элемент для формирования лазерного пучка расходящейся сферической волны, узел для перемещения голограммы. Голограммы состоят из кольцевых зон, центр каждой из которых расположен в плоскости диска и смещен относительно центра диска. Кольцевые зоны выполнены как проекции на плоскость голограммы поверхности чередующихся темных и светлых сегментов сферической зонной пластинки, образованной в результате интерференции первой и второй расходящихся сферических волн, отстоящих от плоскости диска на расстоянии F0 и Fr, причем Fr Fo, где F0 - радиус поверхности сферической зонной пластинки, в центре которой размещен источник первой сферической волны, Fr расстояние от источника второй сферической волны до поверхности сферической зонной пластинки вдоль линии, соединяющей источники волн. s Ё

9и г 2

&