Сканирующее устройство Советский патент 1992 года по МПК G02B26/10 

СЛ

С

Использование: изобретение относится к оптико-механическим системам. Сущность изобретения: сканирующее устройство снабжено плоским зеркалом, выполненным с возможностью вращения вокруг оси, составляющей с нормалью к плоской поверхности зеркала острый угол, двумя неподвижными плоскими зеркалами, образующими двугранный угол, ребро которого перпендикулярно оси вращения, а также дополнительным плоским зеркалом, расположенным за вторым неподвижным плоским зеркалом, жестко связанным с плоским зеркалом и установленным под острым углом к нему. Сканирующее устройство может быть использовано в оптико-электронных измерительных системах. 5 ил.

Изобретение относится к оптико-механическим системам и может быть использовано в оптико-электронных измерительных приборах.

Известны сканирующие устройства, состоящие из вращающихся клиньев (см., например, Мирошников М.Н. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983, с. 104-106).

Однако эти устройства обладают хроматическими аберрациями, снижающими точность измерений.

Кроме того, такие устройства обладают селективностью пропускания по спектру, что не дает возможности использовать их в широком спектральном диапазоне с одновременной юстировкой в видимой области спектра.

Наиболее близким по технической сущности является сканирующее устройство,

содержащее плоское зеркало, установленное с возможностью вращения вокруг оси, составляющей с нормалью к плоскости зеркала острый угол, и два неподвижных плоских зеркала, образующих двугранный угол, ребро котороголерпендикулярнооси вращения, и установленных за плоским зеркалом (см., например, авторское свидетельство СССР № 1064261. кл. G 02 В 26/10. фиг. 5 настоящего описания). В этом устройстве заклоны вращающегося плоского зеркала, обусловленные угловой составляющей биения оси вращения в опорах (например, подшипниковых), приводят к угловому отклонению отраженного от него параллельного пучка лучей от номинального направления. Линейные смещения плоских зеркал, установленных в параллельном ходе лучей, не влияют на угловое положение отраженных лучей.

XI XI 00

2

о

Однако после прохождения неподвижных плоских зеркал и вторичного отражения от вращающегося плоского зеркала;

а)в плоскости, перпендикулярной ребру двугранного угла между неподвижными зеркалами, происходит компенсация этого отклонения и выходящий из системы пучок лучей распространяется по первоначальному направлению;

б)в плоскости, параллельной ребру двугранного угла между неподвижными зеркалами, величина этого отклонения удваивается.

Это обусловлено тем, что между прохождением вращающегося плоского зеркала в прямом и обратном ходе пучок лучей испытывает в случае а) два отражения, а в случае б) одно.

Однако угловое отклонение пучка от его номинальной траектории снижает точность сканирования, что для целого ряда оптико-электронных систем (например, пеленгаторов) приводит и к снижению точности измеряемых параметров (угловых координат, параметров движения и т.д.).

Результаты проведенного на ЭВМ ЕС1060 с помощью программы Сканер расчета угловых отклонений выходящего пучка от номинальной траектории сканирования при заклонах сканиирующего зеркала на величины Д; 10, Д/ 10 в пределах полного оборота оси вращения (тр 0°, 45°, 90°. 135°, 180°, 225°, 270°, 315°) подтверждают недостаток описываемой системы (см. табл.

2).

Для устранения указанного недостатка следует повысить точность и качество изготовления осевой системы вращающегося плоского зеркала. Однако возможности такого пути ограничены.

Целью изобретения является повышение точности сканирования без введения жестких допусков на изготовление осевой системы вращающегося плоского зеркала.

Цель достигается тем, что в устройство, 1 содержащее установленные по ходу луча плоское зеркало, выполненное с возможностью вращения вокруг оси, составляющей с нормалью к плоской поверхности острый угол, два неподвижных плоских зеркала, образующих двугранный угол, ребро которого перпендикулярно оси вращения, введено дополнительное плоское зеркало, расположенное по ходу луча за вторым неподвижным плоским зеркалом, жестко связанное с плоским зеркалом и установленное под острым углом к нему.

Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой совокупность существенных признаков, которые в сравнении с прототипом обладают новизной.

Использование в оптическом приборостроении плоских вращающихся и неподвижных зеркал известно (см., например, Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978, с. 207-219).

Однако использование в сканирующем устройстве, содержащем плоское зеркало, выполненное с возможностью поворота вокруг оси, составляющей с нормалью к плоской поверхности острый угол, и два неподвижных плоских зеркала, образующих двугранный угол, ребро которого перпендикулярно оси вращения, дополнительного плоского зеркала, расположенного по ходу луча за вторым неподвижным плоским зеркалом, жестко связанного с плоским зеркалом и установленного под острым углом к нему, является неизвестным техническим решением, т.к. придает ему новое свойство - нерэсстраиваемость, то есть практическое

устранение влияния биения оси вращения плоского и дополнительного плоского зеркал на угловое отклонение сканирующего пучка от его номинальной траектории, что обеспечивает повышение точности сканирования устройства без введения жестких допусков на изготовление осевой системы этих зеркал, а, следовательно, и повышение точности всего оптико-электронного устройства в целом.

Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.

Повышение точности сканирования достигается введением в известное устройство дополнительного плоского зеркала, расположенного по ходу луча за вторым неподвижным плоским зеркалом, жестко связанного с плоским зеркалом и установленного под острым углом к нему.

Предлагаемая совокупность существенных признаков по сравнению с прототипом позволяет компенсировать угловое отклонение выходящего пучка от номинальной траектории сканирования, вызванное биением оси вращения плоского и дополнительного плоского зеркал в опорах в любом направлении с помощью отражения от дополнительного плоского

зеркала, расположенного по ходу луча за вторым неподвижным плоским зеркалом, жестко связанного с плоским зеркалом и установленного под острым углом к нему, т.е. повысить точность сканирования.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект.

На фиг. 1 приведена оптическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2а,б - оптическая схема предлагаемого устройст- па при наличии угловых эаклонов вращающихся зеркал (оси вращения); на фиг. 3,4 - варианты оптических схем сканирующих устройств, построенных на базе предлагаемого устройства; на фиг. 5 - оптическая схема прототипа.

Предлагаемое устройство содержит (фиг. 1); плоское зеркало 1, выполненное с возможностью вращения вокруг оси 2, составляющей с нормалью к плоской поверхности острый угол; плоское дополнительное зеркало 3, жестко связанное с плоским зеркалом 1 и установленное под острым углом к нему; неподвижные плоские зеркала 4,5, образующие двугранный угол, ребро которого перпендикулярно оси вращения 2, и обеспечивающие падение лучей на дополнительное плоское зеркало 3.

Плоские зеркала 1,3 могут быть выполнены в виде стеклянного клина с зеркальными плоскими поверхностями. Осью вращения 2 может служить оправа зеркал 1 и 3, устанавливаемая в опоры вращения, например, подшипниковые.

Плоские зеркала 4 и 5 могут быть выполнены в виде плоскопараллельных пластин с зеркальными поверхностями, жестко соединенных между собой.

Таким образом, предлагаемые примеры реализации подтверждают осуществимость заявленного технического решения.

Устройство работает следующим образом.

Пучок параллельных лучей падает на зеркало 1, вращающееся вокруг оси 2, составляющей с нормалью к плоскости зеркала 1 острый угол/3 (порядка 1°), при этом ось падающего пучка лежит в плоскости, перпендикулярной ребру двугранного угла между зеркалами 4 и 5 (фиг. 1). Так как зеркальная поверхность зеркала 1 расположена под углом к оси вращения 2, то при отражении от нее падающего пучка он будет совершать вращательное движение по конической поверхности в направлении вращения оси 2. При этом максимальный угол у при вершине конуса составляет величину у 4/ . Далее, отразившись от зеркал 4,5, не меняющих текущий угол при вершине конуса, пучок параллельных лучей падает на зеркало 3, расположенное со стороны, противоположной зеркалу 1, и вследствие их жесткой связи также вращающееся вокруг оси 2, при этом направление вращения пучка совпадает с направлением вращения зеркала 3. Так как зеркало 3 установлено под острым углом е к зеркалу 1 (порядка

5 1-2. а направление его вращения совпадаете направлением вращения падающего на него пучка, отраженный от зеркала 3 пучок лучей будет описывать коническую поверхность с максимальным углом 2 (рта при вер0 шине:

(е-) 4Б

Рассмотрим влияние угловой составляющей биения оси вращения 2 на положение выходящего пучка. Линейная составляющая

5 биения оси вращения 2 приводит к парал- лельномусмещению пучка относительно номинального положения и не влияет на точность сканирования.

При заклоне оси вращения 2, а следова0 тельно, и зеркала 1 относительно оси Z на величину Дг (фиг. 2а) отраженный от него пучок лучей изменяет свое первоначальное угловое направление в плоскости XY, отклоняясь на величину 3ху 2Дг. Далее, отразив5 шись от зеркал 4,5,3, направление отклонения пучка должно измениться на противоположное (-2 Дг) из-за нечетного числа отражений в этой плоскости. Однако зеркало 3, как и зеркало 1, вследствие-их

0 жесткой связи, также заклоняется на величину Дг, изменяя отклонение пучка на величину 2 Дг и тем самым компенсируя угловое отклонение, вызванное заклоном зеркала 1. При заклоне оси 2. а, следовательно, и

5 зеркала 1 относительно оси Y на величину ДУ (фиг. 26) отраженной от зеркала I и неподвижных зеркал 4,5 пучок лучей изменяет свое первоначальное угловое направление в плоскости XY (5ibxy) и перпендикулярной

0 к ней (5i Xy) на величины, определяемые выражениями (см., например, Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение. 1968, с. 87-95)

0

5

dixy Д ysln2h

(D

5 где И - угол падения пучка на зеркало 1;

5ibxy 2 Ду1 -cosli(2)

Угловое отклонение пучка в плоскости XY, как следует из выражения (1), составляет очень малую величину и, следовательно, практически не влияет на точность сканирования. Например, при И 20°, Ду1 10, .

Зеркало 3 вследствие своего расположения со стороны, противоположной зеркалу 1, и жесткой связи с ним заклоняется по отношению к падающему в плоскости XY пучку(номинальное положение) на величину ДуЗ - Ду1 обеспечивая угловое отклонение отраженного от него пучка в плоскости, перпендикулярной XY, на величину

йзьху « 2 Ду1 cosla

где падения пучка на зеркало 3, тем самым компенсируя отклонение dibxy, вызванное заклоном зеркала 1. Угловое отклонение пучка в плоскости XY, вызванное заклоном зеркала 3, определяется выражением

бзху yi sln2i3

где 1з -угол) падения пучка на зеркало 3, и составляет, аналогично выражению (1), очень малую величину, практически не влияющую на точность сканирования.

Например,при 1з 20°, Ду1 10,5хУ« 3 .

Таким образом, суммарное угловое отклонение пучка на выходе системы будет определяться выражением

5ьху 2 Ду1 cosi 1 - 2 Ду1 cosb

2 Ayi(cosii - cosis),

из которого следует, что для получения минимального углового отклонения пучка от номинальной траектории сканирования требуется с максимальным приближением обеспечить равенство углов падения пучка на зеркала 1 и 3, что достигается предварительной юстировкой системы с помощью разворотов зеркал 4 и 5. Более точные значения величин углового отклонения пучка от номинальной траектории сканирования при заклонах сканирующих зеркал на величины Дг 10, Ду 10 в пределах полного оборота оси вращения 2($ 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°) дают результаты расчетов предлагаемого устройства и прототипа, проведенных на ЭВМ ЕС 1060 с помощью программы Сканер и приведенные соответственно в табл. 1 и 2. Программа Сканер определяет величины направляющих косинусов исследуемых лучей в виде чисел с плавающей точкой и с 10 значащими цифрами. Результаты расчета показывают, что при биении оси вращения 2 на величины Az 10, Дг 10 предлагаемее устройство обеспечивает максимальное угловое отклонение от номинальной траектории сканирования (см. табл. 1} ,23, а устройство, выбранное в качестве прототипа (см. табл. 2) 5тах 37, 73. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом является практически нерасстраиваемым в отношении влияния углового биения оси вращения 2 в любом направлении на угловое отклонение сканирующего пучка от номинальной траектории, что обеспечивает более высокую точность сканирования без введения жестких допусков на изготовление осевой системы вращающихся зеркал.

Заявленное устройство может служить основой для построения сканирующих систем, реализующих высокоточные траектории сканирования различного типа.

При введении в оптическую систему предлагаемого устройства (фиг. 1) неподвижного углового зеркала б с двугранным углом 90о, установленного в автоколлимации по ходу луча за зеркалом 3, обеспечивается прямолинейная траектория сканирования в плоскости, параллельной ребру углового зеркала 6 (фиг. 3).

В этом случае пучок параллельных лучей, выходящий из системы 1-5, описывающий при вращении зеркал 1,3 коническую поверхность вращения, падает на угловое зеркало 6 и, отразившись от него, проходит систему 1-5 в обратном направлении. В плоскости, перпендикулярной ребру углового

зеркала 6, отраженный от углового зеркала 6 пучок лучей параллелен падающему (по свойству углового зеркала) и, следовательно, на выходе системы его угловое положение не меняется, всегда оставаясь

параллельным падающему на зеркало 1 пучКУВ плоскости, параллельной ребру углового зеркала 6, знак направления отраженного от зеркала 6 пучка относительно

падающего меняется на противоположный, и, следовательно, величина его углового отклонения относительно падающего на зеркало 1 после прохождения системы в обратном направлении удваивается.

Таким образом, в этой системе сканирование всегда будет осуществляться в плоскости, параллельной ребру углового зеркала 6, при этом пучок лучей будет отклоняться от оси конуса сканирования по гармоническому закону на угловую величину, определяемую выражением

5 2 CQS$c

где р- максимальный угол отклонения пучка, выходящего из системы 1-5, от оси симметрии конуса сканирования в плоскости, параллельной ребру углового зеркала; $ - угол поворота оси вращения 2.

Рассматриваемая система реализует высокую точность прямолинейной траектории сканирования, так как пучок параллельных лучей, прошедший устройство 1-5, практически нечувствителен к угловым биениям оси вращения 2 в любом направлении, а неподвижное угловое зеркало б, располо5 женное за ним, служит только для изменения направления распространения пучка.

При введении в оптическую систему 1-5 дополнительной оптической системы, установленной по ходу луча за зеркалом 5 и

содержащей плоское зеркало 6. выполненное с возможностью вращения вокруг оси 7, составляющей с нормалью к плоскости зеркала 6 острый угол, два неподвижных плоских зеркала 8 и 9, образующих двугранный угол, ребро которого перпендикулярно оси вращения 7, и плоское зеркало 10. расположенное по ходу луча за плоским зеркалом б, жестко связанное с плоским зеркалом б и установленное под острым углом к нему, могут быть реализованы высокоточные траектории сканирования различного вида: прямолинейные, круговые, спиральные, циклоидальные и т.д. (фиг. 4).

В этом случае пучок параллельных лу- чей, выходящий из устройства 1-5, последовательно отражается от зеркал 6,8,9,10. Каждая из систем 1-5 и 6-9 в отдельности, обладая свойством нечувствительности выходящего пучка к угловым заклонам осей вращения 2 и 7, обеспечивает вращательное движение пучка по конической поверхности, при этом направление вращения, угловая скорость, разность фаз и угол при вершине конуса могут быть различными. Это дает возможность на выходе устройства 1-9 получить высокоточную результирующую траекторию сканирования любого типа в зависимости от соотношения указанных

Таблица 1 (предлагаемое устройство)

выше параметров (см..например, КагысГ.П. Автоматическое сканирование. М.: Машиностроение. 1969. с. 227-229).

Использование предлагаемого сканирующего устройства, а также устройств, построенных на его основе, по сравнению с прототипом позволяет практически устранить отклонение сканирующего пучка от его номинальной траектории, вызванное угловыми биениями осевых систем вращающихся зеркал в любом направлении, что обеспечивает повышение точности сканирования.

Формула изобретения Сканирующее устройство, содержащее установленные по ходу луча плоское зеркало, размещенное с возможностью вращения вокруг оси, составляющей с нормалью к плоской поверхности зеркала острый угол, и два неподвижных плоских зеркала, образующих двугранный угол, ребро которого перпендикулярно оси вращения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности сканирования, в него введено дополнительное плоское зеркало, размещенное по ходу луча за вторым неподвижным плоским зеркалом, жестко связанное с плоским зеркалом и установленное под острым углом к нему.

11

1778740 Таблица 2 (прототип)

Фиг.

12

4еХ

Ребро

Y

Ч

©-

2x

V /-f

Фиг.З

Фиг. 2

Ребро /

/

Фиг. 4