Сканирующее устройство

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСКИ 7874(51)5 6 02 В 26/1 ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ П оие ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(57) Использование: изобретение относитск оптико-механическим системам. Сущ Изобретение относится к оптико-механическим системам и может быть использовано в оптико-электронных измерительныхприборах,Известны сканирующие устройства, состоящие из вращающихся клиньев (см., например, Мирошников М,Н, "Теоретическосновы оптико-электронных приборов". Л,:Машиностроение, 1983, с, 104-106).Однако эти устройства обладают хроматическими аберрациями, снижаюгцими точность измерений.Кроме того, такие устройства обладаютселективностью пропускания по спектру,что не дает воэможности использовать их вшироком спектральном диапазоне с одновременной юстировкой в видимой областиспектра,Наиболее блности является изким по техническои сущсканирующее устройство,ность 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. содержащее плоское зеркало, установленное с возможностью вращения вокруг оси, составляющей с нормалью к плоскости зеркала острый угол, и два неподвижных плоских зеркала, образующих двугранный 00 угол, ребро которого, перпендикулярно оси вращения, и установленных эа плоскимфь, зеркалом (см., например, авторское саиде-С) тельство СССР М 1064261, кл, 6 02 В.26/10, фиг, 5 настоя щего описания). В этом устройстве заклоны вращающегося плоского эер- а кала, 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.15 20 30 35 40 50 55 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 ЕС 1060 с помощью программы "Сканер" расчета угловых отклонений выходящего пучка от номинальной траектории сканирования при заклонах сканиирующего зеркала на величины й = 10", Ь = 10" в поеделах полного оборота оси вращения(фЪ =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, 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 вокругоси, 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 - нерасстраиваемость, 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 беэ 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.5 10 15 Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект.На фиг. 1 приведена оптическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 а,б - оптическая схема предлагаемого устройства при наличии угловых эакланов 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 воэможностыа 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 о 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 эеркальнал 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 Р . Далее, отразившись от зеркал 4,5, не меняющих текущий угол при вершине конуса, пучок параллельныхлучей падает на зеркало 3, расположенное со стороны, противоположной зеркалу 1, и вследствие их жесткой связи также вращающееся вок 20 25 30 35 40 45 50 55 руг 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 1-2 О), а направление его вращения совпадает с направлением вращения падающего на него пучка, отраженный от зеркала 3 пучок лучей будет описывать коническую поверхность с максимальным углом 2 днах при вершине:2 Оаах 4 Р+4(Е-Р) = 4 ЕРассмотрим влияние угловой составляющей биения оси вращения 2 на положение выходящего пучка. Линейная составляющаябиения оси вращения 2 приводит к параллельному смещению пучка относительно номинального положения и не влияет на точность сканирования.При заклоне оси вращения 2, а следовательно, и зеркала 1 относительно оси 2 на величину А (фиг, 2 а) отраженный от него пучок лучей изменяет свое первоначальное угловое направление в плоскости ХУ, отклоняясь на величину дху = 2 Й. Далее, отразившись от зеркал 4,5,3, направление отклонения пучка должно измениться на противоположное(-2 Й) из-за нечеткого числа отражений в этой плоскости, Однако зеркало 3, как и зеркало 1, вследствие их жесткой связи, также эаклоняется на величину Й, изменяя отклонение пучка на величину 2 Й и тем самым компенсируя угловое отклонение, вызванное заклоном зеркала 1.При эаклоне оси 2, а, следовательно, и зеркала 1 относительно оси У на величину Ьу (фиг. 26) отраженйый от зеркала и неподвижных зеркал 4,5 пучок лучей изменяет свое первоначальное угловое направление в плоскости ХУ (дйху) и перпендикулярной к ней (д 1 ху) на величины, определяемые выражениями (см., например, Погарев Г,В. "Юстировка оптических приборов". Л.: Машиностроение 1968, с, 87-95)дху = Ь узп 213 (1) где 1 - угол падения пучка на зеркало 1;д 1 Ьху =2 Ьу 1 СОЗ 1 (2)Угловое отклонение пучка в плоскости ХУ, как следует из выражения (1), составляет очень малую величину и, следовательно, практически не влияет на точность скани-. рования. Например, при 1= 20 О, Ьу 1-10", д 1 ху =3104,Зеркало 3 вследствие своего расположения со стороны, противоположной зеркалу 1, и жесткой связи с ним заклоняется по отношению к падающему в плоскости ХУ пучку(номинальное положение) на величину Вуз = - Ьу, обеспечивая угловое отклоне 1778740ние отраженного от него пучка в плоскости,перпендикулярной ХУ, на величинудзьху =2 Ьу соз 1 згде 13 - угол падения пучка на зеркало 3, темсамым компенсируя отклонение д 1 ьу, вызванное эаклоном зеркала 1. Угловое отклонение пучка в плоскости ХУ, вызванноезаклоном зеркала 3, определяется выражениемдзху =Ьу 1з 1 п 21 згде 1 з - уголь падения пучка на зеркало 3, исоставляет, аналогично выражению (1),очень малую величину, практически не влияющую на точность сканирования,Например,приэ=20, Ьу 1- 10,дну= 310-4Таким образом, суммарное угловое отклонение пучка на выходе системы будетопределяться выражениемдьху = 2 Ьусоз- 2 Ьу 1 соз 1 з == 2 Ьу 1(соз 11 - соз 1 з),из которого следует, что для полученияминимального углового отклонения пучка отноминальной траектории сканированиятребуется с максимальным приближениемобеспечить равенство углов падения пучкана зеркала 1 и 3, что достигается предварительной юстировкой системы с помощьюразворотов зеркал 4 и 5. Более точные значения величин углового отклонения пучка отноминальной траектории сканирования призаклонах сканирующих зеркал на величиныЙ= 10", Ьу" 10" в пределах полного оборота оси вращения 2(ф, = Оо, 45 О, 90, 135 О,180 О, 225 О, 270 О, 315 О) дают результаты расчетов предлагаемого устройства и прототипа, проведенных на ЭВМ ЕС 1060 спомощью программы "Сканер" и приведенные соответственно в табл. 1 и 2. Программа"Сканер" определяет величины направляющих косинусов исследуемых лучей в видечисел с плавающей точкой и с 10 значащимицифрами. Результаты расчета показывают,что при биении оси вращения 2 на величиныЙ", Ьу=10" предлагаемвеустройствообеспечивает максимальное угловое отклонение от номинальной траектории сканирования (см, табл. 1) двах= 0,23", а устройство,выбранное в качестве прототипа (см. табл,2) двах - 37", 73". Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипомявляется практически нерасстраиваемым вотношении влияния углового биения осивращения 2 в любом направлении на угловое отклонение сканирующего пучка от номинальной траектории, что обеспечиваетболее высокую точность сканирования безвведения жестких допусков на изготовление осевой системы вращающихся зеркал,Заявленное устройство может служитьосновой для построения сканирующих систем, реализующих высокоточные траектории сканирования различного типа.5 При введении в оптическую системупредлагаемого устройства (фиг, 1) неподвижного углового зеркала 6 с двугранным углом 90 о, установленного в автоколлимации по ходу луча за зеркалом.3, обеспечива ется прямолинейная траекториясканирования в плоскости, параллельной ребру углового зеркала 6 (фиг. 3).В этом случае пучок параллельных лучей, выходящий из системы 1-5, описываю щий при вращении зеркал 1,3 коническуюповерхность вращения, падает на угловое зеркало 6 и, отразившись от него, проходит систему 1-5 в обратном направлении, В плоскости, перпендикулярной ребру углового 20 зеркала 6, отраженный от углового зеркала6 пучок лучей параллелен падающему (по свойству углового зеркала) и, следовательно, на выходе системы его угловое положение не меняется, всегда оставаясь 25 параллельным падающему на зеркало 1 пучку.В плоскости, параллельной ребру углового зеркала 6, знак направления отраженного от зеркала 6 пучка относительно 30 падающего меняется на противоположный,и, следовательно, величина его углового отклонения относительно падающего на зеркало 1 после прохождения системы в обратном направлении удваивается, 35 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 гар моническому закону на угловую величину,определяемую выражениемд=2 урсовгде у)- максимальный угол отклонения пучка, выходящего из системы 1-5, от оси сим метрии конуса сканирования в плоскости,параллельной ребру углового зеркала; ф - угол поворота оси вращения 2;Рассматриваемая система реализуетвысокую точность прямолинейной траекто рии 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 6, располо женное за ним, служит только для изменения направления распространения пучка,При введении в оптическую систему 1-5дополнительной оптической системы, установленной по ходу луча за зеркалом 5 и1778740 10 Таблица 1 (предлагаемое устройство) 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 6, жестко связанное с плоским зеркалом 6 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 лучей, 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 выше параметров(см., например, Кагыс Г.П."Автоматическое сканирование", М.: Машиностроение, 1969. с, 227-229).Использование предлагаемого сканиру ющего устройства, а также устройств, построенных на его основе, по сравнению с прототипом позволяет практически устранить отклонение сканирующего пучка от его номинальной траектории, вызванное угло выми биениями осевых систем вращающихся зеркал в любом направлении, что обеспечивает повышение точности сканирования.Формула и зоб рете н и я 15 Сканирующее устройство, содержащееустановленные по ходу луча плоское зеркало, размещенное с возможностью вращения вокруг оси, составляющей с нормалью к плоской поверхности зеркала острый угол, 20 и два неподвижных плоских зеркала, образующих двугранный угол, ребро которого перпендикулярно оси вращения, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности сканирования, в него введено до полнительное плоское зеркало, размещенное по ходу луча за вторым неподвижным плоским зеркалом, жестко связанное с плоским зеркалом и установленное под острым углом к нему., Керецман Редактор Н. роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 Заказ 4193 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5