RU2302025C1 - Fiber-optic scanner - Google Patents

Abstract

FIELD: survey and search optical systems.

SUBSTANCE: fiber-optic scanner has rotating scanning device; there are forming objectives and motionless collectors disposed at both sides of scanner along optical axis. Edges of fibers of fiber-optic bundle and one central light-guide are mounted in any of two collectors along circle. Edges of fibers are turned to forming objectives; the other end of central of one collector is brought into coincidence with light source and of second one - with radiation receiver. Peripheral fibers of bundle from any collector are mounted in multiple arrays which are turned to area of scanning. Scanning device is made in form of rotating cylinder with two cone-shaped optical fibers. Any fiber at one of bases of cylinder is disposed in its center. Fibers have shapes of cones; cross-section of fibers decrease in direction of light pulse path. Objectives are mounted in such a way that image of corresponding optical a conjugated fiber is built in scale to be required for complete conjugation.

EFFECT: improved manufacturability at mounting and adjustment; reduced energy consumption.

2 dwg

Description

Изобретение относится к технике оптических систем обзора и поиска и может быть применено, в частности, в технике оптической локации, лазерного видео, в технике оптической микроскопии, в лазерных проектирующих системах.The invention relates to the technique of optical systems for viewing and searching and can be applied, in particular, in the technique of optical location, laser video, in the technique of optical microscopy, in laser design systems.

Наибольшее распространение в настоящее время получили вращаемые зеркальные многогранники-призмы и пирамиды, позволяющие достигать достаточно больших углов сканирования при большой частоте следования развертки во времени и формирования качественного распределения энергии излучения на больших дистанциях. Вне зависимости от степени точности изготовления зеркал, им присущи некоторые ошибки сборки, в частности отклонения от заданных углов между зеркальными гранями и осью вращения многогранника. Наличие таких "пирамидальностей" зеркальных многогранников вызывает так называемые пирамидальные ошибки сканирования - отклонения сканируемого луча от плоскости сканирования. Формирование качественного распределения энергии излучения на больших дистанциях требует применения формирующей оптики, которая устанавливается или перед вращаемым зеркальным многогранником, или после него по ходу сканирующего луча. Все это ведет к необходимости увеличения размеров граней многогранника или увеличения апертуры формирующей оптики, и то, и другое приводит к увеличению габаритов сканирующего устройства, а необходимость большой скорости сканирования требует увеличения скорости вращения зеркального многоугольника, что при больших габаритах зеркального многогранника технически невыполнимо. Также при повороте зеркальной поверхности происходит линейное геометрическое смещение луча в пространстве, что приводит к неравномерности скорости сканирования и точности позиционирования луча в области сканируемого пространства.Currently, the most widely used are rotatable mirror polyhedra-prisms and pyramids, which make it possible to achieve sufficiently large scan angles at a high repetition rate in time and the formation of a qualitative distribution of radiation energy over long distances. Regardless of the degree of accuracy of the manufacture of mirrors, some assembly errors are inherent in them, in particular deviations from predetermined angles between the mirror faces and the axis of rotation of the polyhedron. The presence of such “pyramidalities” of mirror polyhedra causes the so-called pyramidal scanning errors — deviations of the scanned beam from the scanning plane. The formation of a qualitative distribution of radiation energy over long distances requires the use of forming optics, which is installed either in front of a rotating mirror polyhedron, or after it along the scanning beam. All this leads to the need to increase the size of the faces of the polyhedron or to increase the aperture of the forming optics, both of which lead to an increase in the dimensions of the scanning device, and the need for a high scanning speed requires an increase in the rotation speed of the mirror polygon, which is technically impossible with large dimensions of the mirror polyhedron. Also, when the mirror surface is rotated, a linear geometric displacement of the beam in space occurs, which leads to uneven scanning speed and accuracy of beam positioning in the area of the scanned space.

Известно устройство по а.с. №1525658, МПК 7 G02B 26/08, опубликованное в 1985 г., в котором сканирование луча происходит за счет совпадения винтовых пазов на вращающихся на одной оси цилиндров, при этом один цилиндр является опорой второго и находится в его полости. Это требует большой энергии источника излечения, так как необходимо засвечивать источником излучения всю сканируемую область, а используется только небольшая его часть. Кроме того, сканирование осуществляется только в одном линейном направлении.A device is known by A.S. No. 1525658, IPC 7 G02B 26/08, published in 1985, in which the beam is scanned due to the coincidence of screw grooves on the cylinders rotating on one axis, while one cylinder is the support of the second and is located in its cavity. This requires a large energy of the cure source, since it is necessary to illuminate the entire scanned area with the radiation source, and only a small part of it is used. In addition, scanning is carried out in only one linear direction.

Наиболее близким к заявляемому устройству является волоконно-оптический сканер, описанный в статье "Hellas: Obstacle warning system for helicop-ters" K.R.Schulz, S.Scherbarth, U.Fabry (Laser Radar Technology and Applications VII, Gary W. Kamerman, Editor, Proceedings of SPIE Vol.4723 (2002) 2002 SPIE-0277-786/X/02).Closest to the claimed device is a fiber-optic scanner, described in the article "Hellas: Obstacle warning system for helicopters" KRSchulz, S. Scherbarth, U. Fabry (Laser Radar Technology and Applications VII, Gary W. Kamerman, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4723 (2002) 2002 SPIE-0277-786 / X / 02).

Волоконно-оптический сканер состоит из сканирующего устройства, выполненного в виде двух наклонных в противоположные стороны зеркал, которые закреплены на шпинделе двигателя и синхронно вращаются. По обе стороны от наклонных зеркал на одной оптической оси расположены объективы, которые оптически сопряжены с торцами волоконно-оптических жгутов, вмонтированных по окружности в неподвижные коллекторы. Вторые торцы жгутов соединены в две двухрядные линейки, и они обращены в область сканирования. В центры коллекторов вмонтированы световоды. Один центральный световод связан с лазерным излучателем, а второй - с приемником излучения. Но данная конструкция имеет аберрационные искажения (астигматизм, кома) при изменении направления излучения через объективы под углом к оптической оси, что приводит к винитированию излучения и, следовательно, к потерям энергии излучения как на выходном, так и входном каналах устройства, и требуется высокая точность изготовления коллекторов как по шагу расположения оптических волокон, так и по диаметру их расположения для обеспечения согласования входных и выходных каналов коллекторов.The fiber optic scanner consists of a scanning device made in the form of two mirrors tilted in opposite directions, which are mounted on the motor spindle and rotate synchronously. On both sides of the tilting mirrors, lenses are located on the same optical axis, which are optically coupled to the ends of the fiber optic bundles mounted circumferentially into the fixed collectors. The second ends of the bundles are connected in two two-row rulers, and they are facing the scan area. Optical fibers are mounted in the centers of the collectors. One central fiber is connected to the laser emitter, and the second to the radiation receiver. But this design has aberration distortions (astigmatism, coma) when the radiation direction through the lenses changes at an angle to the optical axis, which leads to radiation vignification and, consequently, to radiation radiation losses both at the output and input channels of the device, and high accuracy is required manufacturing of collectors both in terms of the location of the optical fibers and the diameter of their location to ensure matching of the input and output channels of the collectors.

Задачей изобретения является создание волоконно-оптического сканирующего устройства с повышенными эксплуатационными характеристиками.The objective of the invention is to provide a fiber optic scanning device with enhanced performance.

Технический результат - увеличение технологичности при сборке и юстировке, снижение энергетических затрат.The technical result is an increase in manufacturability during assembly and adjustment, a reduction in energy costs.

Это достигается тем, что в волоконно-оптическом сканере, содержащем сканирующее устройство, ось вращения которого совпадает с оптической осью объективов, расположенных по обеим сторонам от сканирующего устройства, и неподвижных коллекторов, в каждом из двух коллекторов по окружности вмонтированы волокна волоконно-оптического жгута и один - центральный световод, все они обращены к объективам, а другой конец центрального световода от одного коллектора сопряжен с источником излучения, а от второго - с приемником излучения, периферийные же волокна с каждого коллектора смонтированы в многорядные линейки, которые обращены к области сканирования, согласно изобретению сканирующее устройство выполнено в виде непрозрачного цилиндра с двумя оптическими волокнами, каждое из которых располагается таким образом, что на одном из торцов цилиндра волокно находится в центре его вращения, а на противоположном торце - на расстоянии радиуса окружности оптически сопряженной с изображением окружности неподвижных коммутаторов, на которой расположены торцы волокон волоконно-оптических жгутов, причем оптические волокна сканирующего устройства выполнены конической формы с уменьшением сечения по направлению хода оптического излучения, а объективы установлены таким образом, что изображение соответствующих оптических сопряженных волокон строится в требуемом для полного сопряжения масштабе.This is achieved by the fact that in a fiber-optic scanner containing a scanning device, the axis of rotation of which coincides with the optical axis of the lenses located on both sides of the scanning device and fixed collectors, fibers of a fiber optic bundle are mounted around each circumference of the collectors and one is the central fiber, they are all facing the lenses, and the other end of the central fiber from one collector is connected to a radiation source, and from the second to the radiation receiver, the peripheral ones the fibers from each collector are mounted in multi-row rulers that face the scanning area, according to the invention, the scanning device is made in the form of an opaque cylinder with two optical fibers, each of which is located in such a way that at one of the ends of the cylinder the fiber is in the center of rotation, and at the opposite end - at a distance of the radius of the circle optically conjugated with the image of the circle of the fixed switches, on which the ends of the fibers of the optical fiber ut, moreover, the optical fibers of the scanning device are conical in shape with a decrease in cross section in the direction of the optical radiation, and the lenses are mounted in such a way that the image of the corresponding optical conjugate fibers is constructed at the scale required for full conjugation.

Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - схема устройства;figure 1 - diagram of the device;

на фиг.2 - сканирующее устройство.figure 2 - scanning device.

Предлагаемый волоконно-оптический сканер (фиг.1) состоит из сканирующего устройства 1, вращаемого двигателем 2. По обе стороны от сканирующего устройства 1 расположены объективы 3 и 4, которые необходимы для оптического сопряжения оснований сканирующего устройства 1 с неподвижными коллекторами 5 и 6 путем изменений масштабов соответствующих изображений. По периметру окружности коллекторов 5 и 6 расположены торцы волокон волоконно-оптических жгутов 7 и 8 соответственно. Вторые торцы этих волокон волоконно-оптических жгутов смонтированы в многорядные линейки 9 и 10, которые в свою очередь направлены в область сканирования. Для обеспечения оптического согласования линеек 9 и 10 с областью сканирования используются приемный 11 и передающий 12 объективы. В центр коллектора 5 вмонтировано волокно 13, соединенное с лазерным излучателем 14, а в центр коллектора 6 вмонтировано волокно 15, соединенное с приемником излучения 16. Сканирующее устройство 1 (фиг.2) выполнено в виде непрозрачного цилиндра 17. Внутри цилиндра 17 вдоль оси вмонтированы два световода. На основании цилиндра 17, обращенном к лазерному излучателю 14, диаметры сечения световодов равны диаметру сечения световодов, вмонтированных в неподвижный коллектор 5. Один из этих световодов 18 расположен на основании по центру цилиндра 17, а второй - 19, по периферии окружности цилиндра 17. При этом световоды 18 и 19 выполнены в виде конусов с уменьшением диаметра в сторону направления излучения и вмонтированы таким образом, чтобы менять направление оптического излучения от центра к периферии для световода 18 и от периферии к центру для световода 19.The proposed fiber-optic scanner (figure 1) consists of a scanning device 1 rotated by the engine 2. On both sides of the scanning device 1 are lenses 3 and 4, which are necessary for optical coupling of the bases of the scanning device 1 with the fixed collectors 5 and 6 by changing scales of the corresponding images. Along the perimeter of the circumference of the collectors 5 and 6 are the ends of the fibers of the fiber optic bundles 7 and 8, respectively. The second ends of these fibers of the optical fiber bundles are mounted in multi-row lines 9 and 10, which in turn are directed to the scanning area. To ensure optical alignment of the rulers 9 and 10 with the scanning area, receiving 11 and transmitting 12 lenses are used. A fiber 13 connected to the laser emitter 14 is mounted in the center of the collector 5, and a fiber 15 connected to the radiation receiver 16 is mounted in the center of the collector 6. The scanning device 1 (Fig. 2) is made in the form of an opaque cylinder 17. Inside the cylinder 17, mounted along the axis two light guides. On the basis of the cylinder 17 facing the laser emitter 14, the cross-sectional diameters of the optical fibers are equal to the cross-sectional diameter of the optical fibers mounted in the fixed collector 5. One of these optical fibers 18 is located on the base in the center of the cylinder 17, and the second - 19, on the periphery of the circumference of the cylinder 17. When the optical fibers 18 and 19 are made in the form of cones with a decrease in diameter in the direction of the radiation direction and mounted in such a way as to change the direction of the optical radiation from the center to the periphery for the fiber 18 and from the periphery to the center for the fiber 19.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Через центральный световод 13 оптическое излучение от лазерного излучателя подается через объектив 3 на центральное коническое волокно 18 сканирующего устройства 1, и пройдя по нему до противоположного конца, проектируется с помощью объектива 4 на одно из периферийных волокон неподвижного коллектора 6. Далее по волокну 8 оптическое излучение доходит до торца линейки 10 и с торца линейки проектируется с помощью передающего объектива 12 в область сканирования и, при встрече с объектом, часть оптического излучения отражается в обратном направлении. Отраженное оптическое излучение с помощью приемного объектива 11 фокусируется на соответствующем оптически сопряженном торце волокна линейки 9. Далее оптическое излучение по волокну волоконно-оптического жгута 7 попадает на неподвижный коллектор 5 и через объектив 3 на периферийное коническое волокно 19 сканирующего устройства 1 и по нему с помощью объектива 4 на центральное волокно 15 и далее в приемник излучения. По мере вращения коммутатора происходит последовательное подключение каналов, в результате чего производится сканирование исследуемого пространства предметов.Through the central optical fiber 13, optical radiation from the laser emitter is fed through the lens 3 to the central conical fiber 18 of the scanning device 1, and passing through it to the opposite end, is projected using the lens 4 onto one of the peripheral fibers of the fixed collector 6. Then, optical fiber 8 reaches the end of the line 10 and from the end of the line is projected using the transmitting lens 12 into the scanning area and, when meeting with the object, part of the optical radiation is reflected in the opposite direction nii. The reflected optical radiation with the help of the receiving lens 11 is focused on the corresponding optically conjugated end of the fiber of the line 9. Next, the optical radiation through the fiber of the optical fiber bundle 7 enters the stationary collector 5 and through the lens 3 to the peripheral conical fiber 19 of the scanning device 1 and through it with the lens 4 on the Central fiber 15 and further into the radiation receiver. As the switch rotates, the channels are connected in series, as a result of which the studied space of objects is scanned.

Преимущества предложенного технического решения по сравнению с ближайшим аналогом состоят в следующем:The advantages of the proposed technical solution compared to the closest analogue are as follows:

Уменьшаются затраты при сборке и юстировке сканирующего устройства.Reduced costs when assembling and adjusting the scanning device.

Увеличивается дальность сканирования за счет уменьшения потерь в сканирующем устройстве.Increases the scanning range by reducing losses in the scanning device.

Claims (1)

Волоконно-оптический сканер, содержащий сканирующее устройство, ось вращения которого совпадает с оптической осью объективов, расположенных по обеим сторонам от сканирующего устройства, и неподвижных коллекторов, в каждом из двух коллекторов по окружности вмонтированы волокна волоконно-оптического жгута и один - центральный световод, все они обращены к объективам, а другой конец центрального световода от одного коллектора сопряжен с источником излучения, а от второго - с приемником излучения, периферийные же волокна с каждого коллектора смонтированы в многорядные линейки, которые обращены к области сканирования, отличающийся тем, что сканирующее устройство выполнено в виде непрозрачного цилиндра с двумя оптическими волокнами, каждое из которых располагается таким образом, что на одном из торцов цилиндра волокно находится в центре его вращения, а на противоположном торце - на расстоянии радиуса окружности оптически сопряженной с изображением окружности неподвижных коммутаторов, на которой расположены торцы волокон волоконно-оптических жгутов, причем оптические волокна сканирующего устройства выполнены конической формы с уменьшением сечения по направлению хода оптического излучения, а объективы установлены таким образом, что изображение соответствующих оптических сопряженных волокон строится в требуемом для полного сопряжения масштабе.A fiber-optic scanner containing a scanning device, the axis of rotation of which coincides with the optical axis of the lenses located on both sides of the scanning device and fixed collectors, fibers of a fiber optic bundle and one central fiber are mounted around each circumference they are turned to the lenses, and the other end of the central fiber from one collector is connected to a radiation source, and from the second to the radiation receiver, the peripheral fibers from each collector and mounted in multi-row rulers that face the scanning area, characterized in that the scanning device is made in the form of an opaque cylinder with two optical fibers, each of which is located in such a way that at one of the ends of the cylinder the fiber is in the center of rotation, and the opposite end - at a distance of the radius of the circle optically conjugated with the image of the circle of the fixed switches, on which the ends of the fibers of the fiber optic bundles are located, and the optical fibers the windows of the scanning device are conical in shape with a decrease in cross section in the direction of the optical radiation, and the lenses are mounted in such a way that the image of the corresponding optical conjugate fibers is constructed at the scale required for full conjugation.

Images