Патент на изобретение №2302025

(54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СКАНЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике оптических систем обзора и поиска. Волоконно-оптический сканер содержит вращающееся сканирующее устройство, по обе стороны от которого расположены вдоль оптической оси формирующие объективы и неподвижные коллекторы. В каждом из двух коллекторов по окружности вмонтированы торцы волокон волоконно-оптического жгута и один – центральный световод. Все они обращены к формирующим объективам, а другой конец центрального световода от одного коллектора сопряжен с источником излучения, а от второго – с приемником излучения. Периферийные волокна жгута с каждого коллектора смонтированы в многорядные линейки, которые обращены к области сканирования. Сканирующее устройство выполнено в виде вращающегося цилиндра с двумя оптическими волокнами конической формы. Каждое из волокон на одном из оснований цилиндра находится в его центре, и выполнены они конической формы с уменьшением сечения по направлению хода импульса света. Объективы установлены таким образом, что изображение соответствующих оптических сопряженных волокон строится в требуемом для полного сопряжения масштабе. Технический результат – увеличение технологичности при сборке и юстировке, снижение энергетических затрат. 2 ил.

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.

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.

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.

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).

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.

Задачей изобретения является создание волоконно-оптического сканирующего устройства с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат – увеличение технологичности при сборке и юстировке, снижение энергетических затрат.

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.

Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 – схема устройства;

на фиг.2 – сканирующее устройство.

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.

Устройство работает следующим образом.

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.

Преимущества предложенного технического решения по сравнению с ближайшим аналогом состоят в следующем:

Уменьшаются затраты при сборке и юстировке сканирующего устройства.

Увеличивается дальность сканирования за счет уменьшения потерь в сканирующем устройстве.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ