Лазерное сканирующее устройство
Владельцы патента RU 2369887:
Институт Прикладной Механики Уральского отделения Российской Академии Наук (RU)
Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению, в частности к устройствам для перемещения лазерного луча в пространстве, устройствам сканирования и слежения. Лазерное сканирующее устройство включает направленный источник излучения, установленный напротив зеркала, закрепленного на четырехлучевой крестовине, и систему управления зеркалом, собранные в корпусе, причем система отклонения луча дополнительно снабжена четырьмя направляющими стержнями, закрепленными по одному на каждой из четырех оконечностей крестовины. Каждый направляющий стержень соединен с крестовиной при помощи шарнира, имеющего четыре степени свободы. Направляющие стержни имеют на своей внешней поверхности винтовую нарезку, с помощью которой закреплены в неподвижных резьбовых втулках с аналогичной внутренней нарезкой и имеют возможность перемещаться возвратно-поступательно при вращении в ту или иную сторону. А в качестве управляющих элементов используются электродвигатели, вращающие направляющие стержни. Технический результат - повышение точности и изменение функциональных возможностей для получения сложных траекторий перемещения лазерного луча. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению, в частности к устройствам для перемещения лазерного луча в пространстве, устройствам сканирования и слежения.
Известно устройство отклонения луча, содержащее два пьезоэлемента с нанесенными на них отражающими поверхностями, расположенными друг напротив друга [патент РФ №2069383, МПК G02B 26/10].
Недостатками известного устройства отклонения луча являются малые углы отклонения луча и потери мощности излучения при многократных отражениях от отражающих поверхностей.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для пространственного отклонения луча, включающее электромагнитную систему, закрепленную на корпусе, и крестовину с постоянными магнитами и наклонным зеркалом, подвешенную на пружинах [патент РФ №2205439, МПК G02B 26/08, Бюл. №15, 27.05.2003].
Недостатками известного устройства для пространственного отклонения луча являются сложность точного однозначного фиксирования пластины с зеркалом в определенном положении и искажение растра отраженного от зеркала лазерного пучка.
Задачей изобретения является повышение точности и изменение функциональных возможностей для получения сложных траекторий перемещения лазерного луча. Указанная задача решается тем, что в лазерном сканирующем устройстве, содержащем направленный источник излучения, установленный напротив зеркала, закрепленного на четырехлучевой крестовине, и систему управления зеркалом, собранные в корпусе, система отклонения луча дополнительно снабжена четырьмя направляющими стержнями, закрепленными по одному на каждой из четырех оконечностей крестовины. Каждый направляющий стержень соединен с крестовиной при помощи шарнира, имеющего четыре степени свободы. Направляющие стержни имеют на своей внешней поверхности винтовую нарезку, с помощью которой закреплены в неподвижных резьбовых втулках с аналогичной внутренней нарезкой, и имеют возможность перемещаться возвратно-поступательно при вращении в ту или иную сторону. А в качестве управляющих элементов используются электродвигатели, вращающие направляющие стержни.
На чертежах изображено:
фиг.1 - Конструкция устройства;
фиг.2 - Шарнирные элементы;
фиг.3 - Вариант конструкции устройства.
Лазерное сканирующее устройство имеет источник направленного излучения 1, расположенный напротив зеркала 2, установленного в центре четырехлучевой крестовины 3 (Фиг.1). На каждой из четырех оконечностей крестовины 3 с помощью шарнирных элементов 4 закреплено по одному направляющему стержню 5. Причем конструкция шарнирных элементов 4 позволяет каждому из стержней 5 качаться относительно крестовины в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, вращаться вокруг своей оси и перемещаться возвратно-поступательно вдоль соответствующего луча крестовины в известных пределах. На внешних поверхностях направляющих стержней 5 выполнена винтовая нарезка, при помощи которой каждый из направляющих стержней 5 ввернут в неподвижные резьбовые втулки 6, имеющие соответствующую внутреннюю нарезку. Резьбовые втулки 6 неподвижно закреплены на общем основании 7 таким образом, что все направляющие стержни 5 параллельны друг другу, а крестовина 3 в исходном положении параллельна основанию 7. При согласованном вращении любой пары накрест лежащих направляющих стержней 5 вокруг своей оси в противоположных направлениях соответствующие лучи крестовины 3 опускаются или поднимаются. Для вращения направляющих стержней 5 на основании 7 установлены шаговые электродвигатели 8.
Положение источника излучения 1 относительно зеркала 2, а также угол наклона зеркала 2 относительно крестовины 3 могут быть различными в зависимости от назначения и конструкции устройства в целом.
Устройство работает следующим образом. В исходном положении крестовина 3 опирается на четыре направляющих стержня 5 через шарнирные элементы 4 и располагается параллельно основанию 7. При подаче питания каждая пара накрест лежащих шаговых электродвигателей 8 включается и работает только совместно, причем при вращении их валов один из направляющих стержней 5 перемещается по направлению вверх, а другой - вниз на одинаковые расстояния. Вторая пара накрест лежащих шарнирных элементов в этом случае является осью, вокруг которой качается крестовина 3. Аналогичным образом осуществляется качание крестовины 3 и по другой оси.
Возможная конструкция шарнирных элементов 4, позволяющих крестовине 3 качаться одновременно в двух плоскостях, следующая (Фиг.2). Верхняя оконечность направляющего стержня 5 выполнена в виде шара. На крестовине 3 закреплен корпус шарнирного элемента, имеющий полость, соответствующую шаровой оконечности направляющего стержня 5. Для компенсации изменяющегося расстояния от оси качания крестовины до каждого из шарнирных элементов корпусы шарнирных элементов установлены в пазах на оконечностях крестовины, образующих направляющие, по которым корпус может скользить в радиальном направлении.
Каждый направляющий стержень 5 смонтирован на соответствующем валу двигателя 8 с помощью соединения, допускающего их взаимное осевое перемещение, например шлицевого, шпоночного или др.
Другой вариант управления крестовиной 3 предполагает использование катушек электромагнитов 9 (Фиг.3). При этом крестовина 3 вывешивается на пружинной подвеске 10, а направляющие стержни 5, выполненные из немагнитного материала, имеют ферромагнитные участки 11, одновременно являющиеся сердечниками электромагнитов 9. Отклонение крестовины 3 осуществляется подачей напряжения питания определенной величины на электромагниты 9, при этом ферромагнитные участки 11 стержней 5 втягиваются внутрь электромагнитов 9.
Вариант реализации устройства с использованием электродвигателей позволяет добиться высокой точности ориентировки отраженного луча в сочетании с большими углами отклонения. При использовании электромагнитов устройство может работать в частотном режиме.
1. Устройство для пространственного отклонения луча, содержащее корпус, источник излучения, четырехлучевую крестовину, на которой установлено зеркало, отличающееся тем, что на каждой из четырех оконечностей крестовины закреплено по одному направляющему стержню, взаимодействующему с одним из четырех управляющих элементов.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый направляющий стержень соединен с крестовиной при помощи шарнира, имеющего четыре степени свободы.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что направляющие стержни имеют на своей внешней поверхности винтовую нарезку, с помощью которой закреплены в неподвижных втулках с аналогичной внутренней нарезкой, и имеют возможность перемещаться возвратно-поступательно при вращении в ту или иную сторону.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве управляющих элементов используются электродвигатели, вращающие направляющие стержни.
5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что направляющие стержни выполнены из немагнитного материала и имеют ферромагнитные участки.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве управляющих элементов используются электромагнитные катушки, а крестовина закреплена в пространстве с помощью пружин.
