PL183225B1

PL183225B1 - Light beam deflector

Info

Publication number: PL183225B1
Application number: PL97321396A
Authority: PL
Inventors: Antoni Latuszek
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2002-06-28
Also published as: PL321396A1

Abstract

1. Deflektor światła zawierający co najmniej jeden przetwornik piezoelektryczny drgań ścinania i zwierciadło, znamienny tym, że ma postać belki (1) o przekroju prostokątnym, korzystnie kwadratowym, która na jednym końcu ma zamocowane zwierciadło (2), a drugi koniec belki zamocowany jest do suportu (6), do którego zamocowana jest co najmniej jedna para przetworników piezoelektrycznych (4) opartych o dwie przeciwległe ściany belki (1) przy jej drugim końcu.1. Light deflector containing co at least one piezoelectric transducer shear and mirror vibration, characteristic in the form of a beam (1) with a rectangular cross-section, preferably square which it has a mirror attached at one end (2) and the other end of the beam is fixed it is attached to the carriage (6) to which it is attached there is at least one pair of transducers piezoelectric (4) based on two opposite sides of the beam (1) at its other the end.

Description

Przedmiotem wynalazku jest deflektor światła, przeznaczony zwłaszcza do odchylania wiązki laserowej, zwłaszcza do czytnika informacji rozmieszczonych na płaszczyźnie.The subject of the invention is a light deflector, intended in particular for deflecting a laser beam, in particular for a reader of information arranged in a plane.

Znany jest deflektor światła z polskiego opisu patentowego nr 173408, który zawiera przetwornik piezoelektryczny drgań ścinania w postaci płytki. Na jednym brzegu płytki zamocowane jest zwierciadło, a na dwóch brzegach przylegających usytuowane są elektrody przetwornika. Po przyłożeniu napięcia elektrycznego do elektrod przetwornika płytka zostaje wygięta, a zwierciadło zostaje odchylone pod pewnym kątem w stosunku do padającej wiązki światła co powoduje jej odchylenie.A light deflector is known from Polish Patent No. 173408, which comprises a plate-shaped piezoelectric vibration transducer. A mirror is mounted on one edge of the plate, and the transducer electrodes are located on the two adjacent edges. When an electric voltage is applied to the electrodes of the transducer, the plate is bent and the mirror is tilted at a certain angle in relation to the incident light beam, which causes its deflection.

Znane deflektory pozwalają na odchylanie wiązki światła jedynie o małe kąty w kierunku jednej osi współrzędnych.Known deflectors allow the light beam to be deflected only by small angles in the direction of one coordinate axis.

Istota deflektora według wynalazku polega na tym, że ma postać belki o przekroju prostokątnym, korzystnie kwadratowym. Belka ma na jednym końcu zamocowane zwierciadło, a drugi jej koniec zamocowany jest do suportu, do którego zamocowana jest co najmniej jedna para przetworników piezoelektrycznych drgań ścinania opartych o dwie przeciwległe ściany belki, przy jej drugim końcu. Korzystnie, na co najmniej jednej ściance belki, przy pierwszym jej końcu, jest zamocowane co najmniej jedno dodatkowe zwierciadło. Przetworniki oparte są o belkę za pośrednictwem wypustów. Belka ma przekrój poprzeczny zwężający się w kierunku pierwszego końca, w kształcie ostrosłupa.The essence of the deflector according to the invention is that it has the form of a beam with a rectangular, preferably square, section. The beam has a mirror attached at one end and the other end attached to a carriage to which is attached at least one pair of shear vibration piezoelectric transducers based on two opposite walls of the beam at its other end. Preferably, at least one additional mirror is attached to at least one side of the beam at a first end thereof. The pickups rest against the beam via tabs. The beam has a pyramid-shaped cross-section tapering towards its first end.

Deflektor według wynalazku umożliwia odchylanie wiązki światła o bardzo duże kąty zwłaszcza przy zastosowaniu belki zwężonej na końcu i wykonanej z materiału o dużej wytrzymałości na zginanie a także umożliwia odchylanie wiązki światła w dwóch kierunkach wzajemnie prostopadłych.The deflector according to the invention makes it possible to deflect the light beam by very large angles, especially when a beam is narrowed at the end and made of a material with high flexural strength, and also allows the light beam to be deflected in two mutually perpendicular directions.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia deflektor z belką o stałym przekroju poprzecznym w widoku aksonometrycznym, a fig. 2 - deflektor z belką zwężającą się w kierunku końca zaopatrzonego w zwierciadło w widoku aksonometrycznym.The subject matter of the invention is illustrated in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a beam deflector with a constant cross section in an axonometric view, and Fig. 2 a deflector with a beam tapering towards the mirror end in an axonometric view.

Deflektor przedstawiony na fig. 1 ma postać belki 1 o przekroju poprzecznym kwadratowym stałym na całej długości. Na jednym końcu zamocowane jest zwierciadło 2 oraz na powierzchniach bocznych przy tym końcu zamocowane są zwierciadła boczne 2, 2. Drugi koniec jest zamocowany do suportu 6. Na powierzchniach bocznych belki 1 usytuowane są dwie pary przetworników drgań ścinania: jedna pionowa 3, 3’ i druga pozioma 4, 4'. Przetwornik piezoelektryczny drgań ścinania pary pionowej 3 jest usytuowany naprzeciwkoThe deflector shown in Fig. 1 is in the form of a beam 1 with a square cross-section constant along its entire length. A mirror 2 is fixed at one end, and side mirrors 2, 2 are fixed on the side surfaces at this end. The other end is fixed to a carriage 6. On the side surfaces of the beam 1 there are two pairs of shear vibration transducers: one vertical 3, 3 'and the second horizontal 4, 4 '. The shear-vibration piezoelectric transducer of the vertical pair 3 is located opposite

183 225 przetwornika drgań ścinania 3', a przetwornik drgań ścinania 4 pary poziomej jest usytuowany naprzeciwko przetwornika drgań ścinania 4', tak że przetworniki tej samej pary są na przeciwległych ścianach. Przetworniki te zaopatrzone są w elektrody 3a, 3b, 4a, 4b połączone za pośrednictwem wyłączników ze źródłem napięcia elektrycznego, które to elementy nie są uwidocznione na rysunku. Przetworniki piezoelektryczne oparte są o belkę 1 za pośrednictwem wypustów 3A, 3B, 4A, 4B. Wiązka świetlna 5, z lasera, pada pod kątem prostym na zwierciadło 2. Zwierciadła dodatkowe 2', 2 zaopatrzone są w diody laserowe nie uwidocznione na rysunku, które wysyłają wiązki świetlne 5', 5” prostopadłe do powierzchni luster.183 225 of the shear transducer 3 ', and the shear transducer 4 of the horizontal pair is located opposite to the shear transducer 4', such that the transducers of the same pair are on opposite walls. These converters are provided with electrodes 3a, 3b, 4a, 4b connected via switches to an electric voltage source, which elements are not shown in the drawing. Piezoelectric transducers are based on the beam 1 through the lugs 3A, 3B, 4A, 4B. The light beam 5 from the laser is incident at right angles to the mirror 2. Additional mirrors 2 ', 2 are equipped with laser diodes, not shown in the figure, which emit light beams 5', 5 ”perpendicular to the surface of the mirrors.

Deflektor przedstawiony na fig. 2 ma postać belki 1 o przekroju poprzecznym zwężającym się w kierunku końca na którym zamocowane jest zwierciadło 2. Na ściankach bocznych, przy drugim końcu zamocowanym do suportu 6 usytuowane są dwie pary przetworników piezoelektrycznych drgań ścinania, w tym para pionowa 3, 3' i para pozioma 4, 4' które oparte są o ściankę belki 1 za pośrednictwem wypustów 3A, 3B, 4A, 4B. Przetworniki te zamocowane są do suportu 6. Przetworniki jednej pary usytuowane są naprzeciwko siebie tak, jak w deflektorze przedstawionym na fig. 1. Przetworniki zaopatrzone są w elektrody 3a, 3b, 4a, 4b połączone za pośrednictwem wyłączników ze źródłem napięcia elektrycznego, które to elementy nie są uwidocznione na rysunku.The deflector shown in Fig. 2 is in the form of a beam 1 with a cross-section tapering towards the end on which the mirror is mounted 2. On the side walls, at the other end attached to the carriage 6, there are two pairs of piezoelectric shear vibration transducers, including a vertical pair 3 , 3 'and a horizontal pair 4, 4' which abut against the wall of beam 1 via projections 3A, 3B, 4A, 4B. These transducers are attached to a carriage 6. The transducers of one pair are positioned opposite to each other as in the deflector shown in Fig. 1. The transducers are provided with electrodes 3a, 3b, 4a, 4b connected to an electric voltage source via switches. are not shown in the figure.

Przetworniki piezoelektryczne drgań ścinania pionowe pobudzone zmiennym napięciem elektrycznym przyłożonym do elektrod 3a, 3b powodują generację fali giętnej w kierunku zwierciadła 2 i wyginanie belki 1, w kierunku pionowym. Amplituda drgań belki 1 jest maksymalna gdy częstotliwość napięcia elektrycznego przyłożonego do elektrod 3a, 3b jest równa częstotliwości własnej belki 1. Drgający swobodny koniec belki 1 a wraz z nim zwierciadło 2 i zwierciadło 2' zmieniają położenie w przestrzeni i kąt nachylenia, tym bardziej im amplituda drgań belki 1 jest większa. Drgania belki 1 w kierunku pionowym nie przenoszą się na przetworniki poziome 4, 4' dzięki temu, że nie są one do belki 1 zamocowane i w czasie drgań suwają się po jej powierzchni. Drgająca w płaszczyźnie pionowej belka 1 powoduje zmianę kąta nachylenia zwierciadła o kąt 2 δφ, natomiast kąt defleksji wiązki świetlnej 5 wynosi 45ψ, gdzie: δφ - kąt zawarty między belką odchyloną i nie odchyloną. Odbita od zwierciadła 2 wiązka światła 5 odchylana jest wzdłuż prostej pionowej z częstotliwością i amplitudą napięcia przyłożonego do elektrod 3a, 3b. W przypadku gdy wiązka światła pada na zwierciadło 2'' to jest ona także odchylana w kierunku pionowym o taki sam kąt 4δφ.Vertical shear piezoelectric transducers excited by the alternating electric voltage applied to the electrodes 3a, 3b generate a bending wave in the direction of the mirror 2 and bending the beam 1 in the vertical direction. The amplitude of the vibrations of the beam 1 is maximum when the frequency of the electric voltage applied to the electrodes 3a, 3b is equal to the natural frequency of the beam 1. The vibrating free end of the beam 1 and with it the mirror 2 and the mirror 2 'change the position in space and the angle of inclination, the more the amplitude vibration of beam 1 is greater. Vibrations of the beam 1 in the vertical direction are not transmitted to the horizontal transducers 4, 4 'due to the fact that they are not attached to the beam 1 and slide along its surface during vibrations. The beam 1 vibrating in the vertical plane causes the mirror inclination angle to change by the angle 2 δφ, while the deflection angle of the light beam 5 is 45ψ, where: δφ - the angle between the deflected and not deflected beam. The light beam 5 reflected from the mirror 2 is deflected along a vertical line with the frequency and amplitude of the voltage applied to the electrodes 3a, 3b. In the case when the light beam falls on the 2 "mirror, it is also deflected vertically by the same angle 4δφ.

Jeśli zachodzi potrzeba odchylania wiązki światła 5 w kierunku poziomym napięcie elektryczne przykładane jest do elektrod 4a, 4b przetworników piezoelektrycznych 4,4'. Belka 1 wyginana jest w kierunku poziomym, a kąt deflekcji w kierunku poziomym także wynosi 4δφ. W przypadku, gdy wiązka światła pada na zwierciadło 2' to jest ona także odchylana w kierunku poziomym o taki sam kąt 4δφ. Pozwala to na zastosowanie deflektora do czytnika informacji rozmieszczonych na płaszczyźnie,If there is a need to deflect the light beam 5 in the horizontal direction, an electrical voltage is applied to the electrodes 4a, 4b of the 4,4 'piezoelectric transducers. The beam 1 is bent in the horizontal direction and the deflection angle in the horizontal direction is also 4δφ. In the case when the light beam falls on the mirror 2 ', it is also deflected in the horizontal direction by the same angle 4δφ. This allows the use of the deflector to the reader of information distributed on the plane,

W deflektorze z belką 1 w postaci ostrosłupa przetworniki piezoelektryczne drgań ścinania 3, 3' pobudzone zmiennym napięciem elektrycznym przyłożonym do elektrod 3a, 3b powodują generacji fali giętnej i wyginanie belki 1 i odchylenie zwierciadła 2 w kierunku poziomym o kąt 2δφ, kąt deflekcji wiązki świetlnej wynosi 4δφ. Jednak amplituda drgań belki znacznie się zwiększa, a przez to i kąt odchylenia zwierciadła oraz kąt deflekcji zgodnie z zależnością: P = Ag V³ S², gdzie: P - moc generowanej fali giętnej, A - powierzchnia przekroju belki 1, g - gęstość tworzywa z którego wykonana jest belka, V - prędkość fali giętnej, a S - amplituda wygięcia. Jak wynika z powyższej zależności amplituda fali giętnej rośnie w kwadracie gdy maleje przekrój belki 1. Dzięki temu bardzo rośnie kąt dyflekcji 4 δφ jeśli belka 1 ma postać ostrosłupa i w miejscu gdzie jest zamocowane zwierciadło amplituda może wzrosnąć kilkaset razy. Ze względu na duże wygięcie ostrosłupa koniecznym jest aby był on wykonany z materiału o dużej wytrzymałości na zginanie.In a deflector with a beam 1 in the form of a pyramid, piezoelectric transducers of shear vibrations 3, 3 ', excited by the alternating electric voltage applied to the electrodes 3a, 3b, generate a bending wave and bend beam 1 and deflect the mirror 2 in the horizontal direction by the angle 2δφ, the deflection angle of the light beam is 4δφ. However, the amplitude of the beam vibrations significantly increases, and thus the angle of the mirror deflection and the deflection angle according to the relationship: P = Ag V ³ S ² , where: P - power of the generated bending wave, A - beam 1 cross-section area, g - material density the beam is made of, V - the speed of the bending wave, and S - the amplitude of the bending. As can be seen from the above dependence, the amplitude of the bending wave increases in the square when the cross-section of the beam 1 decreases. As a result, the diffusion angle 4 δφ increases significantly if the beam 1 has the shape of a pyramid and the amplitude may increase several hundred times in the place where the mirror is mounted. Due to the large bend of the pyramid, it is necessary that it be made of a material with high bending strength.

183 225183 225

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 50 copies. Price PLN 2.00.

Claims

Patent claims

A light deflector comprising at least one piezoelectric shear transducer and a mirror, characterized in that it is in the form of a beam (1) with a rectangular, preferably square cross-section, which has a mirror (2) attached at one end, and the other end of the beam is attached to a carriage (6) to which is fixed at least one pair of piezoelectric transducers (4) based on two opposite walls of the beam (1) at its other end.

2. Deflector according to claim The method according to claim 1, characterized in that at least one additional mirror (2 '), (2) is mounted on at least one wall of the beam (1) at its first end.

A deflector according to claim 1, characterized in that the transducers (4, 4 ', 3, 3') rest against the beam via the projections (3A, 3B, 4A, 4B).

4. A deflector according to claim 1 A pyramid-shaped cross section according to any of the preceding claims, characterized in that the beam (1) has a pyramid-shaped cross-section tapering towards the first end.