SU1764021A1 - Голографический дефлектор - Google Patents

Abstract

Использование: техника сканировани  лазерным пучком. Сущность изобретени : дефлектор содержит прозрачный диск с размещенными на нем голограммами, генерированными компьютером, оптический элемент дл  формировани  лазерного пучка расход щейс  сферической волны, узел дл  перемещени  голограммы. Голограммы состо т из кольцевых зон, центр каждой из которых расположен в плоскости диска и смещен относительно центра диска. Кольцевые зоны выполнены как проекции на плоскость голограммы поверхности чередующихс  темных и светлых сегментов сферической зонной пластинки, образованной в результате интерференции первой и второй расход щихс  сферических волн, отсто щих от плоскости диска на рассто нии F0 и Fr, причем Fr Fo, где F0 - радиус поверхности сферической зонной пластинки, в центре которой размещен источник первой сферической волны, Fr рассто ние от источника второй сферической волны до поверхности сферической зонной пластинки вдоль линии, соедин ющей источники волн. s Ё

Description

Предлагаемое изобретение относитс  к технике сканировани  лазерного пучка с помощью голографических оптических решеток , генерированных компьютером.

Оно может быть использовано дл  управлени  положением и фокусировки лазер- ного пучка, например, в лазерных устройствах считывани  штриховых кодов товарной продукции, лазерных принтерах, диспле х, оптических камерах со сканированием изображени .

Известны лазерные сканирующие устройства , которые используют вращающиес  голографические оптические решетки, Сканирующее устройство содержит отклон ющие интерференционные решетки, расположенные на прозрачных дисках в непосредственной близости одна от другой и наход щиес  в параллельных плоскост х.

Шаг интерференционных решеток посто нный . Обычно решетку дел т на четыре равных сектора, в каждом из которых линии решетки параллельны. Сканирующее средство содержит также средства дл  синхронного вращени  диска вокруг параллельных осей в противоположных направлени х Пучок лазера проходит через решетки перпендикул рно каждой из них и осуществл ет линейное сканирование экрана. Недостатком такого лазерного сканирующего устройства  вл етс  необходимость использовани  дополнительной оптики дл  фиксировани  лазерного пучка и нелинейна  зависимость положени  лазерного пучка в плоскости экрана от угла поворота интерференционных решеток 1.

Известны также лазерные сканирующие устройства, содержащие вращающиес 

VI О

N

S

голограммы, генерированные компьютером , с пространственно измен емой частотой , обеспечивающие безизгибное (пр молинейное) сканирование лазерного пучка 2.

Такие сканирующие устройства содержат прозрачный диск, на котором нанесена оптическа  решетка. Решетка помещена так, что часть ее освещаетс  лазерным пучком . Сканирующее устройство содержит также средство дл  вращени  диска вокруг оси таким образом, что пучок света освещает различные элементарные участки голограммы . Голограмма генерирована компьютером и имеет структуру, характери- зуемую нелинейным распределением рассто ний между полосами в направлении радиальном относительно оси вращени  решетки и тангенциальном относительно направлени  вращени . При вращении лазерного диска пучок, проход щий через голограмму, отклон етс  на угол, пропорциональный углу поворота диска. При этом дл  того, чтобы обеспечить коррекцию аберраций сканирующего лазерного п тна между диском и плоскостью сканировани  размещена дополнительна  оптика.

Рассмотренные сканирующие устройства , содержащие вращающиес  диски с различными конфигураци ми голографиче- ских оптических решеток, либо не обеспечи- ваютс  пр молинейной траектории сканировани , либо требуют вспомогательной оптики дл  коррекции аберраций скани- рующего лазерного п тна. Наиболее близким по технической сущности за вл емого изобретени   вл етс  выбранный в качестве прототипа голографический сканере фокусировкой пучка, не требующий при этом вспомогательной оптики и осуществ- л ющий безизгибное плоское сканирование лазерного пучка 3. Лазерный сканер содержит плоский прозрачный диск, разделенный на целое число секторов. В каждом из секторов в кольцевой зоне помещена го- лограмма, сктуктура которой симметрична относительно оси симметрии каждого сектора . Голографический сканер содержит также источник света с длиной волны AI, пучок которого через линзу попадает на уча- сток голограммы перпендикул рно поверхности диска. Нанесенные на диске голограммы представл ют собой гологра- фические линзы, интерференционные картины которых удовлетвор ют уравнению

(2 /Шг(п)2 + Ро2)1/ -Fo +

+(r(n)2 + Fo2)1/2-Fr 27rn,(1)

где Fo, Fr - рассто ние между точками, из которых выход т расход ща с  и сход ща с  сферические волны с голограммой; Яа - длина волны расход щейс  сферической волны; п - целое число, г(п) - радиус интерференционной картины с центром, расположенным на пересечении пр мой линии, соедин ющей точки сходимости и расходимости , сферических волн и голограммы.

Значени  F0 и Fr выбраны так, что обеспечивают формирование изображени  на сканирующей поверхности на оптической оси при г(п) 0, но не удовлетвор ют условию формировани  изображени  на сканирующей поверхности в области удаленной от оптической оси.

Рассмотренный голографический лазерный сканер обеспечивает фокусировку лазерного пуска без дополнительной оптики , корректирующей аберрации сканирующего лазерного п тна, однако траектори  сканировани  представл ет собой некую кривую, минимальна  погрешность отклонени  которой от пр мой линии достигаетс  тем, что голограммы на диске располагают таким образом, чтобы дл  отношений (Хс - R)/F и R/F выполн лось условие

-0,15R/F + 0,7

-0,15R/F + 0,9,(2)

где R - рассто ние от центра диска до точки падени  лазерного пучка, Хс - рассто ние от центра диска до точки голограммы, в котором г равно 0; F - фокусное рассто ние голограммы.

Целью изобретени   вл етс  повышение разрешающей способности за счет уменьшени  аберраций сканирующего лазерного п тна и уменьшение погрешности отклонени  траектории сканировани  от пр мой линии.

Эта цель достигаетс  тем, что кольцевые зоны голограммы выполнены как проекци  на плоскость диска поверхности чередующихс  темных и светлых сегментов сферической зонной пластинки, образованной в результате интерференции первой и второй расход щихс  сферических волн, отсто щих от плоскости диска на рассто нии FO и Fr, где FO - радиус-поверхности сферической зонной пластинки, в центре которой размещен источник первой сферической волны, Fr - рассто ние от источника второй сферической волны до поверхности сферической зонной пластинки вдоль линии соедин ющей источники сферических волн, причем Fr FO, а также тем, что ось вращени  диска располагаетс  под углом к оптической оси оптического элемента, формирующего фронт расход щейс  сферической волны,

На фиг. 1 приведена функциональна  схема топографического дефлектора; на фиг, 2 - схема расположени  двух точечных источников расход щихс  сферических волн, обеспечивающих формирование сфе- рической зонной пластинки, и проекций сферических сегментов этой пластинки на плоскость, перпендикул рную оси, соедин ющей точечные источники сферических волн А и В; на фиг. 3 - расположение голо- грамм на диске.

Голографический дефлектор (фиг. 1) содержит лазер 1, световой пучок 2 который направлен через оптический элемент 3 на прозрачный диск 4 с размещенными на нем синтезированными компьютером голограммами 5-10, механизм 11 дл  перемещени  диска 4 относительно лазерного пучка 12 расход щейс  сферической волны, формируемого оптическим элементом 3, причем ось вращени  диска 4 расположена под углом к оптической оси оптического элемента. Направление вращени  диска 4 и направление перемещени  сканирующего пучка 13 обозначены соответственно 14 и 15,

Работает лазерное сканирующее устройство (фиг. 1) следующим образом. Лазерный пучок света 2 от лазера 1 проходит через оптический элемент 3, который в точке S формирует точечный источник света. Сферическа  волна лазерного пучка 12, пройд  через голограмму, дифрагирует под углом Qd и фокусируетс  в плоскости сканировани ,

При вращении диска 4 с помощью меха- низма 11 участки голограммы 5-10 с различной пространственной частотой последовательно предъ вл ютс  лазерному пучку 12 и вызывают повтор ющиес  перемещени  лазерного пучка 13 в плоскости сканировани  в направлении указанном стрелкой 15.

Диск 4, перемещаемый относительно лазерного пучка 12 (фиг. 2), разделен на целое число секторов, в каждом из которых размещена голограмма 5-10. выполненна  таким образом, что ее оптическа  ось располагаетс  на рассто нии Хс, большем чем средний радиус R голограммы диска. Голограмма представл ет собой чередующиес  темные 16 и светлые 17 кольцевые зоны.

Кольцевые зоны 16 и 17 получены (см. фиг, 3) как проекции на плоскость голограммы 18 темных и светлых сегментов сферической зонной пластинки 19 дл  границ зон которых, оптическа  разность хода двух точечных источников света расположенных в точках А и В, удовлетвор ет уравнению

(Fr(n) + Fo) - Fr + Fo) nA/2,

где Fr, FO - рассто ни  соответственно от точечных источников света В и А до плоскости 18 вдоль пр мой, соедин ющей эти точечные источники, п - номер сферического сегмента, А - длина волны точечных источников света,

Выразив в уравнении (3) значение Fr(n) через г(п) и проекцию Fr{n) на ось АВ, представленную на фиг. 3 суммой Fr + h(n), no лучим

(Fr + h(n)}2 + r(n) - Fr п Я/2 (4) где r(n) - радиус границы n-й зоны сферического сегмента голограммы 18, относительно оси АВ.

Значение h(n) получим, решив уравнение

FKn)2 - ( Fr + h(n)2 F02 - (F0 - h(n)2, (5)

HM-fFKnr-Fr VWr+Fo)).

(6)

Подставив Fi{n), вз тое из (З), получим h(n) (n AFr + n2 A /4)/(2.(Fr + Fo) (7)

С учетом уравнени  (7) уравнение (4) теперь

выгл дит так

15 20 25

30 35 40

45 50

55

(F2 +

nAFr + n2A2/4

2 ( Fr + Fo ) 1/2

)2 +

(8)

r(n)2 v

Уравнение 8  вл етс  условием формировани  сферической зонной пластинки 18, проекции зон сферических сегментов которой на плоскость, перпендикул рную оси АВ,  вл ютс  зернами голограммы, размещаемой на диске 4. Границы этих зон найдем при решении уравнени  (8) относительно г(п).

f г ( n Fr + n 2 А/г ) V2 (9)

AFC

+ FC

, ч Г А

(ТЪТ1Т2 П Fr + n2A/4)/2J2

Так как длина волны света много меньше как Fr, так и Fo, последним членом уравнени  (9) можно пренебречь. Тогда радиусы границ кольцевых зон голограммы наносимой на диск 4, получаютс  равными г(п) - (nA FrFo + h2 A2F0/4)/ /(Fr+F0)1/2(10)

Использование голограммы, радиусы границ чередующихс  темных и светлых кольцевых зон которых выполнены в соответствии с уравнением 10, позвол ет уменьшить аберрации сканирующего лазерного п тна и увеличить разрешающую способность устройства.

Как известно, при восстановлении голограммы , интерференционна  картина которой удовлетвор ет уравнению (1), длиной волны большей, чем длина волны записи, фокусировка сканирующего п тна будет осуществл тьс  на рассто нии b(r) определ емом из выражени 

1/a+1/b(r)1/F(11)

где а - рассто ние от точечного источника до плоскости голограммы, F- фокусное рассто ние голограммы. Это условие соответствует формированию изображени  на сканируемой поверхности вблизи оптической оси.

Увеличение развертки М дл  лазерных голографических устройств дискового типа может быть определено как

M b(tg#d)/R + 1/F(12)

где в соответствии с обозначени ми, прин тыми-на фиг. 1 и фиг. 2, #d - угол дифракции сканирующего пучка, b - рассточние от плоскости голограммы до плоскости сканировани , R - средний радиус голограмм 5-10, размещенных в секторах диска 4. Из этого уравнени  следует, что большое увеличение можно получить, если дифракционный угол большой. В этом случае длинна  лини  сканировани  может быть получена даже, если угол вращени  диска и мал. При этом, как показано в описании патента устройства прототипа (3) в окрестност х некоторого дифракционного угла В в плоскости сканировани  наблюдаетс  коррекци  аберраций лазерного п тна.

В предлагаемом техническом решении эта зона расшир етс  за счет того, что голограмму , формируемую от двух точечных источников на сферической поверхности, можно рассматривать как множество параллельных друг другу плоских зонных пластинок , у которых один и тот же фокус, но разные рассто ни  от источника сферических волн. Дл  этих зонных пластинок также будет выполн тьс  соотношение (11). Однако , поскольку эти зонные пластинки сведены в одну плоскость, то дл  зонных пластинок, формирующих больший дифракционный угол, рассто ние до источника сферических волн, освещающих голограмму, становитс  большим, а рассто ние до плоскости формировани  изображени  меньшим . Благодар  этому достигаетс  дополнительна  коррекци  аберраций сканирующего п тна, и, следовательно увеличение разрешающей способности лазерного сканирующего устройства.

Уменьшение погрешности отклонени  траектории сканировани  от пр мой линии

достигаетс  тем, что ось вращени  диска повернута под небольшим углом к оптической оси оптического элемента, лежащем в пределах 1-2°. Экспериментальные исследовани  и компьютерный расчет погрешности отклонени  траектории сканировани  от пр мой линии показали, что при одинаковой длине развертки отклонение траектории сканировани  от пр мой линии в три раза

Claims (2)

1. Голографический дефлектор, содержащий лазерный источник излучени , диск, разделенный на несколько секторов, выполненных в виде голограмм, записанных от двух сферических волн, одна из которых

расход ща с , причем центр каждой голограммы расположен в плоскости диска, перпендикул рного к линии, соедин ющей источники сферических волн, и смещен относительно центра диска, оптический элемент дл  формировани  лазерного пучка расход щейс  сферической волны, узел дл  перемещени  голограмм относительно этого пучка, отличающийс  тем, что, с целью повышени  разрешающей способности за счет уменьшени  аберраций сканирующего лазерного п тна, кольцевые зоны голограммы выполнены как проекции на плоскость диска поверхности, содержащей чередующиес  темные и светлые сегменты

сферической зонной пластинки, образованной за счет интерференции первой и второй расход щихс  сферических волн, отсто щих от плоскости диска на рассто ни х F0 и Fr, где FO - радиус поверхности сферической

зонной пластинки, в центре которой размещен источник первой сферической волны, Fr - рассто ние от источника второй сферической волны до поверхности сферической зонной пластинки вдоль линии, соедин ющей источники, при этом Fr F0.

2. Дефлектор поп. 1,отличающий- с   тем, что, с целью уменьшени  погрешности отклонени  траектории сканировани  от пр мой линии, ось вращени  диска расположена под углом к оси оптического элемента .

r

s

Ч

9и г 2

&