RU2183343C1

RU2183343C1 - Movable scanning device

Info

Publication number: RU2183343C1
Application number: RU2001114221A
Authority: RU
Inventors: Ф.А. Данилкин; В.Д. Дудка; В.В. Лагун; Е.В. Ларкин; Э.В. Чаусов
Original assignee: Тульский государственный университет
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-06-10

Abstract

FIELD: optical engineering. SUBSTANCE: device has carrier and flat mirror, angular mirror, objective and optical electronic transducer mounted in series. Gyroscope unit is mounted on the movable carrier. The unit has gyroscope and frame with objective, angular mirror and optical electronic transducer mounted thereon. The flat mirror is mounted on the gyroscope at an angle to its rotating axis. EFFECT: independent scanning trajectory. 1 dwg

Description

Подвижное сканирующее устройство предназначено для использования в оптических системах обзора местности и обнаружения объектов, в частности в системах ввода в ЭВМ изображений и других пространственных распределений светового потока. The mobile scanning device is intended for use in optical systems for surveying the terrain and detecting objects, in particular, in systems for inputting images into computers and other spatial distributions of the light flux.

Известны сканирующие устройства, содержащие подвижный носитель, объектив и оптико-электронный преобразователь, закрепленные на подвижном носителе неподвижно друг относительно друга таким образом, что оптико-электронный преобразователь установлен за объективом на пути распространения светового потока (Катыс Г.П. Оптические информационные системы роботов-манипуляторов. - М.: Машиностроение, 1977. - Рис.5, с.36; рис. 9, с.41, рис.13, с.58). Known scanning devices containing a movable medium, a lens and an optical-electronic converter mounted on a movable medium motionless relative to each other so that the optical-electronic converter is mounted behind the lens in the path of the light flux (Katys G.P. Optical information systems of robots manipulators. - M.: Mechanical Engineering, 1977. - Fig. 5, p. 36; Fig. 9, p. 41, Fig. 13, p. 58).

Известно также сканирующее устройство, содержащее подвижный носитель, объектив, оптико-электронный преобразователь и конический отражатель, закрепленные на подвижном носителе неподвижно друг относительно друга таким образом, что на пути распространения светового потока установлены последовательно конический отражатель, объектив и оптико-электронный преобразователь (Катыс Г. П. Оптические информационные системы роботов-манипуляторов. - М.: Машиностроение, 1977. - Рис.15. с.65). Also known is a scanning device comprising a movable carrier, a lens, an optoelectronic converter and a conical reflector fixed to the movable carrier immovably relative to each other in such a way that a conical reflector, a lens and an optoelectronic converter are installed in series with the light flux (Katys G P. Optical information systems for robotic manipulators. - M.: Mashinostroenie, 1977. - Fig. 15. P.65).

К недостаткам известных устройств можно отнести прямую зависимость траектории сканирования от закона перемещения носителя, что не позволяет использовать их в системах обзора местности и автоматического обнаружения объектов. The disadvantages of the known devices include the direct dependence of the scanning path on the law of movement of the medium, which does not allow their use in systems of terrain observation and automatic detection of objects.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности заявляемому (прототипом) является сканирующее устройство, содержащее плоское зеркало, установленное на носителе с возможностью вращения вокруг оси, составляющей с нормалью к плоскости зеркала острый угол, объектив и угловое зеркало, установленные неподвижно на носителе в параллельном ходе лучей за плоским зеркалом (А.с. 932447 (СССР). МПК 6 G 02 В 27/17, Б.И. 20, 1982 г.). Of the known devices closest in technical essence to the claimed (prototype) is a scanning device containing a flat mirror mounted on the carrier with the possibility of rotation around an axis, which is normal to the plane of the mirror, an acute angle, a lens and an angular mirror mounted motionless on the carrier in parallel rays behind a flat mirror (A.S. 932447 (USSR). IPC 6 G 02 B 27/17, B.I. 20, 1982).

К недостаткам известного устройства относится также зависимость траектории сканирования от закона перемещения носителя. The disadvantages of the known device also include the dependence of the scanning path from the law of movement of the medium.

Задача изобретения - обеспечение независимости траектории сканирования от закона перемещения носителя. The objective of the invention is the independence of the scanning path from the law of movement of the medium.

Указанная задача достигается тем, что в подвижное сканирующее устройство, содержащее носитель, а также расположенные последовательно в ходе лучей плоское зеркало, угловое зеркало и объектив, введены оптико-электронный преобразователь и установленный на подвижный носитель гироскопический блок, содержащий рамку и гироскоп, причем объектив, угловое зеркало и оптико-электронный преобразователь установлены на рамку гироскопического блока, а плоское зеркало установлено на гироскоп под углом к его оси вращения. This task is achieved by the fact that an optical-electronic converter and a gyroscopic unit mounted on a movable carrier, comprising a frame and a gyroscope, are introduced into a movable scanning device containing a carrier, as well as a flat mirror, an angle mirror and a lens arranged in series during the rays, an angular mirror and an optoelectronic converter are mounted on the frame of the gyroscopic unit, and a flat mirror is mounted on the gyroscope at an angle to its axis of rotation.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема подвижного сканирующего устройства. The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a movable scanning device.

В состав устройства, приведенного на чертеже, входят подвижный носитель 1, гироскопический блок 2, содержащий гироскоп 3 и рамку 4, плоское зеркало 5, установленное на гироскоп 3 под углом к оси его вращения, угловое зеркало 6, объектив 7 и оптико-электронный преобразователь 8, установленные на рамку 4 гироскопического блока 2. Пунктирной линией 9 показан ход лучей. The structure of the device shown in the drawing includes a movable carrier 1, a gyroscopic unit 2 containing a gyroscope 3 and a frame 4, a flat mirror 5 mounted on the gyroscope 3 at an angle to the axis of rotation, an angular mirror 6, a lens 7, and an optoelectronic converter 8 mounted on the frame 4 of the gyroscopic unit 2. The dashed line 9 shows the course of the rays.

Устройство работает следующим образом. Луч света 9 от наблюдаемого объекта (на чертеже не показан) последовательно отражается от плоского зеркала 5, углового зеркала 6, снова плоского зеркала 5, после чего с помощью объектива 7 фокусируется на оптическом входе оптико-электронного преобразователя 8. Объектив 7 фокусирует параллельный пучок лучей в точку, которая при вращении гироскопа 3 и установленного на нем плоского зеркала 5 движется в фокальной плоскости объектива 7 по прямолинейной траектории, параллельной ребру углового зеркала. The device operates as follows. A ray of light 9 from an observed object (not shown in the drawing) is sequentially reflected from a flat mirror 5, an angular mirror 6, again a flat mirror 5, after which it is focused using the lens 7 on the optical input of the optoelectronic converter 8. The lens 7 focuses a parallel beam of rays to the point which, when the gyroscope 3 and the flat mirror 5 mounted on it rotate, moves in the focal plane of the lens 7 along a rectilinear path parallel to the edge of the corner mirror.

Для доказательства того, что на выходе системы зеркал 5 и 6 параллельный пучок света 9 отклоняется строго в одной плоскости, параллельной ребру углового зеркала 6, достаточно показать, что пучок 9 не отклоняется в плоскости, перпендикулярной ребру углового зеркала 6. To prove that at the output of the system of mirrors 5 and 6, the parallel light beam 9 deviates strictly in one plane parallel to the edge of the corner mirror 6, it is enough to show that the beam 9 does not deviate in the plane perpendicular to the edge of the corner mirror 6.

Эквивалентную схему из четырех зеркал можно представить как два эквивалентных угловых зеркала:
первое - с углом между отражающими поверхностями Θ₁, образованное плоским зеркалом 5 и первым по ходу пучка зеркалом углового зеркала 6;
второе - с углом между отражающими поверхностями Θ₂, образованное вторым по ходу пучка зеркалом углового зеркала 6 и плоским зеркалом 5.An equivalent scheme of four mirrors can be represented as two equivalent corner mirrors:
the first - with an angle between the reflecting surfaces Θ ₁ , formed by a flat mirror 5 and the first along the beam mirror of the corner mirror 6;
the second - with an angle between the reflecting surfaces Θ ₂ , formed by the second along the beam mirror of the corner mirror 6 and a flat mirror 5.

Реальный угол между зеркалами углового зеркала 6 может быть обозначен σ. Из треугольника, образованного зеркалами 5 и 6, можно определить Θ₂ = π-Θ₁-σ. Известно, что угловое зеркало отклоняет падающий луч от своего первоначального направления на двойной угол. Тогда после первого эквивалентного углового зеркала пучок распространяется под углом 2Θ₁, а после второго эквивалентного зеркала - под углом 2Θ₁+2Θ₂ = 2Θ₁+2(π-Θ₁-σ) = 2π-2σ = -2σ. При вращении плоского зеркала 5 углы Θ₁ и Θ₂ меняются, однако конечный результат от них не зависит. При вращении гироскопа 3 вокруг оси Z нормаль к плоскости зеркала 5 описывает в пространстве коническую поверхность. Следовательно, параллельный пучок света при вращении зеркала 5, не отклоняясь в плоскости, перпендикулярной ребру углового зеркала 6, отклоняется в плоскости, параллельной ребру углового зеркала 6.The actual angle between the mirrors of the corner mirror 6 can be denoted by σ. From the triangle formed by mirrors 5 and 6, we can determine Θ ₂ = π-Θ ₁ -σ. It is known that an angular mirror deflects an incident beam from its original direction by a double angle. Then, after the first equivalent angle mirror, the beam propagates at an angle of 2Θ ₁ , and after the second equivalent mirror, at an angle of 2Θ ₁ + 2Θ ₂ = 2Θ ₁ +2 (π-Θ ₁ -σ) = 2π-2σ = -2σ. When the flat mirror 5 rotates, the angles Θ ₁ and Θ ₂ change, but the final result does not depend on them. When the gyroscope 3 rotates around the Z axis, the normal to the plane of the mirror 5 describes a conical surface in space. Therefore, a parallel light beam during rotation of the mirror 5, without deviating in a plane perpendicular to the edge of the corner mirror 6, is deflected in a plane parallel to the edge of the corner mirror 6.

При перемещении носителя 1 в пространстве происходят его повороты относительно осей Х и Y, причем гироскопический блок 2 при быстром вращении гироскопа 3 функционирует таким образом, что система координат XYZ, связанная с рамкой 4 гироскопического блока 2, сохраняет свою угловую ориентацию в пространстве при поворотах носителя 1 относительно осей Х и Y. Это приводит к угловой стабилизации оси вращения плоского зеркала 5, углового зеркала 6, объектива 7 и оптико-электронного преобразователя 8 относительно наблюдаемого объекта (на чертеже не показан) при одновременном обеспечении линейного сканирования наблюдаемого объекта с помощью плоского зеркала 5, установленного под углом к оси вращения гироскопа 3. When the carrier 1 moves in space, it rotates relative to the X and Y axes, and the gyroscopic unit 2, when the gyroscope 3 is rotated rapidly, functions in such a way that the XYZ coordinate system associated with the frame 4 of the gyroscopic unit 2 retains its angular orientation in space when the carrier rotates 1 relative to the X and Y axes. This leads to angular stabilization of the axis of rotation of the plane mirror 5, the corner mirror 6, the lens 7, and the optoelectronic converter 8 relative to the observed object (in the drawing not yet en) while ensuring the linear scan of the observed object using the plane mirror 5 mounted at an angle to the rotation axis 3 of the gyroscope.

Предлагаемое устройство позволяет получать линейную траекторию сканирования при движении носителя, что позволяет применять его в оптических системах обзора местности и обнаружения объектов, стыкуемых с обычными системами отображения информации с прямоугольными растрами. The proposed device allows to obtain a linear scanning path when the media moves, which allows it to be used in optical systems for viewing the terrain and detecting objects that fit into conventional information display systems with rectangular rasters.

Claims

A movable scanning device containing a carrier, as well as a flat mirror, an angular mirror and a lens arranged sequentially during the rays, characterized in that an optical-electronic converter and a gyro unit mounted on a movable carrier are introduced, including a gyroscope and a frame, the lens being angled the mirror and the optoelectronic converter are mounted on the frame of the gyroscopic unit, and the flat mirror is mounted on the gyroscope at an angle to the axis of its rotation.