pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2023-14-1-54-61pimi-809Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsРасчёт параметров призменного дефлектора лазерного сканераCalculation of Parameters of Prism Deflector for Laser ScannerГусаровИ. Е.GusarovI. E.

Адрес для переписки:Гусаров И.Е. –Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН, ул. имени Т. Барамзиной, 34, г. Ижевск 426067, Россияe-mail: gusarovie@udman.ru

Address for correspondence:Gusarov I.E. –Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,T. Baramzina str., 34, Izhevsk 426067, Russia e-mail: gusarovie@udman.ru

gusarovie@udman.ruКалугинА. И.KaluginA. I.

ул. имени Т. Барамзиной, 34, г. Ижевск 426067

T. Baramzina str., 34, Izhevsk 426067

АльесМ. Ю.AlyesM. Yu.

ул. имени Т. Барамзиной, 34, г. Ижевск 426067

T. Baramzina str., 34, Izhevsk 426067

АнтоновЕ. А.AntonovE. A.

ул. имени Т. Барамзиной, 34, г. Ижевск 426067

T. Baramzina str., 34, Izhevsk 426067

Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наукРоссияUdmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2023070420231415461Copyright © Гусаров И.Е., Калугин А.И., Альес М.Ю., Антонов Е.А., 20232023Гусаров И.Е., Калугин А.И., Альес М.Ю., Антонов Е.А.Gusarov I.E., Kalugin A.I., Alyes M.Y., Antonov E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/809

Призменный дефлектор, представляющий собой многогранную призму с отражающими гранями, является наиболее распространённым сканирующим элементом, который позволяет производить быстрое заполнение широкой области сканирования импульсами лазерного излучения по одной координате. Параметры призменного дефлектора связаны с характеристиками лазерного излучения, параметрами сканируемой области и положением дефлектора, а также ограничены различными факторами, например, требованиями безопасности или временем сканирования. Целью работы являлся анализ взаимосвязи параметров сканирующей системы (таких как угол подачи излучения на грань призменного дефлектора, диаметр лазерного пучка) с конструктивными параметрами её сканирующего элемента – призменного дефлектора.

Рассмотрен вариант расчёта частоты следования лазерных импульсов через количество лазерных пятен и их коэффициент перекрытия. Предложен метод расчёта характеристик призменного дефлектора, исходя из внешних параметров, таких как угол подачи излучения на грань и ширины гауссова пучка на выходе из оптической системы с размерами, безопасными для человеческого глаза. Приведены параметры призменных дефлекторов в зависимости от числа отражающих граней. Показана зависимость размера дефлектора от угла подачи излучения на отражающую грань.

При проектировании призменного дефлектора лазерного сканера, предназначенного для заполнения некоторой области сканирования с требуемым угловым размером σ, варьируя такие параметры как количество граней m и угол подачи α, можно добиться оптимальных для поставленной задачи характеристик дефлектора и режима сканирования.

The prism deflector which is a multifaceted prism with reflective facets is the most common scanning element that allows to quickly fill a wide scanning area with laser radiation pulses along one coordinate. The parameters of a prismatic deflector are related to the characteristics of the laser radiation of the scanned area parameters and of the deflector position, and are also limited by various factors, such as safety requirements or scanning time. The aim of this work was to analyze the relationship between the external operating conditions of a laser scanning system and the internal design parameters of a prism deflector.

A variant of calculating of laser pulses frequency by the number of spots and their overlap coefficient is considered. A method for calculating of a prism deflector characteristics based on external parameters, such as the angle of incidence of radiation to the facet and the width of the Gaussian beam with dimensions that are safe for а human eye is proposed. Рrismatic deflectors parameters are proposed depending on the number of reflecting facets. Dependence of a deflector size on the angle of radiation incidence to the reflecting face is shown.

When designing a prismatic deflector of a laser scanner used to fill a certain scanning area with the required angular size σ by varying such parameters as the number of faces m and the feed angle α it is possible to achieve optimal deflector characteristics and scanning mode for the task.

лазерное сканированиесканерпризменный дефлекторсканирующая системаlaser scanningscannerprismatic deflectorscanning systemReferencesНизаметдинов Н.Ф. Лазерное сканирование и аэрофотосъемка с БПЛА в исследовании структуры лесотундровых древостоев Хибин / Н.Ф. Низаметдинов, П.А. Моисеев, И.Б. Воробьев // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. – 2021. – № 4(382). – С. 9–22. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-9-22ReferencesНовиков В.В. Воздушное лазерное сканирование на базе БПЛА для изучения объектов археологии в Европейской части России / В.В. Новиков // Поволжская Археология. – 2022. – № 1(39). – С. 232–246. DOI: 10.24852/pa2022.1.39.232.246Nisametdinow N.F., Moiseev P.A., Vorobiev I.B. [Laser scanning and aerial photography with UAV in studying the structure of forest-tundra stands in the Khibiny Mountains]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Lesnoj zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 4, pp. 9–22 (in Russian). DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-9-22Калугин А.И. Лазерная локационная система обнаружения и распознавания малоразмерных объектов / А.И. Калугин, М.Р. Зарипов, Е.А. Антонов // Интеллектуальные системы в производстве. – 2020. – Т. 18. – № 1. – С. 9–14. DOI: 10.22213/2410-9304-2020-1-9-14Novikov V.V. [UAV lidar investigation archeology sites in European part of Russia]. Povolzhskaya arheologiya [The Volga River region archeology], 2022, no. 1, pp. 232–246 (in Russian). DOI: 10.24852/pa2022.1.39.232.246Singh A. A comprehensive study of auxiliary arrangements for attaining omniderectionality in additive manufacturing machine tools / A. Singh [et al.] // Journal of manufacturing science and engineering, 2020, vol. 143, pp. 050802-1–050802-17. DOI: 10.1115/1.4049094Kalugin A.I., Zaripov M.R., Antonov E.A. [Laser locator for detection and recognition of small objects]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve [Intelligent Systems in Manufacturing], 2020, vol. 18, no. 1, pp. 9–14 (in Russian). DOI: 10.22213/2410-9304-2020-1-9-14Соломатин В.А. Пространственно-частотные характеристики лазерных сканеров / В.А. Соломатин // Оптический журнал. – 2020. – Т. 87. – № 4. – С. 19–27. DOI: 10.17586/1023-5086-2020-87-04-19-27Singh A., Negi S., Kapil S., Karunakaran K.P., Das M. A comprehensive study of auxiliary arrangements for attaining omniderectionality in additive manufacturing machine tools. Journal of manufacturing science and engineering, 2020, vol. 143, pp. 050802-1–050802-17. DOI: 10.1115/1.4049094Marshall G.F. Handbook of optical and laser scanning, second edition / G.F. Marshall, G.E. Stutz // Taylor and Francis Group, 2014, 789 p.Solomatin V.A. [Spatial-frequency characteristics of laser scanners]. Opticheskij zhurnal [Journal of Optical Technology], 2020, vol. 87, no. 4, pp. 19–27 (in Russian). DOI: 10.17586/1023-5086-2020-87-04-19-27Beiser L. Unified optical scanning technology / L. Beiser // John Wiley and Sons, 2003, 191 p.Marshall G.F., Stutz G.E. Handbook of optical and laser scanning, second edition. Taylor and Francis Group, 2014, 789 p.Duma V.-F. Analysis of polygonal mirror scanning heads: from industrial to high-end applications in swept sources for OCT / V.-F. Duma // Proc. SPIE, Design and Quality for Biomedical Technologies X, 14 March 2017, vol. 10056, pp. 100560P-1–100560P-11. DOI: 10.1117/12.2251023Beiser L. Unified optical scanning technology. John Wiley and Sons, 2003, 191 p.Duma V.-F. Numerical and experimental study of the characteristic functions of polygon scanners / V.-F. Duma, M. Nicolov // Proc. SPIE, Modeling Aspects in Optical Metrology II, 17 June 2009, vol. 7390, pp. 739015-1–739015-9. DOI: 10.1117/12.827443Duma V.-F. Analysis of polygonal mirror scanning heads: from industrial to high-end applications in swept sources for OCT. Proc. SPIE, Design and Quality for Biomedical Technologies X, 14 March 2017, vol. 10056, pp. 100560P-1–100560P-11. DOI: 10.1117/12.2251023Duma V.-F. Polygon mirror scanners in biomedical imaging: a review / V.-F. Duma, A.G. Podoleanu // Proc. SPIE, Optical Components and Materials X, 11 March 2013, vol. 8621, pp. 86210V-1–86210V-9. DOI: 10.1117/12.2005065Duma V.-F., Nicolov M. Numerical and experimental study of the characteristic functions of polygon scanners. Proc. SPIE, Modeling Aspects in Optical Metrology II, 17 June 2009, vol. 7390, pp. 739015-1–739015-9. DOI: 10.1117/12.827443Varughese K. Flattening the field of postobjective scanners by optimum choice and positioning of polygons / K. Varughese, K. Krishna // Appl. Opt., 1993, vol. 32, pp. 1104–1108. DOI: 10.1364/AO.32.001104Duma V.-F., Podoleanu A.G. Polygon mirror scanners in biomedical imaging: a review. Proc. SPIE, Optical Components and Materials X, 11 March 2013, vol. 8621, pp. 86210V-1–86210V-9. DOI: 10.1117/12.2005065Hoang H.-M. Non-back-reflecting polygon scanner with applications in surface cleaning / H.-M. Hoang // Opt. Express, 2021, vol. 29, pp. 32939–32950. DOI: 10.1364/OE.438850Varughese K., Krishna K. Flattening the field of postobjective scanners by optimum choice and positioning of polygons. Appl. Opt., 1993, vol. 32, pp. 1104– 1108. DOI: 10.1364/AO.32.001104Li Y. Asymmetric distribution of the scanned field of a rotating reflective polygon / Y. Li, J. Katz // Appl. Opt., 1997, vol. 36, pp. 342–352. DOI: 10.1364/ AO.36.000342Hoang H.-M., Choi S., Park C., Choi J., Ahn S.H., Noh J. Non-back-reflecting polygon scanner with applications in surface cleaning. Opt. Express, 2021, vol. 29, pp. 32939‒32950. DOI: 10.1364/OE.438850Артамонов С.И. Выбор сканера для лазерной локационной системы / С.И. Артамонов [и др.] // Оптический журнал. – 2016. – Т. 83. – № 9. – С. 51–58.Li Y., Katz J. Asymmetric distribution of the scanned field of a rotating reflective polygon. Appl. Opt., 1997, vol. 36, pp. 342–352. DOI: 10.1364/ AO.36.000342R. De Loor R. Polygon Scanner System for Ultra Short Pulsed Laser Micro-Machining Applications / De Loor // Physics Procedia, 2013, vol. 41, pp. 544– 551. DOI: 10.1016/j.phpro.2013.03.114Artamonov S.I., Gryaznov N.A., Kuprenyuk V.I., Romanov N.A., Sosnov E.N. [Choosing a scanner for a laser location system]. Opticheskij zhurnal [Journal of Optical Technology], 2016, vol. 83, no. 9, pp. 51–58 (in Russian).De Loor R. Polygon Scanner System for Ultra Short Pulsed Laser Micro-Machining Applications. Physics Procedia, 2013, vol. 41, pp. 544–551. DOI: 10.1016/j.phpro.2013.03.114De Loor R. Polygon Scanner System for Ultra Short Pulsed Laser Micro-Machining Applications. Physics Procedia, 2013, vol. 41, pp. 544–551. DOI: 10.1016/j.phpro.2013.03.114

The authors declare that there are no conflicts of interest present.