Метод расчета сканирующего блока лазерного сканера и оптимизация его габаритных размеров

I E Gusarov; A I Kalugin; E A Antonov; V Yu Trubitsin

doi:10.22213/2413-1172-2022-4-37-46

Authors

I. E. Gusarov Udmurt Federal Research Center UB RAS
A. I. Kalugin Udmurt Federal Research Center UB RAS
E. A. Antonov Udmurt Federal Research Center UB RAS
V. Y. Trubitsin Udmurt Federal Research Center UB RAS

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2022-4-37-46

Keywords:

scanner, scanning system, parameters of the scanning system, optimization of parameters, prism deflector

Abstract

A prism deflector, which is a multifaceted prism with reflective edges, is the most common scanning element that allows fast filling of a wide scanning area with laser radiation pulses along one coordinate. To carry out the movement of laser radiation along the second coordinate of the region under study a second scanning element, for example, a flat oscillating mirror, should be used. The overall dimensions of the scanning elements and the scanning unit as a whole depend on the free parameters that are set at the system development stage. The paper proposes a mathematical model designed for automated calculation of a scanning unit consisting of a prism deflector, a fixed flat mirror, an oscillating flat mirror, and a laser exit window. The described model makes it possible to calculate the overall parameters of system optical elements and the layout of the block based on the required characteristics of the scanned area and free parameters, which include the angle of radiation supply to the face of the prism deflector, the tilt angle of the fixed mirror, and one of the coordinates of the laser output window position relatively to the center of the prism deflector. In this case, the first two mentioned parameters are of the greatest interest from the point of view of minimizing and optimizing the overall dimensions of the scanning elements and the scanning unit as a whole. Based on the above model, an analysis of the dependence of the overall dimensions of the scanning elements and the scanning unit as a whole was carried out. The paper describes the layout features of the scanning unit. Recommendations for choosing the value of such free parameters as the angle of radiation supply to the face of the prism deflector and the angle of inclination of a flat fixed mirror are given. The obtained results can be used in the development of automated systems for the design of laser scanning devices.

Author Biographies

I. E. Gusarov, Udmurt Federal Research Center UB RAS

Udmurt Federal Research Center UB RAS

A. I. Kalugin, Udmurt Federal Research Center UB RAS

PhD (Physics and Mathematics)

E. A. Antonov, Udmurt Federal Research Center UB RAS

PhD (Physics and Mathematics)

V. Y. Trubitsin, Udmurt Federal Research Center UB RAS

DSc (Physics and Mathematics), Head of Laboratory “MLL”

References

Низаметдинов Н. Ф., Моисеев П. А., Воробьев И. Б. Лазерное сканирование и аэрофотосъемка с БПЛА в исследовании структуры лесотундровых древостоев Хибин // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2021. № 4 (382). С. 9-22. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-9-22.

Новиков В. В. Воздушное лазерного сканирование на базе БПЛА для изучения объектов археологии в Европейской части России // Поволжская Археология. 2022. № 1 (39). С. 232-246. DOI: 10.24852/ pa2022.1.39.232.246.

Калугин А. И., Зарипов М. Р., Антонов Е. А. Лазерная локационная система обнаружения и распознавания малоразмерных объектов // Интеллектуальные системы в производстве. 2020. Т. 18, № 1. С. 9-14. DOI: 10.22213/2410-9304-2020-1-9-14.

Лукьянова М. С., Солодунов А. А. Возможности применения лазерного сканирования // Студенческие научные работы землеустроительного факультета : сборник статей по материалам международной студенческой научно-практической конференции, Краснодар, 19 февраля 2020 г. Краснодар : Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина, 2020. С. 118-123.

Кириллова А. И., Сапай А. А., Пантюшина Л. Н. О возможностях создания информационных моделей исторических зданий на основе технологии лазерного сканирования // Ползуновский альманах. 2022. № 1. С. 87-90.

Артамонов С. И., Грязнов С. И., Купренюк В. И. Выбор сканера для лазерной локационной системы // Оптический журнал. 2016. Т. 83, № 9. С. 51-59.

Marshall G.F., Stutz G.E. Handbook of optical and laser scanning. Taylor and Francis Group, 2014, 789 p.

Romer G.R.B.E., Bechtold P. Electro-optic and acousto-optic laser beam scanners. Physics procedia, 2014, no. 56, pp. 29-39. DOI: 10.1016/j.phpro.2014. 08.092.

Gerald F. Marshall, Glenn E. Stutz. Handbook of Optical and Laser Scanning, Second Edition. New York, Marcel Dekker publishing, 2004, 291 p.

Duma V.-F. Analysis of polygonal mirror scanning heads: from industrial to high-end applications in swept sources for OCT. Proc. of SPIE - Design and Quality for Biomedical Technologies X, 2017, vol. 10056, pp. 100560 P-1 100560P-11. DOI: 10.1117/12.2251023.

Duma V.-F., Duma M.-A. Optomechanical analysis and design of polygon mirror-based laser scanners. Appl. Sci, 2022, vol. 12, pp. 5592. DOI: 10.3390/app12115592.

Hoang 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.438850.

Duma V.-F. Laser scanners with oscillatory elements: design and optimization of 1D and 2D scanning functions. Appl. Mathematical modeling, 2019, vol. 67, pp. 456-476. DO: 10.1016/j.apm.2018.11.001.

Sun C., Liu Y., Li B., Su W. Modeling and optimization of a novel ScAIN-Based MEMS scanning mirror with large static and dynamic two-axis tilting angles. Sensors, 2021, vol. 21, pp. 5513. DOI: 10.3390/s21165513.

Liu C.-S., Tsai C.-H. Design and characterization of innovative optical prism for four-degree-of-freedom fast steering mirror active laser compensation system. Rev. Sci. Instrum., 2022, vol. 93, pp. 045002. DOI: 10.1063/5.0080069.

Выскуб В. Г. Возможности и ограничения составных сканаторов // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 5. С. 74-82.

Выскуб В. Г. Управление оптическими пучками с применением взаимно дополняющих сканаторов // Инноватика и экспертиза: научные труды. 2020. № 2 (30). С. 125-138. DOI: 10.35264/1996-2274-2020-2-125-138.

Эминов Р. А., Гусейнли Э. И. Оптимизация лазерного сканирования для определения маршрута прокладки нефтегазовых трубопроводов // Проблемы сбора, подготовки и транспортировки нефти и нефтепродуктов. 2019. № 2 (118). С. 91-96.

Ганиева С. А., Вердиев С. Б. Вопросы оптимизации функционирования лазерного сканера в режиме измерения деформаций // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: строительство и архитектура. 2019. Т. 19, № 2. С. 18-21. DOI: 10.14529/build190203.

Барышников Н. В., Степанов Р. О., Лебедев В. А. Анализ особенностей расчёта характеристик фонового излучения при решении задач лазерной локации в инфракрасном диапазоне спектра // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. 2022. № 1 (138). С. 4-19. DOI: 0.18698/0236-3933-2022-1-4-19.

Агачев А. Р., Непогодин И. А. Имитационная математическая модель оценки базовых характеристик лазерно-локационных устройств воздушных носителей // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли : материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Казань, 2018. Т. 3. С. 18-24.

Старовойтов Е. И., Савчук Д. В. Методы математического моделирования в проектировании бортовых лазерных локационных систем космических аппаратов // Радиостроение. 2021. № 3. С. 13-35. DOI: 10.36027/rdeng.0321.0000195.

Гусаров И. Е., Владимиров В. Д., Калугин А. И. Расчет параметров призменного дефлектора лазерного сканера // Приборостроение-2021 : материалы 14-й Международной научно-технической конференции. Минск, 2021. С. 399-401.