ОПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР

Изобретение относится к оптике, в частности, к оптическим информационно-измерительным системам, и может найти применение в системах управления положением луча в пространстве.
Из широкого спектра существующих способов отклонения луча в пространстве наиболее распространенным является электромеханический способ управления угловым положением зеркала. Проблемной задачей при создании оптических дефлекторов с электромагнитным приводом является обеспечение высокой точности и высокого быстродействия отработки задаваемых углов поворота и сканирования зеркала.
Известен оптико-механический дефлектор, содержащий корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод и систему управления [Патент РФ №2212045, МКИ G02F 1/29, опубл. 10.09.2003 г.].
Недостатком данного устройства является отсутствие цепи обратной связи. Кроме того, зеркало может совершать колебания только вокруг одной оси.
Известно также техническое решение [А.С. СССР №1756853, МКИ G02F 1/29, опубл. 23.08.1992 г.], в котором магнитоэлектрический дефлектор содержит корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод, датчик угла и систему управления.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции. Кроме того, зеркало может совершать колебания только вокруг одной оси.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для пространственного отклонения луча [Патент РФ №2205439, МПК G02F 1/29, опубл. 27.05.2003 г.], содержащее корпус, в котором установлено зеркало в упругом подвесе, исполнительный привод, включающий магнитные системы и катушки, и источник излучения.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность при отработке углов отклонения зеркала из-за отсутствия цепи обратной связи, а также большая масса и габариты подвижного узла.
Задачей настоящего изобретения является увеличение быстродействия, повышение точности при отработке углов отклонения зеркала, повышение надежности, а также уменьшение массы и габаритов подвижного узла.
Технический результат получен за счет того, что в оптическом дефлекторе, содержащем корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод, включающий магнитные системы и катушки, датчики угла, арретир и систему управления, подвес может быть выполнен в виде крестообразной упругой пластины, два противоположных конца которой закреплены на зеркале, а два других конца закреплены на корпусе, пяти круглых торсионов, двух плоских торсионов и четырех штоков, противоположные концы которых закреплены на четырех вершинах двух плоских торсионов, центральные части которых закреплены на корпусе, четыре из пяти круглых торсионов одними концами закреплены по периферии зеркала с его обратной стороны, а другими концами закреплены на торцах каждого их четырех штоков, один конец пятого круглого торсиона закреплен в центре зеркала на его обратной стороне, а другой конец закреплен на корпусе. Исполнительный привод может быть выполнен из четырех электромагнитов, причем все четыре магнитные системы закреплены на корпусе, а каждая из четырех катушек закреплена на одном из четырех штоков подвеса зеркала. Четыре датчика угла, каждый из которых содержит закрепленный на корпусе трехполюсный статор, на среднем полюсе которого закреплена катушка с обмоткой возбуждения, а на крайних полюсах закреплены катушки с сигнальными обмотками, и якорь, закрепленный на одном из четырех штоков подвеса зеркала. Арретир может быть выполнен в виде постоянного магнита, закрепленного на корпусе, и катушки, закрепленной на оси, установленной на двух плоских пружинах, свободные концы которых закреплены на корпусе, а их центральные части закреплены на противоположных концах оси. Система управления может быть выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.
При исполнении оптического дефлектора, у которого угловые развороты зеркала обеспечиваются поступательными перемещениями катушек исполнительного привода и подвижных частей датчиков угла, достигается повышение точности, повышение надежности, увеличение быстродействия, а также уменьшение массы и габаритов подвижного узла.
Сущность изобретения отражена на чертежах.
На фиг.1 представлен общий вид оптического дефлектора.
На фиг.2 представлено зеркало с крестообразной упругой пластиной.
На фиг.3 представлена система подвеса подвижных штоков.
На фиг.4 представлена конструкция штока с датчиком угла и исполнительным приводом.
На фиг.5 представлена кинематическая схема упругого подвеса зеркала (крестообразная упругая пластина с целью упрощения на схеме не показана).
Оптический дефлектор (фиг.1, 2, 3, 4, 5) содержит корпус 1, в котором установлено зеркало 2 в упругом подвесе. Подвес выполнен в виде крестообразной упругой пластины 5, два противоположных конца которой закреплены на зеркале 2, а два других конца закреплены на корпусе 1, пяти круглых торсионов 6, двух плоских торсионов 7 и четырех штоков 8, противоположные концы которых закреплены на четырех вершинах двух плоских торсионов 7, центральные части которых закреплены на корпусе 1. Четыре из пяти круглых торсиона 6 одними концами закреплены по периферии зеркала 2 с его обратной стороны, а другими концами закреплены на торцах каждого их четырех штоков 8. Один конец пятого круглого торсиона 6 закреплен в центре зеркала 2 на его обратной стороне, а другой конец закреплен на корпусе 1 в центре плоского торсиона 7. Исполнительный привод содержит четыре электромагнита 3, каждый из которых содержит магнитную систему и катушку 4. Все четыре магнитные системы закреплены на корпусе 1, а каждая из четырех катушек 4 закреплена на одном из четырех штоков 8 подвеса зеркала 2. Каждый из четырех датчиков угла (фиг.4) содержит закрепленный на корпусе 1 трехполюсный статор 9, на среднем полюсе которого закреплена катушка с обмоткой возбуждения 10. На крайних полюсах статора 9 закреплены катушки с сигнальными обмотками 11. Якорь 12 каждого из четырех датчиков угла закреплен на одном из четырех штоков 8 подвеса зеркала 2. Арретир содержит постоянный магнит 13, закрепленный на корпусе 1, и катушку, закрепленную на оси 14, установленной на двух плоских пружинах 15, свободные концы которых закреплены на корпусе 1, а их центральные части закреплены на противоположных концах оси 14. Система управления на чертежах не показана и выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.
Предложенный оптический дефлектор работает следующим образом. До начала работы дефлектора зеркало 2 зафиксировано с помощью подпружиненной оси 14 арретира. Перед началом работы на катушку электромагнита 13 арретира подается электрический сигнал из блока управления. Ось 14 арретира втягивается, сжимая пружину, и зеркало 2 получает возможность отклоняться вокруг двух взаимноперпендикулярных осей. Для поворота зеркала 2 вокруг одной из осей управляющие сигналы поступают на катушки двух соответствующих электромагнитов 3 исполнительного привода. При этом происходит линейное перемещение ΔZ (фиг.5) штоков 8 относительно корпуса 1. При этом происходит изгиб плоских торсионов 7 и круглых торсионов 6. Зеркало 2 поворачивается на угол β (фиг.5). Аналогичным образом для разворота зеркала 2 по другой оси управляющие сигналы должны поступать на две другие катушки соответствующих электромагнитов 3 исполнительного привода. Таким образом поступательные перемещения штоков 8 приводят к угловым перемещениям зеркала 2. Измерение углов разворота зеркала 2 осуществляется с использованием четырех датчиков углов 4 (фиг.4). Сигналы с датчиков углов 4 поступают также в систему управления для формирования контуров обратной связи в системе управления зеркалом 2. Предлагаемое устройство позволяет достичь минимальных габаритов и массы. Так, масса подвижного зеркала в изготовленном опытном образце не превышает 10 грамм. Оптическая отражающая поверхность зеркала может быть выполнена в форме эллипса с размерами 20×33 мм. Предлагаемый дефлектор может работать как в режиме установки луча на заданные углы, так и в режиме сканирования. В первом случае дефлектор работает в диапазоне ±0,1 рад. с временем отработки и временем возврата в исходное положение за 1-4 мс. В режиме сканирования дефлектор обеспечивает колебание луча с амплитудой ±0,3 мрад. и частотами до 2 кГц. Погрешности отработки задаваемых углов, удержания в нулевом положении и выдачи информации не превышают 150 мкрад. Функционирование дефлектора осуществляется с помощью блока управления, основным элементом которого является плата управления, обеспечивающая выполнение всех вычислительных и управляющих алгоритмов работы дефлектора.
Таким образом, может быть осуществлено управление положением луча в пространстве.
Заявленный оптический дефлектор позволяет увеличить быстродействие, повысить точность при отработке углов отклонения зеркала, повысить надежность, а также уменьшить массу и габариты подвижного узла.