УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМОГО ОПТИЧЕСКОГО СКАНЕРА
ELECTROSTATICALLY CONTROLLED OPTICAL SCANNER

Устройство относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам для изменения углового положения оптического луча.
Широко известны оптико-механические, акустооптические, электрооптические, магнито- и пьезоэлектрические устройства для углового отклонения оптического луча. Аналогом настоящего изобретения можно считать электрооптические устройства, в частности отклоняющие элементы, использующие призму из электрооптического кристалла [1]. В таких устройствах призма помещается в электрическое поле; под влиянием поля изменяется показатель преломления призмы и меняется направление преломленного луча.
Недостатками электрооптических устройств являются малый угол отклонения луча и влияние поляризации луча на отклонение.
Прототипом изобретения являются пьезоэлектрические сканеры, у которых имеется деформируемый электрическим полем элемент в виде биморфного пьезоэлемента, закрепленный на основании, электроды, нанесенные на противоположные друг другу поверхности упомянутого элемента, подключенные к источнику переменного напряжения; зеркало закреплено на биморфном пьезоэлементе и изменяет свой наклон при изгибе пьзоэлемента, вызванного подачей напряжения на проводящие электроды [2].
Недостатками прототипа являются малая скорость отклонения луча, что обусловлено механической инерционностью перемещения пьезоэлемента и зеркала при подаче напряжения, малой механической прочностью консольно закрепленного биморфного пьезоэлемента, малой допустимой лучевой нагрузкой вследствие невозможности эффективного теплоотвода от зеркала, что также вызвано сложностью закрепления зеркала.
Задача, решаемая в настоящем изобретении, заключается в устранении недостатков прототипа путем создания монолитного устройства оптического сканера, в котором зеркало и пьезоэлектрический преобразователь образуют единое целое между собой и с подложкой, являющейся основанием сканера.
Задача решается тем, что в электростатически управляемом оптическом сканере, содержащем зеркало, деформируемый электрическим полем элемент, закрепленный на основании, электроды, нанесенные на противоположные друг другу поверхности упомянутого элемента и подключенные к источнику переменного напряжения, предлагается упомянутый элемент выполнить из двух диэлектрических призм, соединенных гипотенузной гранью и имеющих одинаковые диэлектрические проницаемости, причем одна из призм не подвержена электростатической деформации, а зеркало закреплено на содержащей электрод катетной грани деформируемой электростатически призмы.
Предлагается также что деформируемая электростатически призма выполнена из пьезодиэлектрика или электроактивного диэлектрика.
Предлагается также, что упомянутое зеркало выполнено в виде металлизации поверхности призмы и является электродом.
Предлагается также, что упомянутая призма из деформируемого электростатически диэлектрика поляризована перпендикулярно поверхности упомянутого зеркала.
Предлагается также, что массив сканеров закреплен на поверхности общего основания эквидистантно в виде одномерной матрицы, причем поверхность основания плоская или имеет форму цилиндра, образующие которого параллельны продольным осям симметрии упомянутых зеркал.
Предлагается также, чтобы соседние упомянутые элементы были соединены попарно друг с другом катетными гранями упомянутых призм, не подверженных электростатической деформации.
Предлагается также, чтобы электростатически деформируемые призмы соседних упомянутых элементов были поляризованы коллинеарно и встречно.
Новым в предложенном решении задачи является то, что упомянутый элемент состоит из двух диэлектрических призм, соединенных гипотенузной гранью и имеющих одинаковые диэлектрические проницаемости, причем одна из призм не подвержена электростатической деформации, а зеркало закреплено на содержащей электрод катетной грани деформируемой электростатически призмы.
Новым является то, что деформируемая электростатически призма выполнена из пьезодиэлектрика или электроактивного диэлектрика.
Новым является то, что упомянутая призма из деформируемого электростатически диэлектрика поляризована перпендикулярно поверхности упомянутого зеркала.
Новым является то, что соседние упомянутые элементы соединены попарно друг с другом катетными гранями упомянутых призм, не подверженных электростатической деформации.
Новым является то, что электростатически деформируемые призмы соседних упомянутых элементов поляризованы коллинеарно и встречно.
Новым является то, что массив сканеров закреплен на поверхности общего основания эквидистантно в виде одномерной матрицы, причем поверхность основания плоская или имеет форму цилиндра, образующие которого параллельны продольным осям симметрии упомянутых зеркал.
На фиг.1 представлен в качестве примера схематически вариант конструкции сканера, на фиг.2 - его функционирование, на фиг.3 - общий вид массива сканеров на общем основании, на фиг.4 - попарное соединение сканеров катетными гранями и коллинеарным встречным направлением векторов поляризации в соседних ячейках, на фиг.5 - расположение массива сканеров на плоском основании и ход оптических лучей, отраженных от массива сканеров, на фиг.6 - расположение массива сканеров на цилиндрической поверхности основания и ход лучей, отраженных от массива сканеров. На чертежах: электростатически деформируемая призма 1 и не деформируемая электростатически призма 2 образуют собой деформируемый электрическим полем элемент, этот элемент закреплен на основании 7 (перечисленные конструктивные признаки соответствуют упомянутым в Запросе экспертизы), 3 - гипотенузные грани призм, электроды 4 и 5 нанесены на противоположные друг другу поверхности упомянутого элемента (на катетные грани призм 1 и 2), эти электроды подключены к источнику управляющего сканером переменного напряжения U (на фиг.1, фиг.3 и фиг.4 показаны только клеммы подсоединения к источнику напряжения U), 6 - зеркало,  - вектор поляризации электростатически деформируемой призмы,  - вектор напряженности электрического поля в призмах, создаваемого приложенным напряжением U, 8 - общее основание массива сканеров, 9 - общее основание массива сканеров с цилиндрической поверхностью расположения сканеров. На фиг.2 показано, что при подаче управляющего напряжения верхняя грань призмы 1 наклоняется вниз под углом α, а падающий на зеркало 6 луч отражается под углом 2α относительно первоначального (до включения напряжения) положения.
Рассмотрим работу устройства.
Вследствие принятого условия о равенстве диэлектрических проницаемостей обеих призм напряженность электрического поля в веществе призм везде одинакова и равна
где b - размер вертикальной катетной грани призм.
При включении поля вследствие пьезоэффекта каждый элементарный вертикальный столбик длиной l материала призмы 1 (фиг.1) изменит свою длину на величину
33
где d - пьезомодуль материала призмы. Видим, что деформация верхней горизонтальной грани призмы может быть определена как наклон плоскости грани на угол
0
где Δl - изменение вертикального размера призмы 1 в том месте, где l=b. На этой грани расположено зеркало 6, которое также наклонится на тот же угол, как показано на фиг.2, что приведет к отклонению луча на угол 2α.
Расчетные параметры устройства
Для акрилатного каучука - электроактивного полимера -
Примем b = 25 мкм, a = 100 мкм, U = 100 B, получим: 2α = 0.06 рад = 3.42°.
Максимальное быстродействие сканера определяется резонансной частотой колебаний зеркала и соответствует режиму, когда по толщине пьезоэлектрика укладывается четверть длины акустической волны. Если скорость звука в пьезоэлектрике типична для полимера и равна 2000 м/с, то для указанных выше геометрических параметров резонансная частота равна 20 МГц.
Расчет показывает, что заметный и приемлемый на практике угол сканирования получается только при малой площади зеркала сканера. Этот недостаток преодолевается при использовании массива сканеров, закрепленных на общем основании и работающих синхронно, что достигается подачей на электроды сканеров напряжения от одного источника, как показано на фиг.3. Отражающая поверхность массива сканеров складывается из поверхностей зеркал всех одиночных сканеров. Попарное соединение катетными гранями призм 2, не подверженных электростатической деформации, и поляризация деформируемых призм этих пар встречно-коллинеарно приводит к возможности, как показано на фиг.4, соединения нижних электродов всех сканеров в один общий электрод и соединения верхних электродов пары и зеркал пары в общий электрод пары и общее зеркало пары. Встречно-коллинеарная поляризация обеспечивает общему зеркалу пары сохранение плоскостности в отклоненных состояниях, объединение электродов и соединение призм катетными гранями - упрощение изготовления массива сканеров.
При плоской поверхности общего основания массива сканеров (фиг.5) падающий коллимированный световой пучок может иметь поперечник, близкий к поперечнику массива сканеров, и изменяет свое угловое положение после отражения от массива колеблющихся синхронно зеркал, сохраняя свой поперечник. При цилиндрической поверхности общего основания (фиг.6) массив зеркал ведет себя как вогнутое цилиндрическое зеркало, которое фокусирует падающий коллимированный пучок, сводя излучение, отраженное от отдельных зеркал массива, в одну область пространства.
Эквидистантное расположение сканеров на основании и их зеркал в одной плоскости приводит к дифракции излучения на одномерной матрице. Максимумы дифракционной картины располагаются на угловом расстоянии
где λ - длина волны излучения, c - шаг расположении зеркал. Выбирая значение γ, можно регулировать влияние дифракционных эффектов на работу рассматриваемого сканера.
Приведенный анализ функционирования устройства подтверждает необходимость перечисленных выше новых конструктивных особенностей устройства:
- использование деформируемого электрическим полем элемента, закрепленного на основании (признак прототипа) в виде (в нашей заявке) двух призм с одинаковыми диэлектрическими проницаемостями, соединенных гипотенузной гранью, обеспечивает во всем объеме деформируемой полем призмы одно значение напряженности поля; этому способствует размещение электродов, подсоединенных к источнику переменного напряжения (в прототипе) на противоположных гранях образовавшегося из призм параллелепипеда (в заявке);
- равномерность поля обеспечивает равномерность изменения наклона грани призмы, несущей зеркало, по всей ее длине; дополнительным условием сохранения плоскостности грани является коллинеарность векторов поля и поляризации - при несовпадении направлений этих векторов указанная плоскостность при включении напряжения нарушится;
- сохранение плоскостности грани позволяет использовать ее поверхность после металлизации в качестве зеркала и электрода одновременно;
- выбор в качестве материала только одной из призм пьезоактивного вещества позволяет электростатически изменять наклон зеркала;
- монолитный характер конструкции сканера, отсутствие воздушных зазоров между его элементами позволят эффективно охлаждать зеркало через основание, предотвратить лучевое разрушение зеркала при управлении с помощью сканера мощными оптическими потоками;
- закрепление массива эквидистантно рзмещенных сканеров на общем основании в виде одномерной матрицы увеличивает светосилу устройства и придает устройству дополнительно дифракционные возможности;
- попарное соединение катетными гранями недеформируемых призм соседних элементов и поляризация деформируемых электростатически призм этой пары встречно-коллинеарно позволяет упростить изготовление устройства, при этом достигается возможность объединения зеркал пары в одно зеркало с увеличенной оптической апертурой;
- размещение массива сканеров на цилиндрической поверхности дает сканирующему устройству дополнительную возможность фокусировки отклоняемого луча.
Для изготовления устройства могут быть применены, например, материалы: призмы из акрилатного каучука (диэлектрическая проницаемость (ε≈50) и ниобата или танталата лития (ε≈50); электроды и зеркало из металлических пленок, наносимых напылением. Изготовление призм требует микротехнологий, основанных на использовании фотолитографии и избирательного жидкостного или плазмохимического травления.
Сканер может найти применение в оптике и оптоэлектронных устройствах типа лазерных локаторов, в оптических линиях связи в качестве быстродействующего переключателя оптических каналов и др.
Источники информации
1. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, Наука, 1970.
2. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. М., «Сов. радио», 1977, 336 с.