Двухкоординатный пьзокерамический корректор углов наклона волнового фронта

Техническое решение относится к оптике, в частности к оптическим устройствам для управления направлением отклонения оптических лучей и может быть использовано для коррекции углов наклона волнового фронта в адаптивных оптических системах в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, управлении лазерном лучом в сканирующих системах.
Известен пьезокерамический двухкоординатный однозеркальный оптический дефлектор [Патент РФ №2606520, МПК G02B 26/08, опубл. 10.01.2017 г.], содержащий корпус, зеркало в оправе, два подвеса, среднее основание, исполнительный привод, толкатели. Первый подвес выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен оправе с зеркалом, другой на среднем основании, второй подвес также выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен среднем основании, другой на корпусе. Второй подвес расположен перпендикулярно к первому подвесу.
Недостатком аналога является пространственное смешение по трем координатам центральной точки поверхности зеркала относительно и вдоль оси дефлектора при изменении угла наклона, что приводит к изменению длины пути оптического пучка и соответственно к изменению общей фазы волнового фронта оптического пучка, нестабильность положения всего зеркала при изменении пространственного положения дефлектора относительно вертикали, сложность конструкции, высокие требования к технологии изготовления, инерционность.
В качестве прототипа выбран пьезокерамический привод, описанный в статье [Пьезокерамический привод для двух координатного управления угловым положением зеркала. Л.В.Антошкин, Н.Н. Ботыгина, О.Н. Емалеев, П.А. Коняев, В.П. Лукин, А.П. Янков, Приборы и техника эксперимента, 2002, №1, с. 144-146], который содержит три пьезокерамических пакета, клеевым соединением установленных на основании в вершинах равностороннего треугольника с приклеенными к ним упругими опорами, на которых клеевым соединением закреплено зеркало.
К недостатком прототипа относятся, ухудшение качества поверхности зеркала в местах склейки зеркала и опор. Также имеется отклонение поверхности зеркала от плоскостности, так как все элементы конструкции жестко соединены между собой посредством склейки, что приводит к возникновению механических напряжений на зеркале и его деформации, при изменении длины пьезокерамических пакетов под действием управляющих напряжений, при изменении положения всего привода в пространстве, а также при смене температуры.
Задачей технического решения является создание двухкоординатного пьезоэлектрического корректора углов наклона волнового фронта, с минимизацией искажений зеркалом волнового фронта, падающего на зеркало оптического пучка, увеличение частоты поворота зеркала, повышение точности и стабильности отработки управляющих сигналов.
Постановленная задача решается благодаря тому, что в двухкоординатном пьезоэлектрическом корректоре углов наклона волнового фронта, содержащем три пьезокерамических актюатора, установленных на основании в точках вершин равностороннего треугольника, три упругие опоры, зеркало, предусмотрена жесткая, облегченная подвижная платформа, струна натяжения, три шаровые опоры, состоящие из гнезд, шариков, фланцев.
Кроме того, предложенный двухкоординатный пьезоэлектрический корректор углов наклона волнового фронта имеет повышенную точность передачи отраженного волнового фронта, падающего на зеркало, увеличенную рабочую частоту поворота зеркала (повышенное быстродействие).
Техническим результатом является повышение точности и стабильности за счет сохранения профиля поверхности зеркала, т.е. уменьшение искажений, вносимых зеркалом в волновой фронт в процессе работы, повышенном быстродействии поворота зеркала по двум координатам, за счет облегчения конструкции.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно следственная связь, а именно пьезоактюаторы, расположенные в вершинах равностороннего треугольника, создают воздействия на подвижную платформу в трех точках, через шарики шаровых опор и делают контакты пьезоактюаторов и платформы точечным, уменьшая силы трения между пьезоактюаторами и платформой, повышая тем самым точность отработки управляющих сигналов и формируя плоскость наклона подвижной платформы.
Жесткая облегченная платформа позволяет снизить массу установленного на ней исполнительного зеркала (за счет уменьшения его толщины) и повысить частоту его механического резонанса. Жесткие, но упругие на изгиб опоры, соединяющие клеевым соединением зеркало с платформой, только в трех точках формируют плоскость крепления зеркала, снижают влияние платформы на профиль поверхности зеркала, в том числе и из-за неравенства коэффициентов температурного расширения, зеркала, платформы и всей конструкции корректора. Крепление зеркала на трех опорах (в трех точках) позволяет сохранять плоскостность отражающей поверхности зеркала при любых воздействиях актюаторов на подвижную платформу и изменении ее пространственного положения, а прижим подвижной платформы, с приклеенным к ее опорам зеркалом, к основанию осуществляется натяжной струной, натянутой между осью подвижной платформы и основанием в точке пересечения медиан равностороннего треугольника, фиксирует положение центра подвижной платформы в пространстве и создает необходимое усилие сжатия пьезоактюаторов, обеспечивающее их работоспособность.
Указанный результат заявляемого технического решения достигается также тем, что в пьезокерамическом дефлекторе, содержащем зеркало и три пьезоактюатора, установленных на основании корпуса в вершинах равностороннего треугольника, пьезоактюаторы, имеют контакт с нижней поверхностью подвижной платформы через шаровые опоры, шарики которых опираются снизу на плоскую поверхность фланцев, установленных на пьезоактюаторы, а сверху вставлены в гнезда на нижней поверхности подвижной платформы.
Техническое решение позволяет сохранять плоскостность отражающей поверхности зеркала при любых воздействиях актюаторов на подвижную платформу при изменении ее пространственного положения, исключает при этом линейное перемещение зеркала перпендикулярно своей оси и уменьшает фазовые набеги волнового фронта, жесткая облегченная платформа снижает массу установленного на ней исполнительного зеркала и повышает его быстродействие. Шаровые опоры повышают быстродействие и точность позиционирования.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом фигура I.
Предложенный двухкоординатный пьезоэлектрический корректор углов наклона волнового фронта содержит зеркало 1, закрепленное клеевым соединением на опорах 2, установленных на подвижной платформе 3. В гнездах 4, установленных на подвижную платформу точно в точках, соответствующих вершинам равностороннего треугольника, помещены с минимальным зазором стальные шарики 5, опирающиеся на плоскую поверхность фланцев 6, надетых на пьезоактюаторы 7, установленные в обойме 8 на основании 9. Струна 10 обеспечивает прижим платформы 3 к шарикам 5 и к основанию 9.
Устройство работает следующим образом.
На основании (9), в вершинах равностороннего треугольника в обоймы (8) установлены пьезоактюаторы (7), на них через шаровые опоры (4, 5, 6) устанавливается подвижная платформа (3). Точность и стабильность расположения точек контакта и пьезоактюаторов с платформой обеспечивается тем, что шарики (5) с минимальным зазором помещены в гнездах (4), точно установленных на подвижную платформу в точках, соответствующих вершинам равностороннего треугольника, и опираются на плоскую поверхность фланцев (6), выполненных из твердосплавной стали и надетых на пьезоактюаторы (7). Таким образом, благодаря совокупности указанных существенных признаков заявляемого двухкоординатного пьезоэлектрического корректора углов наклона волнового фронта достигается высокая точность и стабильность отработки угла поворота зеркала и передачи волнового фронта оптического излучения. При подаче управляющих напряжений на пьезоактюаторы происходит изменение их линейных размеров, пропорциональное приложенному напряжению и формируется заданный угол наклона плоскости подвижной платформы таким образом, что пространственное положение центра платформы, точка (11), является точкой, относительно которой происходит поворот платформы, при этом координата этой точки остается неизменной в пространстве при любых управляющих сигналах, исключая тем самом возможность линейного смещения зеркала перпендикулярно его оси и образования фазовых набегов в отраженном волновом фронте.
Подвижная платформа выполнена из дюралюминия типа Д16Т. Опоры изготовлены из фосфористой бронзы. В качестве пьезоактюаторов были использованы актюаторы АПМ2-11 выпускаемые ОАО «ЭЛПА» (Россия).
При реализации заявляемой полезной модели для коррекции углов наклона оптического пучка в адаптивной системе Большого вакуумного солнечного телескопа в Байкальской обсерватории ИСЗФ СО РАН, максимальный угол отклонения корректирующего зеркала диаметром 100 мм и толщиной 10 мм составил +- 65 угловых секунд со временем установки зеркала в новое угловое положение, составило менее 1 мсек. Частота механического резонанса зеркала корректора 1 кГц.