ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
OPTICAL-MECHANICAL SYSTEM

Изобретение относится к оптико-механическим системам, осуществляющим управление направлением светового луча - луча оптического диапазона длин волн, и может быть использовано в промышленных лазерных установках, медицинской и измерительной технике и т.п.
Основными элементами систем рассматриваемого класса являются отклоняющие зеркала, выполненные с обеспечением возможности изменения своего положения по отношению к входному световому лучу, и механизмы, обеспечивающие данное изменение.
Принципы построения и примеры выполнения таких систем представлены, в частности, в работах: [1] - А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др. под общ. ред. М.М. Русинова - Вычислительная оптика. Справочник Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984; [2] - Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. - Расчет и проектирование оптических систем. Учебник для вузов. - М.: Логос, 2000.
В частности, в [1] на с. 392-393 приведены варианты отклоняющих систем для лазерного луча, даны формулы расчета его траектории и угла отклонения.
Примеры выполнения оптико-механических систем, в которых используются отклоняющие зеркала для управления направлением света, представлены также в ряде патентных источников.
Так, в патенте [3] - RU 79686 U1, G02B 5/06, G02B 7/00, опубл. 10.01.2009, рассмотрена система отклонения оптического луча, содержащая опорный стакан, в котором находится установленное с возможностью поворота вокруг вертикальной оси несущее кольцо с внутренней винтовой проточкой в один шаг, в котором располагается плоское зеркало, палец оправы которого взаимодействует с этой винтовой проточкой, обеспечивая изменение положения зеркала относительно горизонтальной оси при повороте зеркала в несущем кольце. Отклонение оптического луча, отражающегося от зеркала, обеспечивается за счет поворота зеркала в несущем кольце и поворота несущего кольца в опорном стакане. Недостатком данной конструкции является сложность изготовления и неудобство применения, особенно в случаях, когда отклонение оптического луча должно осуществляться в динамическом режиме.
Известен также способ формирования пути лазерного луча в оптической системе, представленный в патентной заявке [4] - US 2004146078 A1, H01S 3/02, H01S 5/022, H01S 5/068, опубл. 29.07.2004, в котором используется система из ловушки луча и шести плоских зеркал, причем два из них, управляющие направлением луча, являются подвижными. Данная система является достаточно сложной в сборке и настройке, поскольку каждое из зеркал требует точной регулировки своего положения или, в отсутствие регулировки, точного выполнения посадочного места в корпусе устройства.
Наиболее близкой к заявляемой системе является оптико-механическая система отклонения луча эксимерного лазера, описанная в патенте [5] - US 6493364 В1, H01S 3/123, H01S 3/08, опубл. 10.12.2002, принятая в качестве прототипа.
Система-прототип содержит плоское отражающее зеркало, имеющее два устойчивых положения. В одном из этих положений обеспечивается беспрепятственное прохождение светового луча от источника излучения в выходное окно, в другом - отражение от зеркала и прохождение в ловушку, а именно на ее приемную поглощающую поверхность. Перемещение зеркала из одного устойчивого положения в другое и обратно осуществляется путем его поворота вокруг оси, располагающейся вне зеркала. Поворот осуществляется с помощью механизма перемещения, представляющего собой рычажный привод.
Недостатком системы-прототипа является относительно невысокая эксплуатационная надежность, обусловленная, во-первых, наличием вращающих частей в механизме перемещения, а во-вторых, отсутствием средств, предотвращающих деградацию приемной поглощающей поверхности ловушки, возникающую как результат воздействия луча лазера на одну и ту же ее область, что приводит к неравномерному ее износу и выходу из строя.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является обеспечение повышения эксплуатационной надежности и увеличения ресурса работы оптико-механической системы, осуществляющей управление направлением светового луча.
Сущность изобретения заключается в следующем. Оптико-механическая система содержит плоское отражающее зеркало, установленное с возможностью изменения своего положения под действием механизма перемещения таким образом, что в одном устойчивом положении обеспечивается прохождение светового луча от источника излучения в выходное окно, а в другом - его отклонение в ловушку. В отличие от прототипа плоское отражающее зеркало установлено на двух направляющих на подшипниках скольжения с возможностью линейного перемещения под действием механизма перемещения, содержащего электромагнит с подвижным якорем, связанным посредством штанги с плоским отражающим зеркалом и предназначенным для его перемещения из положения, при котором осуществляется отклонение светового луча в ловушку, в положение, при котором обеспечивается прохождение светового луча в выходное окно, а также возвратную пружину, предназначенную для возвращения плоского отражающего зеркала из положения, при котором обеспечивается прохождение светового луча в выходное окно, в положение, при котором осуществляется отклонение светового луча в ловушку. При этом в тракте прохождения светового луча от плоского отражающего зеркала в ловушку располагается дополнительное переотражающее сферическое зеркало, обеспечивающее рассеяние светового луча, поступающего на приемную поверхность ловушки.
Сущность изобретения и возможность его реализации поясняются структурной схемой оптико-механической системы.
Заявляемая оптико-механическая система содержит плоское отражающее зеркало 1, установленное с возможностью изменения своего положения под действием механизма перемещения таким образом, что в одном устойчивом положении обеспечивается прохождение светового луча от источника излучения 2 в выходное окно 3, а в другом - его отклонение в ловушку 4.
Источник излучения представляет собой лазер.
Ловушка предназначена для поглощения светового излучения и представляет собой поверхность специальной геометрической формы такой, что падающее на нее излучение не отражается от нее. Подобные ловушки описаны, например, в патентах ЕР 2602645 B1, G02B 5/00, опубл. 26.03.2014, US 4864098, B23K 27/00, опубл. 05.09.1989, US 7374298 В2, G02B 27/00, опубл. 20.05.2008.
Плоское отражающее зеркало 1 установлено на двух направляющих 5-1 и 5-2 на подшипниках скольжения 6-1 и 6-2, что обеспечивает возможность его линейного перемещения под действием механизма перемещения.
Механизм перемещения содержит электромагнит 7 с подвижным якорем 8, связанным с зеркалом 1 посредством штанги 9. С помощью этих элементов обеспечивается перемещение зеркала 1 из положения, при котором осуществляется отклонение светового луча в ловушку 4, в положение, при котором обеспечивается прохождение светового луча в выходное окно 3. В состав механизма перемещения также входит возвратная пружина 10, служащая для возвращения зеркала 1 из положения, при котором обеспечивается прохождение светового луча в выходное окно 3, в положение, при котором осуществляется отклонение светового луча в ловушку 4.
В тракте прохождения светового луча от плоского отражающего зеркала 1 в ловушку 4 располагается дополнительное переотражающее сферическое зеркало 11, обеспечивающее рассеяние светового луча, поступающего на приемную поверхность ловушки 4.
Работа заявляемой оптико-механической системы происходит следующим образом.
Вначале включается источник излучения 2, формирующий световой луч. Этот луч отражается от зеркала 1, находящегося в первом устойчивом положении (исходном положении), далее переотражается сферическим зеркалом 11 и попадает на приемную поверхность ловушки 4, где поглощается (утилизируется).
При подаче напряжения на электромагнит 7 в него втягивается якорь 8, который тянет за собой через штангу 9 зеркало 1 в направляющих 5-1 и 5-2, осуществляя его перемещение из первого устойчивого положения во второе, при котором световой луч от источника 2 беспрепятственно проходит в выходное окно 3 для последующего полезного использования потребителем.
При снятии напряжения с электромагнита 7 зеркало 1 под действием возвратной пружины 10 возвращается в исходное положение.
Заявляемая оптико-механическая система за счет применения в ней рассмотренного механизма линейного перемещения плоского отражающего зеркала 1, использующего сочетание электромагнитной тяги и усилия пружины, более проста в реализации и имеет увеличенную эксплуатационную надежность по сравнению с прототипом, где используется поворотное зеркало.
Также на эксплуатационную надежность положительно влияет размещение в тракте прохождения отраженного луча дополнительного переотражающего сферического зеркала 11, которое обеспечивает рассеяние светового луча, поступающего на приемную поверхность ловушки 4, уменьшая тем самым возможность ее деградации и увеличивая ресурс работы.
Таким образом, рассмотренное показывает, что изобретение осуществимо и дает технический результат, заключающийся в обеспечении повышения эксплуатационной надежности и увеличения ресурса работы оптико-механической системы, осуществляющей управление направлением светового луча. Кроме этого применение дополнительного переотражающего сферического зеркала 11 в тракте прохождения отраженного луча расширяет возможности по формированию траектории отраженного луча нужным образом исходя из конструктивных требований, предъявляемых к системе.
Источники информации
1. А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др. под общ. ред. М.М. Русинова - Вычислительная оптика. Справочник. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984.
2. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. - Расчет и проектирование оптических систем: Учебник для вузов. - М.: Логос, 2000.
3. RU 79686 U1, G02B 5/06, G02B 7/00, опубл. 10.01.2009.
4. US 2004146078 A1, H01S 3/02, H01S 5/022, H01S 5/068, опубл. 29.07.2004.
5. US 6493364 B1, H01S 3/123, H01S 3/08, опубл. 10.12.2002.
6. ЕР 2602645 B1, G02B 5/00, опубл. 26.03.2014.
7. US 4864098, B23K 27/00, опубл. 05.09.1989.
8. US 7374298 В2, G02B 27/00, опубл. 20.05.2008.