ОПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР

Полезная модель относится к оптике, в частности, к оптическим информационно-измерительным системам, и может найти применение в системах управления положением луча в пространстве.
Проблемной задачей при создании оптических дефлекторов с электромагнитным приводом является обеспечение высокой точности и высокого быстродействия отработки задаваемых углов поворота и сканирования зеркала.
Известно 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.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность при отработке углов отклонения зеркала из-за отсутствия цепи обратной связи в системе управления зеркалом, а также большая масса и габариты подвижной части устройства.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является оптический дефлектор [Патент РФ на полезную модель №86324, G02F 1/29, опубл. 27.08.2009 г.], содержащий корпус, в котором установлено зеркало в оправе, размещенное в подвесе, включающем крестообразную упругую пластину, круглые торсионы, плоские торсионы и штоки, исполнительный привод, включающий четыре электромагнита, четыре датчика угла, каждый из которых содержит статор, катушки и якорь, арретир и систему управления, выполненную в виде отдельного блока и содержащую плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.
Недостатком подобного устройства является невысокая вибропрочность и недостаточная вибростойкость. И как следствие - снижение точности при отработке углов отклонения зеркала по обеим координатам. За счет того, что центр масс зеркала в оправе не совпадает с точкой его подвеса, при вибрациях и ударах возникают внешние возмущающие моменты, которые и приводят к отклонениям зеркала от заданного положения. Кроме того, крестообразная упругая пластина, обеспечивающая подвес зеркала, деформируется при действии возмущающих моментов, что также приводит к снижению точности устройства.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности при отработке углов отклонения зеркала, а также повышение вибропрочности и вибростойкости оптического дефлектора.
Технический результат получен за счет того, что в оптический дефлектор, содержащий корпус, в котором установлено зеркало в оправе, выполненной в виде подложки, размещенное в подвесе, включающем круглые торсионы, плоские торсионы и штоки, исполнительный привод, включающий четыре электромагнита, четыре датчика угла, каждый из которых содержит статор, катушки и якорь, арретир и систему управления в виде отдельного блока, может быть введена шарнирная опора, содержащая наружное кольцо, размещенное в углублении подложки, внутреннее сферическое кольцо, выполненное в виде сферической втулки, размещенное внутри наружного кольца, центральный стержень, один конец которого закреплен внутри сферической втулки, а второй конец закреплен на корпусе при помощи резьбового соединения, накидную гайку с внутренней и наружной резьбой и кольцевым буртиком, соединенную по внутренней резьбе с кольцевым выступом подложки, наружную гайку-балансир с двумя фиксирующими винтами, соединенную с накидной гайкой по ее наружной резьбе. Углубление подложки может быть расположено с тыльной стороны зеркала, и может иметь форму цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости зеркала и совпадает с центральной осью устройства. На подложке может быть выполнен кольцевой выступ, расположенный соосно с углублением, на наружной цилиндрической поверхности которого может быть нарезана резьба для соединения с накидной гайкой по ее внутренней резьбе. Поверхность центрального стержня в его средней части может быть выполнена многогранной. На наружной торцевой поверхности накидной гайки со стороны кольцевого буртика могут быть выполнены два диаметрально расположенных углубления. В теле гайки-балансира могут быть выполнены два радиальные, диаметрально расположенные, сквозные резьбовые отверстия.
При исполнении оптического дефлектора, у которого зеркало в оправе установлено в корпусе на центральном стержне при помощи шарнирной опоры, достигается повышение точности, вибропрочности и вибростойкости.
Сущность полезной модели отражена на чертежах.
На фиг.1 представлен общий вид оптического дефлектора.
На фиг.2 представлен оптический дефлектор в разрезе вдоль центральной оси.
Оптический дефлектор (фиг.1, 2) содержит корпус 1, в котором установлено зеркало 2 в оправе 3, выполненной в виде подложки, размещенное в подвесе. Подвес включает четыре круглых торсиона 4, два плоских торсиона 5 и четыре штока 6. Противоположные концы четырех штоков 6 закреплены на четырех вершинах каждого из двух плоских торсионов 5. Каждый из двух плоских торсионов 5 закреплен в своей центральной части на корпусе 1. В состав подвеса входит также шарнирная опора, при помощи которой зеркало 2 вместе с подложкой 3 установлено в корпусе 1. Шарнирная опора включает наружное кольцо 12, внутреннее сферическое кольцо 13, выполненное в виде сферической втулки, центральный стержень 14, накидную гайку 15, наружную гайку-балансир 16 и фиксирующие винты 17. Наружное кольцо 12 размещено в углублении подложки 3, расположенном с тыльной стороны зеркала 2. Углубление имеет форму цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости зеркала 2 и совпадает с центральной осью устройства. Внутреннее сферическое кольцо 13 выполнено в виде сферической втулки и размещено внутри наружного кольца 12. Центральный стержень 14 расположен вдоль центральной оси устройства, одним концом закреплен на корпусе 1 при помощи резьбового соединения, а вторым концом закреплен внутри сферической втулки 13 при помощи клеевого соединения. Накидная гайка 15 предназначена для фиксации наружного кольца 12 и имеет для этой цели кольцевой буртик. Гайка 15 имеет внутреннюю и наружную резьбу. По внутренней резьбе гайка 15 соединяется с кольцевым выступом, выполненном на подложке 3. Кольцевой выступ на подложке расположен соосно с углублением. На наружной цилиндрической поверхности кольцевого выступа выполнена резьба для соединения с накидной гайкой 15 по ее внутренней резьбе. Наружная гайка-балансир 16 имеет внутреннюю резьбу для соединения с накидной гайкой 15 по ее наружной резьбе. В теле гайки-балансира 16 выполнены два радиальные сквозные резьбовые отверстия, расположенные друг против друга, для размещения в них двух фиксирующих винтов 17. Гайка-балансир служит для регулирования положения центра масс подвижной части устройства. Углубления на накидной гайке 15, также как и на грани на стержне 14, предназначены для ключа при сборке устройства. Исполнительный привод содержит четыре электромагнита 1, каждый из которых содержит магнитную систему и катушку 8. все четыре магнитные системы закреплены на корпусе 1, а каждая из четырех катушек 8 закреплена на одном из четырех штоков 6 подвеса зеркала 2. Каждый из четырех датчиков угла содержит закрепленный на корпусе 1 трехполюсный статор, на среднем полюсе которого закреплена катушка с обмоткой возбуждения. На крайних полюсах статора закреплены катушки с сигнальными обмотками. Якорь каждого из четырех датчиков угла закреплен на одном из четырех штоков 6 подвеса зеркала 2. Арретир содержит постоянный магнит 9, закрепленный на корпусе 1 и катушку, закрепленную на оси 10. Ось 10 арретира установлена на двух плоских пружинах 11, свободные концы которых закреплены на корпусе 1, а их центральные части закреплены на противоположных концах оси 10. 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 устройства зеркало 2 вместе с подложкой 3 зафиксировано с помощью подпружиненной оси 10 арретира. Перед началом работы на катушку арретира подается сигнал с блока управления. Ось 10 арретира втягивается, сжимая пружины 11, и зеркало 2 вместе с подложкой 3 получает возможность отклоняться вокруг каждой из двух взаимноперпендикулярных осей, пересекающихся в центре внутреннего сферического кольца 13. Для поворота зеркала 2 вокруг одной из осей управляющие сигналы поступают на катушки 8 двух соответствующих электромагнитов 7 исполнительного привода. При этом происходит линейное перемещение соответствующих штоков 6 относительно корпуса 1. Плоские торсионы 5 и круглые торсионы 4 изгибаются, а зеркало 2 поворачивается на определенный угол вокруг точки повеса, расположенной в центре сферического кольца 13. Аналогичным образом для разворота зеркала 2 по другой оси управляющие сигналы поступают на две другие катушки 8 соответствующих электромагнитов 7 исполнительного привода. Таким образом поступательные перемещения штоков 6 приводят к угловым поворотам зеркала 2. Измерение углов разворота зеркала 2 происходит с использованием четырех датчиков углов. Сигналы с датчиков углов поступают в систему управления для формирования цепи обратной связи в системе управления зеркалом 2.
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 2-4 мс. В режиме сканирования дефлектор обеспечивает колебание луча с амплитудой ± 0,6 мрад. и частотами до 1 кГц. Погрешности отработки задаваемых углов, удержания в нулевом положении и выдачи информации в условиях ударов и вибраций не превышают 150 мкрад., что на порядок выше, чем у ближайшего прототипа.
В опытном образце оптического дефлектора заявителем был использован сферический подшипник серии GXS фирмы FLURO-Gelenklager GmbH. Наружный диаметр наружного кольца - 6,5 мм. Материал - специальная бронза CuAn8. Диаметр внутреннего кольца 2 мм. Материал - подшипниковая сталь 100Cr6, Aisi52100, закаленная, полированная, шлифованная.
Таким образом может быть осуществлено управление положением луча в пространстве.
Заявленный оптический дефлектор позволяет повысить точность при отработке углов отклонения зеркала, а также повысить вибропрочность и вибростойкость устройства.