ДЕФЛЕКТОР СВЕТА
LIGHT DEFLECTOR

Изобретение относится к области оптоэлектронного приборостроения и лазерной техники. Оно предназначено для управления распространением светового пучка в сканирующих системах, которые могут быть использованы в ближайшей перспективе - технологические установки, техническое зрение, лазерная локация и т.п.
Известен оптико-механический дефлектор, содержащий оптические элементы и обеспечивающий управление потоком излучения в результате механического движения (вращения, возвратно-поступательного, колебательного движения и т.п.) одного или нескольких оптических элементов устройства (зеркал, призм диафрагм с отверстиями и др.). Движение оптических элементов может осуществляться с помощью электромеханического, электромагнитного, пьезоэлектрического и других приводов.
В настоящее время особенно широко используются оптико-механические дефлекторы с вращающимися оптическими элементами, однако непрерывно расширяется и применение дефлекторов на основе зеркала с электроприводом (электромеханических дефлекторов). Основные достоинства дефлекторов этого типа - возможность выбора закона сканирования, компактность, большой срок службы (десятки тысяч часов).
Перспективным вариантом электромеханических дефлекторов являются пьезоэлектрические устройства, интерес к которым возник после появления лазерной техники и пьезокерамических материалов, например двухкоординатные дефлекторы, состоящие из консольно закрепленных пьезокерамических приводов, редуктора из упругих элементов и зеркала [1-3]. «Physikinstrumente» серийно производит модель S-334 с зеркалом 10 мм и углом сканирования 6° [3].
Существенное достоинство дефлекторов этого типа - предельная компактность (миниатюрность). Однако следствием компактности является основной недостаток данных устройств - невысокое быстродействие, которое не позволяет решить перспективные задачи.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению - прототипом - является высокоскоростной пьезокерамический дефлектор [4], время переходного процесса которого измеряется десятками микросекунд, а полоса рабочих частот десятками килогерц [5]. В отличие от аналога данный дефлектор однокоординатный и содержит ось вращения, которая выполнена в виде одной детали с упругими элементами (редуктором), а четыре пьезокерамических привода расположены попарно и симметрично относительно этой оси.
Теоретические и экспериментальные исследования прототипа показали недостаток конструкции - сложность получения угла сканирования более 3°.
3
Пьезопривод прототипа состоит из двух пьезокерамических пластин, которые имеют высокую плотность - 8000 кг/м, что вынуждает обеспечивать необходимое быстродействие уменьшением длины, а следовательно, и угла сканирования.
Упругие элементы редуктора удалены от центра оси, и при ее повороте происходит изменение коэффициента редукции, что нарушает работу системы управления дефлектором.
Задача изобретения - обеспечить одновременно предельно высокое быстродействие и приемлемый угол сканирования.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в дефлекторе света, содержащем зеркало, оправа которого закреплена на конце оси, установленной на подшипниках в корпусе, четыре пьезопривода, консольно закрепленных в корпусе, и четыре упругих элемента, соединяющих свободные концы пьезоприводов с осью, причем в состав каждого пьезопривода входят две пьезокерамические пластины, а упругие элементы являются плоскопараллельными прямоугольными пластинами. Упругие элементы проходят через отверстие в оси, причем центры этих элементов расположены относительно друг друга и относительно центра оси на расстоянии, определяемом необходимой величиной редукции между перемещениями концов пьезоприводов и поворотом оси.
В состав привода дополнительно введена прокладка, которая представляет собой единую деталь из материала с невысокой плотностью, центральная часть которой - плоскопараллельная пластина трапецеидальной формы, а две другие части - плоскопараллельные прямоугольные пластины, причем центральная часть прокладки соединена с помощью клея с плоскопараллельными трапецеидальными пьезокерамическими пластинами.
В местах соединения упругих элементов с концами пьезоприводов и осью все перечисленные элементы имеют цилиндрические отверстия, в которые вставлены цилиндрические соединительные элементы.
Предложенное изобретение поясняется чертежами, представленными на фигурах 1-2 и фигуре 3, на которой изображен пьезопривод в разрезе.
Дефлектор света содержит зеркало 1, оправа 2 которого закреплена на конце оси 3, установленной на подшипниках 4 в корпусе 5, четыре пьезопривода 6, консольно закрепленных в корпусе, и четыре упругих элемента 7, которые проходят через отверстие в оси 3 и соединяют свободные концы пьезоприводов с осью. В состав каждого пьезопривода 6 входят две пьезокерамические пластины 10, а упругие элементы 7 являются плоскопараллельными прямоугольными пластинами.
Упругие элементы 7 проходят через отверстие в оси 3, причем центры этих упругих элементов расположены относительно друг друга и относительно центра оси на расстоянии, определяемом необходимой величиной редукции между перемещениями концов пьезоприводов 6 и поворотом оси 3. В местах соединения упругих элементов 7 с концами пьезоприводов 6 и осью 3 все перечисленные элементы имеют цилиндрические отверстия, в которые вставлены цилиндрические соединительные элементы 8.
В состав пьезопривода 6 входит прокладка 9 из материала с невысокой плотностью, которая представляет собой единую деталь, центральная часть которой - плоскопараллельная пластина трапецеидальной формы, а две другие части - плоскопараллельные прямоугольные пластины, причем центральная часть прокладки соединена с помощью клея с плоскопараллельными трапецеидальными пьезокерамическими пластинами 10.
Предложенный дефлектор света работает следующим образом.
При подаче на пьезокерамические пластины 10 управляющего напряжения одна из пластин каждого пьезопривода 6 расширяется, другая сжимается, пьезопривод изгибается и его свободный конец перемещается на расстояние, существенно превышающее деформацию пьезокерамических пластин 10. Указанное перемещение передается с помощью упругих элементов 7 и вызывает поворот оси 3 на угол, определяемый соотношением перемещения пьезопривода 6 и смещения упругого элемента 7 от центра оси 3. Зеркало 1, соединенное с помощью оправы 2 с осью 3, также поворачивается, и происходит отклонение падающего на него оптического пучка.
Оптимизация геометрических параметров предложенной конструкции и расчет основных параметров оптимизированного дефлектора света проведены по формулам и разработанной методике [4, 5].
Угол сканирования излучения дефлектором света предлагаемой конструкции рассчитывается по формуле:
31
где d - пьезомодуль,
max
E - предельная напряженность электрического поля,
L и H - длина и толщина пьезопривода,
Δ - расстояние между плоскими упругими элементами.
Полосу рабочих частот дефлектора определяет зависимость:
зв
где V - скорость поперечных звуковых волн в пьезокерамике, k - коэффициент.
В предложенной конструкции упругие элементы предельно приближены к центру оси, и при ее повороте расстояние между упругими элементами и коэффициент редукции меняются незначительно. Поэтому устраняется ограничение на уменьшение расстояния между упругими элементами и увеличение угла сканирования.
Ведение в пьезопривод прокладки с невысокой плотностью позволяет уменьшить его массу и увеличить коэффициент k в формуле (2) с 0,15 (прототип) до 0,2-0,22 (предлагаемое устройство). Это дает возможность или увеличить полосу рабочих частот, или, не изменяя полосу, увеличить угол сканирования.
Расчеты, проведенные по экспериментально проверенной методике, показывают, что предлагаемая конструкция позволяет получать углы сканирования до 100 мрад (6°) при полосе рабочих частот от нескольких килогерц до десятков килогерц (в зависимости от размера зеркала). Она может быть использована в перспективных технологических установках, в системах технического зрения, в лазерной локации и т.п.
Литература
1. Ероховец В.К., Ларченко Ю.В., Леонов A.M. Дефлектор света // А.с. №1778738. 30.11.92. Бюл. №44.
2. Erochovets V., Larchenko Yu., Leonov A. The speed of on X-Y Piezoceramic light deflector // Telecommunications & radio engineering. 1992. №6. P.133-136.
3. http://www.physikinstrumente.com/en/products/prdetail.php?sortnr=300710
4. BY №5807, 2009.
5. Леонов A.M. Пьезокерамический дефлектор света // Оптический журнал. - 2010. №10. С.61-64.