ЗЕРКАЛО С ИЗМЕНЯЕМОЙ КРИВИЗНОЙ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к оптическим отражающим системам, и может быть использована в качестве управляемого зеркала с изменяемой кривизной поверхности, например, устройства для концентрации лучистой энергии, телескопа, прожекторной установки и т.п.
Существует множество способов получения необходимой кривизны у поверхности, используемой в оптической системе как зеркало, например, путем механической деформации пластины зеркала, при этом деформация может быть вызвана различными устройствами: механическими, пневматическими, гидравлическими, гидростатическими, электрическими / электростатическими и электромеханическими (и др., все эти устройства достаточно сложны и могут обеспечить создание зеркал лишь относительно небольшой площади.
Известна конструкция зеркала с пьезоэлектрическими приводами типа сэндвич, описанная в работе [В.Г. Тараненко, О.И. Шанин, Управляемые оптические зеркала. ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Серия «Управление пространственной структурой оптического излучения», т. 2 «Волновой фронт оптического излучения: управление и регистрация» Под редакцией А.П. Сухорукова, Москва, 1991. стр. 13]. Зеркало представляет собой отражающую пластину (подложку), к которой перпендикулярно отражающей поверхности жестко прикреплены пьезоэлектрические приводы (актюаторы), выполненные из пьезокерамики. Каждый привод при приложении управляющего напряжения производит локальную деформацию подложки зеркала.
Пьезокерамика под действием обратного пьезоэффекта либо расширяется, либо сжимается при обратной полярности напряжения. Комбинация локальных деформаций приводит поверхность зеркала к заданной форме. Деформация локальной зоны отражающей поверхности определяется разностью сил: силой, действующей со стороны привода, и силой, обусловленной жесткостью конструкции зеркала. В известной конструкции зеркала пьезоэлектрический привод представляет собой многослойную конструкцию, состоящую из большого числа пьезоэлектрических пластин или слоев, полученных методом напыления. Многослойная пьезокерамика имеет различные механические свойства при сжатии и растяжении, поэтому даже небольшие механические напряжения при растяжении приводят к расслоению и выходу из строя привода. Кроме того, при жестком креплении привода к подложке его замена при выходе из строя не представляется возможной. В силу упомянутых недостатков описанная конструкция на практике не применяется.
Известна конструкция зеркала, снабженного приводом предварительного напряжения [патент US №5357825, опубл. 09.11.1993]. К отражающей пластине жестко прикреплены концевики, натянутые струной к тыльной поверхности основания с помощью резьбовой втулки. Привод (актюатор), в частности, пьезокерамический, прижат упругой струной между концевиком и передней поверхностью основания. Конструкция обеспечивает механическое напряжение актюатора путем предварительного натяжения струны. Усилие при растяжении актюатора передается зеркалу от привода. Усилие при сжатии создается за счет внешней силы, создаваемой пружинящим элементом. Однако, для замены хотя бы одного привода необходимо разбирать все зеркало, что сопровождается потерей оптического качества отражающей поверхности.
Известна конструкция адаптивного зеркала с изменяемой кривизной за счет перепада давления [заявка US №2014346156, опубл. 27.11.2014]. Зеркало содержит корпус, камеру давления, отражающей элемент, герметично прикрепленный к корпусу с жесткой заделкой краев.
Существенным недостатком данного изобретения является меньшая эффективная площадь отражающей поверхности. Указанный недостаток обусловлен тем, что отражающей элемент, герметично прикрепляется к корпусу с жесткой заделкой краев.
Другим недостатком является меньший динамический диапазон изменения радиуса кривизны поверхности зеркала. Указанный недостаток также обусловлен тем, что используется закрепление отражающего элемента с жесткой заделкой краев.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является зеркало с изменяемой кривизной по патенту [RU №2073268, опубл. 10.02.1997]. Известное зеркало содержит корпус, зеркальную пленку, герметично прикрепленную нерабочей поверхностью к корпусу с образованием камеры давления, канал, соединяющий камеру давления с баллоном, заполненным газом при избыточном давлении. Баллон размещен в камере давления и выполнен из упругого материала.
Существенным недостатком данного изобретения является меньшая эффективная площадь отражающей поверхности. Указанный недостаток обусловлен тем, что используется закрепление края пленки посредством его защемления.
Другим недостатком является малый динамический диапазон изменения радиуса кривизны поверхности. Указанный недостаток также обусловлен тем, что используется закрепление края пленки посредством его защемления.
Таким образом, известное устройство, выбранное за прототип, не позволяет обеспечить требуемую эффективную площадь отражающей поверхности. Область отражающей поверхности зеркала, при попадании и отражении излучение концентрируется на требуемом расстоянии от зеркала.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является создание зеркала с большой эффективной площадью отражающей поверхности.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью -увеличение эффективной площади отражающей поверхности.
Другим техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым устройством является увеличение динамического диапазона изменения радиуса кривизны поверхности.
Данный технический результат достигается тем, что в зеркале с изменяемой кривизной, включающем корпус, отражающий элемент, герметично прикрепленный нерабочей поверхностью к корпусу с образованием камеры давления, канал, соединяющий камеру давления с баллоном, заполненным газом при избыточном давлении, новым является то, что отражающий элемент выполнен в виде подложки с нанесенным на него отражающим слоем, и края отражающего элемента свободно оперты на корпус по всей периферии.
Кроме того, добавлен дополнительный буферный объем, соединенный каналом с камерой давления.
Используется подложка из оптического материала.
В качестве оптического материала используется кварц, или ситалл, или кремний.
Тот факт, что края отражающего элемента свободно оперты на корпус по всей периферии обеспечивает дополнительные степени свободы перемещения относительно корпуса [С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер Пластины и оболочки - Москва: Издательство «Наука», 1966.]. Данный тип закрепления согласно расчетам, позволяет увеличить эффективную площадь отражающей поверхности зеркала и динамический диапазон изменения радиуса кривизны поверхности по сравнению с типом краевого закрепления защемленный край, используемый в прототипе. Улучшение эффективной площади обеспечивается тем, что при опертом крае получаемая поверхность зеркала практически совпадает с поверхностью параболического зеркала с таким же фокусным расстоянием. Увеличение динамического диапазона достигается в силу того, что для получения одинакового прогиба в центре зеркала в случае опертого края требуется перепад давлений в 2,5 раза меньше, чем для защемленного.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 приведен разрез зеркала с изменяемой кривизной.
На Фиг. 2 приведена расчетная зависимость прогиба поверхности зеркала для случаев с защемленным и опертым краем.
Зеркало с изменяемой кривизной (см. фиг. 1) состоит из газового баллона с избыточным давлением 1, датчика измерения давления 2, отражающего элемента 7, камеры давления 8, буферного объема 3 для откачивания избыточного давления из камеры давления, клапана стравливания избыточного давления 4, корпуса 5, упругого кольцевого уплотнительного элемента 6 для осуществления закрепления оптического элемента требуемым образом.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
Снимая показания с датчика измерения давления 2 идет либо подкачка давления в камеру давления 8 из баллона с избыточным давлением 1, либо стравливания давления в буферный объем 3 с использованием клапана стравливания избыточного давления 4 для получения нужного перепада давления между поверхностями отражающего элемента 7. Необходимый перепад давления выбирается исходя из требуемого значения прогиба отражающего элемента 7 и радиусов кривизны согласно формулам:
n
t
где ξ - стрела прогиба отражающего элемента 7, Е - модуль Юнга отражающего элемента 7, σ - коэффициент Пуассона отражающего элемента 7; q - перепад давлений между поверхностями отражающего элемента 7, Па; D - коэффициент отражающего элемента 7, R - радиус отражающего элемента 7, h - толщина отражающего элемента 7, r - нормальный радиус кривизны отражающего элемента 7, r - тангенциальный радиус кривизны отражающего элемента 7.
Корпус 5 и упругий кольцевой уплотнительный элемент 6 служат для герметизации внутреннего объема конструкции зеркала с изменяемой кривизной. Использование упругого кольцевого уплотнительного элемента 6 позволяет реализовать закрепление отражающего элемента 7 типа «опертый край» и улучшить эффективную площадь отражающей поверхности. На фиг. 2 приведено сравнение типов закрепления отражающего элемента 7. В прототипе использовалось закрепление типа «защемленный край».
Таким образом заявляемое устройство позволяет обеспечить требуемый технический результат.
Осуществление полезной модели.
Из оптического ситалла СО115М диаметром 10 см и толщиной 1 см формируют оптическую поверхность, представляющую собой отражающее покрытие с коэффициентом отражения 99,9%. Покрытие напыляют на поверхность ситалла. Устанавливают оптический элемент в корпус. К корпусу подсоединяется баллон, заполненный газом при избыточном давлении и выполненным из упругого материала, например, из резины. Герметично закрепляют оптический элемент при помощи упругого кольцевого уплотнительного элемента, например, из вакуум уплотнительной резины. Подсоединяют датчик измерения давления и клапан стравливания с буферным объемом.
Полезная модель позволяет обеспечить качественно новые технические и эксплуатационные характеристики (например, увеличение динамического диапазона изменения радиуса кривизны поверхности) по сравнению с наиболее прогрессивными отечественными и зарубежными аналогами.