Перспективные конструкции оптико-механических дефлекторов для управления лазерным лучом

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ДЕФЛЕКТОРОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ А.В. Ефименко, Ю.С. Монахов, А.А. Петров Научные руководители - кандидат технических наук, доцент Е.В. Шалобаев, доктор технических наук, профессор В.Д. Вавилов

Рассмотрены наиболее перспективные, по мнению авторов, конструкции оптико-механических дефлекторов (ОМД), осуществляющих пространственную развертку лазерного излучения. Указаны основные достоинства и недостатки таких конструкций. Предлагаемые конструкции ОМД могут найти применение в различных технических системах, в том числе в лазерных медицинских установках сканирующего типа.

Оптико-механические дефлекторы (ОМД) применяются в различных отраслях промышленности, техники и медицины: в системах записи и отображения информации; в устройствах оптической памяти; в оптических вычислительных приборах; в системах телевидения, получения микроизображений, лазерной локации, обзора, слежения и наведения, распознавания образов; в системах считывания штрихового кода; для контроля и измерения геометрических параметров деталей при их изготовлений, а также в медицинских лазерных сканирующих терапевтических установках. Предлагаемые конструкции оптико-механических дефлекторов могут найти свое применение во многих из перечисленных областей, однако разрабатываются для действующих медицинских терапевтических установок, изготавливаемых ЗАО «НПО Скала» (г. Санкт-Петербург -Ломоносов). Применение в указанных установках дефлекторов нового типа позволит снизить массогабаритные показатели, увеличить диапазон изменения угловых координат, увеличить частоту сканирования и упростить процесс управления разверткой лазерного луча.

Рассматриваемые в рамках данной работы конструкции ОМД можно разделить на два класса по массогабаритным показателям: это «обычные» дефлекторы для так называемого макромира и микро-дефлекторы, изготавливаемые на основе МЭМС-технологий для микросистемной техники (хотя имеется возможность применения указанных микроконструкций и в макромире с небольшими изменениями).

Начнем рассмотрение конструкций ОМД для макромира с используемой на сегодняшний день в установках «НПО Скала» схемы торсионного дефлектора [1-4].

Предлагаемый резонансный двухкоординатный дефлектор построен на основе двух совместно работающих модуляторов, ориентированных в пространстве так, что оси поворота их отражающих поверхностей перпендикулярны друг другу. Каждый отдельно взятый модулятор включает в себя статор с двумя обмотками управления и постоянными магнитами и полый ротор с закрепленным на его конце зеркалом (рис. 1). Ротор выполнен в виде цилиндра с центральным продольным отверстием. Концы ротора заключены в подшипники. Внутрь полого ротора вставлен упругий элемент - торси-он. Одним концом закрепленный в начале ротора, торсион проходит по всей длине внутри ротора и крепится другим своим концом к неподвижному наконечнику, зафиксированному, как и подшипники ротора, по одной оси в корпусе модулятора.

Отсутствие в предлагаемой конструкции дефлектора каких-либо элементов с поступательным движением и размещением торсиона внутри полого ротора позволяет максимально уменьшить габариты, делает модуль удобным в эксплуатации и обеспечивает высокий ресурс работы при неизменном значении номинальных параметров. При работе ОМД угол пространственной развертки луча составляет 20°, а частота колебаний зеркала - до 650 Гц.

Рис. 1. Схема торсионного ОМД

Рис. 2. Направление магнитной индукции в торсионном ОМД

Источником движения в предлагаемой конструкции служит моментный двигатель (МД) - электромеханический преобразователь, у которого на вход подается электрический сигнал, а выходом является электромагнитный момент. Момент, развиваемый двигателем, уравновешивается механической пружиной (торсионом), а выходом прибора является угол поворота, зависящий от сигнала, подаваемого в обмотку управления (ОУ). Данный двигатель относится к классу поляризованных МД, в которых поток в зонах взаимодействия статора и ротора создается совместно с постоянным магнитом (ПМ) к ОУ. Двигатель - двухполюсный. В одних воздушных зазорах моментного двигателя магнитодвижущая сила ПМ и ОУ, а, следовательно, и соответствующие индукции направлены согласно, а в других - встречно. В результате возникает реактивный вращающий момент, направленный в сторону уменьшения магнитного сопротивления тех воздушных зазоров, в которых индукции складываются (рис. 2). Рассмотренная конструкция обладает рядом преимуществ: приемлемые параметры сканирования (частота и рабочий угол поворота); достаточно высокая надежность (как показал опыт применения в реальных установках указанной конструкции в течение 3 лет); относительная

простота управления. Основным недостатком такой конструкции является необходимость применения двух модулей ОМД для реализации управления лучом по двум угловым координатам (пространственная развертка излучения). Эта особенность ведет к определенным трудностям при монтаже дефлекторов и проблемам в калибровке их относительной ориентации.

Следующей конструкцией оптико-механического дефлектора для макромира является, так называемая растяжка на карданном подвесе. Указанная конструкция обладает тем отличительным свойством, что осуществляет развертку луча сразу по двум угловым координатам. Конструктивно предлагаемый ОМД реализован в виде статора с обмотками управления и ротора, выполненного в виде карданного подвеса на упругих направляющих - торсионах. На внутренней (рабочей) поверхности статора имеются электромагниты (катушки), расположенные по сферической поверхности (рис. 3). Подвижный ротор представляет из себя металлическое зеркало из полированного алюминия, располагающееся в подвижной рамке на торсионах (рис. 4). К нижней (нерабочей) поверхности зеркала жестко прикрепляется стержень с магнитным наконечником, который может осуществлять движение (вместе с зеркалом) при закрутке торсионов по сферической поверхности (над электромагнитами статора). Для приведения ротора в движение необходимо создание электромагнитного поля катушками, за счет чего магнитный наконечник ротора будет двигаться в соответствующем направлении поля. Таким образом, осуществляя в каждый момент времени питание определенных катушек, можно получить требуемые параметры магнитного поля, и, следовательно требуемые законы движения ротора (зеркала). Преимуществом такой конструкции ОМД является возможность пространственной развертки излучения сразу по двум угловым координатам, приемлемые величины рабочих углов поворота и частоты колебаний. Недостатками такой конструкции является относительно большая сложность изготовления такой конструкции.

Рис. 3. Статор двухкоординатного ОМД на электромагнитах

Рис. 4. Ротор двухкоординатного ОМД на электромагнитах

Теперь рассмотрим конструкции ОМД для микросистемной техники. Одним из подобных конструктивных решений является использование микромеханического зеркала, помещенного на упругих перемычках-растяжках в плоский карданный подвес (рис. 5) [5, 6]. Однако на этом пути есть проблема - углы по разным координатам неодинаковы, что вызвано разной жесткостью по осям. Правда, указанная проблема вполне разрешима путем изменения геометрических параметров конструкции (опор).

Наибольших показателей углов поворота зеркала можно добиться, применив несколько видоизмененную конструкцию карданного подвеса (рис. 5, б). Отличие состоит в конструкции перемычек-растяжек - они выполнены не цельными, а с параллельными разрезами. Предложенные конструкции приводятся в движение за счет энергии лазерного излучения. В зависимости от зоны облучения перемычки зеркало поворачивается в ту или другую сторону.

Механизм возникновения деформаций под действием температурных напряжений - следующий. При локальном нагревании некоторой области лучом лазера снижается предел текучести (в результате чего пластические деформации возникают при существенно меньших напряжениях). Под действием возникших в результате неравномерного нагрева напряжений сжатия среда деформируется, напряжения частично релаксируют. После окончания импульса, в процессе остывания, деформированная область не принимает исходных размеров и остается в напряженном состоянии. Окружающие участки во время теплового сокращения растягивают эту область, и в ней возникают остаточные напряжения растяжения. Если остаточные напряжения превышают предел текучести, возникают остаточные деформации. Указанная конструкция несколько сложнее в том плане, что приходится облучать не 4, а 8 точек (они показаны на рисунке заштрихованными областями 1-8). Достоинством таких конструкций является возможность бесконтактного приведения ОМД в движение. Очевидны недостатки предложенной конструкции - относительно небольшие величины углов поворота и частоты колебаний рабочей поверхности, обусловленные инерционностью появления температурных деформаций.

Одной из разновидностей рассмотренной конструкции оптико-механического дефлектора является аналогичная схема карданного подвеса, но с тем отличием, что упругие перемычки работают не на скручивание (торсионы), а на изгиб (аналог плоской

6)

Рис. 5. ОМД с бесконтактным приводом

пружины) (рис. 6). В результате такой замены появляется возможность увеличения рабочего угла поворота, однако несколько снижается долговечность конструкции.

Рис. 6. Конструкция ОМД на карданном подвесе

Еще одна конструкция ОМД представлена на рис. 7 [7-10]. Он состоит из двух полых металлических цилиндров, соединенных тремя узкими перемычками (1-3). Нагревая лазером эти перемычки, мы получаем поворот верхней, незакрепленной части на некоторый угол а. Комбинируя прогреваемые участки и изменяя степень их нагрева, можно получить сложное пространственное движение рабочей части. Если к верхней рабочей части присоединить отражательную поверхность, то получившаяся конструкция будет осуществлять развертку лазерного излучения по двум угловым координатам.

а

Рис. 7. Конструкция ОМД с бесконтактным управлением по 3 точкам

Последняя из рассматриваемых конструкций двухкоординатного ОМД, приводимого в движение бесконтактным способом за счет лазерного излучения, представлена на рис. 8 [1]. Данный дефлектор представляет собой плоское зеркало, установленное на трех сферических опорах, изготовленных из специального материала - ситалла, который имеет свойство изменения своих геометрических параметров при облучении лазером. При облучении лазером (и нагревании) шариков из ситалла наблюдается увеличение их объема примерно в 1,5 раза, при прекращении облучения объект уменьшается до

первоначальных размеров. Следовательно, подвергая облучению шарообразную опору, мы изменяем ее радиус, и зеркало поднимается или опускается в определенную сторону. Варьируя облучаемые опоры и дозу облучения, можно добиться сканирования дефлектором по двум координатам. Однако очевидным недостатком такой конструкции является низкая частота сканирования, вызванная инерционными процессами нагревания и остывания материала.

\ 7 Сферические опоры

Рис. 8. ОМД на сферических опорах

В заключение следует отметить, что представленные конструкции оптико-механических дефлекторов существенно отличаются друг от друга как по типу механизма приведения зеркала в движение (электромагнитное поле либо энергия лазерного излучения), так и по массогабаритным показателям (ОМД на плоских карданных подвесах с бесконтактным приводом могут быть реализованы на уровне микросистемной техники и использоваться в МЭМС-технологиях). Выбор типа ОМД определяется конкретными задачами и требованиями разработчиков технических систем на основе указанных особенностей каждой из конструкций.

Литература

1. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С., Ефименко А.В. Оптимизация параметров оптико-механического дефлектора сканирующего лазерного стимулятора. // Современные направления приборостроения, информационных и гуманитарных наук. Сборник научных трудов / Под ред. В. Л. Ткалич. Том 2. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 27-30.

2. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С., Леонтьева Н.В., Ефименко А.В. Некоторые аспекты разработки медицинского сканирующего лазерного стимулятора для проведения физиотерапевтических процедур. // Труды Четвертой Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека». СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 111-115.

3. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С., Ефименко В.Т., Ефименко А.В. Разработка и изготовление оптико-механического дефлектора на основе моментных двигателей и торсионов. // Известия ОрелГТУ. Машиностроение, приборостроение, 2003. Выпуск 3. С.84-88.

4. Дунаев А.В., Евстигнеев А.Р., Шалобаев Е.В. Лазерные терапевтические устройства / Под ред. К.В. Подмастерьева: Учебное пособие. Орел: ОрелГТУ, 2005. 143 с.

5. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С. Обзор разработок микроактюаторов на основе лазерных технологий и предложения по перспективам их развития. // Микросистемная техника. 2004. №1. С. 12-17.

6. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С. Применение лазерных технологий в микроактюато-рах. // Датчики и системы. 2004. №10. С. 41-42.

7. Muller B. Virtual Engineering helps to get laser adjustment industrially accepted. First international Symposium on Laser Precision Microfabrication. // Proc. SPIE. Vol. 4088. 2000. Р. 164-167.

8. Vollertsen F., Geiger M. Laserst rahljustieren mechatronischer Komponenten. Laser - von der Wissenschaft zur Anwendung. Strahltechnik Bd. 10. BIAS Verlag, Bremen. 1997. P. 309-320.

9. Вейко В.П., Петров А.А. Лазерная юстировка положения микродеталей в пространстве. // Научно-технический вестник СПбГИТМО(ТУ). Вып. 4. 2001. С. 113-118.

10. Вейко В.П., Петров А.А. Пространственное позиционирование микродеталей с помощью лазерного излучения. // Микросистемная техника. 2002. №5. С. 23-27.