КЕРАМИЧЕСКИЙ ДЕРЖАТЕЛЬ ОПТИКИ
CERAMIC HOLDER FOR OPTICAL DEVICES

Настоящее изобретение относится к держателю оптики, прежде всего для оптического измерительного прибора, имеющему корпус, на котором предусмотрены средства для фиксации электрооптической приемо-передающей системы. Настоящее изобретение относится далее к способу изготовления подобного держателя оптики. Кроме того, настоящее изобретение относится к оптическому измерительному прибору, прежде всего лазерному дальномеру, имеющему линзодержатель, держатель оптики и приемо-передающую систему.
Уровень техники
Из DE 102005041980 А1 известен оптический измерительный прибор для лазерной дальнометрии, который выполнен в виде ручного или портативного прибора. В таком лазерном дальномере в качестве его основного элемента предусмотрен держатель оптики из пластмассы, на котором смонтирована электрооптическая приемо-передающая система. Для этого держатель оптики имеет гнезда и крепежные средства для оптических и/или электронных компонентов измерительного прибора. Так, в частности, в передней части держателя оптики предусмотрен выполненный за одно целое с ним линзодержатель с оправой для приемной оптики. Помимо этого на держателе оптики закреплена печатная плата с лазерным диодом, перед которым установлена коллиматорная линза для формирования лазерного пучка, и с приемным фотодиодом. Печатная плата расположена в измерительном приборе таким образом, что лазерный диод может излучать световой луч через передающую оптику, а приемный фотодиод расположен в фокусе приемной оптики. Для повышения точности измерений и для сокращения погрешностей измерений пути распространения излучаемого и принимаемого света расположены параллельно. Благодаря этому влияние внешних факторов на держатель оптики в такой же степени сказывается на обоих путях распространения света.
Держатель оптики с зафиксированной на нем электрооптической приемопередающей системой смонтирован совместно с индикаторным устройством (дисплеем), устройством ввода и устройством питания в общем корпусе. При работе с лазерным дальномером он приводится в действие через устройство ввода. После этого лазерным диодом излучается лазерный пучок на объект, расстояние до которого требуется измерить. Проецируемая на объект световая точка фокусируется приемной оптикой на приемный фотодиод и анализируется. Полученное в результате измерений значение расстояния выводится на индикаторное устройство.
На практике к оптическим измерительным приборам предъявляются высокие требования касательно их механической нагрузочной способности, т.е. способности выдерживать механическую нагрузку. Уже в процессе сборки на держатель оптики могут воздействовать усилия, которые могут привести к его деформации. Помимо этого измерительный прибор может при работе с ним подвергаться ударам и поэтому деформироваться. Подобную деформацию можно лишь частично компенсировать или предотвратить путем принятия соответствующих конструктивных мер. Однако в этом отношении прежде всего применительно к портативным оптическим измерительным приборам в силу их функционального назначения существуют жесткие ограничения. Так, в частности, для изготовления компонентов оптического измерительного прибора в принципе пригодна сталь, поскольку она обладает высоким модулем упругости (см. таблицу 1). Для применения в подобных целях в меньшей степени пригодны литейные алюминиевые сплавы, перерабатываемые литьем под давлением, и литейные магниевые сплавы, а наименее пригодна пластмасса по причине наименьшего у нее среди всех этих материалов модуля упругости. Однако с учетом требований по снижению массы измерительного прибора применение стали в этих целях нежелательно, поскольку она является наиболее тяжелым среди перечисленных ниже в таблице 1 материалов.
Таблица 1
Материал
Модуль упругости
Сталь (гнутая листовая деталь, марка St 37)
210000 Н/ММ<sup>2</sup>
Алюминиевый сплав, перерабатываемый литьем под давлением (марка GD-A1SH2)
75000 Н/мм<sup>2</sup>
Литейный магниевый сплав (марка GD-MgA15)
50000 Н/мм<sup>2</sup>
Пластмасса (поли-1,4-фениленсульфид PPS-GF40)
13000 Н/мм<sup>2</sup>
Помимо этого измерительные приборы подвергаются тепловым воздействиям, например воздействию прямого солнечного света. При жестком соединении держателя оптики с корпусом измерительного прибора односторонний его нагрев может привести к искривлению измерительного прибора, вследствие чего держатель оптики деформируется, а точность измерений снизится. Поэтому для изготовления компонентов измерительного прибора целесообразно использовать материал, который обладает, с одной стороны, высокой теплопроводностью, а с другой стороны, низким коэффициентом теплового расширения. Как следует из приведенных в таблице 2 данных, сочетание подобных свойств наилучшее у стали, а наихудшее - у пластмассы.
Таблица 2
Материал
Теплопроводность
Коэффициент теплового расширения
Сталь (гнутая листовая деталь, марка St 37)
48-58 Вт/(м·К)
13 мкм/(м·К)
Алюминиевый сплав, перерабатываемый литьем под давлением (марка GD-A1SH2)
160 Вт/(м·К)
21 мкм/(м·К)
Литейный магниевый сплав (марка GD-MgA15)
200 Вт/(м·К)
26 мкм/(м·К)
Пластмасса (поли-1,4-фениленсульфид PPS-GF40)
0,3 Вт/(м·К)
20-40 мкм/(м·К)
Поскольку электрооптическая приемо-передающая система содержит электронные компоненты, которые по причине используемых модулирующих частот, достигающих 1 ГГц, создают электромагнитное излучение, необходимо также учитывать требования к электромагнитной совместимости. При этом держатель оптики, когда он изготовлен из проводящего материала, в принципе может служить экраном. Однако по причине высоких используемых модулирующих частот добиться подобного экранирующего эффекта сложно. Поэтому держатель оптики следует изготавливать из материала с малой электропроводностью, чтобы сам он не мог служить антенной для электрооптической приемо-передающей системы и тем самым не способствовал испусканию электромагнитного излучения. Все металлические материалы, к которым относятся сталь, литейные алюминиевые сплавы, перерабатываемые литьем под давлением, и литейные магниевые сплавы, обладают высокой проводимостью и поэтому с учетом аспекта электромагнитной совместимости малопригодны для изготовления из них держателя оптики. По данному параметру наиболее пригодна только пластмасса, поскольку она является изолятором, соответственно диэлектриком.
Таблица 3
Материал
Электропроводность
Сталь (гнутая листовая деталь, марка St 37)
около 10 м/(Ом·мм<sup>2</sup>)
Алюминиевый сплав, перерабатываемый литьем под давлением (марка GD-AlSH2)
19-22 м/(Ом·мм<sup>2</sup>)
Литейный магниевый сплав (марка GD-MgAl5)
8 м/(Ом·мм<sup>2</sup>)
Пластмасса (поли-1,4-фениленсульфид PPS-GF40)
изолирует
Помимо этого держатель оптики, изготовленный литьем под давлением из металла или пластмассы, обладает внутренними напряжениями, обусловленными технологическими особенностями. Подобное явление в принципе характерно и для гнутых листовых деталей из стали. На протяжении срока службы измерительного прибора и под воздействием температуры происходит релаксация таких внутренних напряжений, в связи с чем с течением времени происходит разъюстировка оптической системы.
В зависимости от применяемых материалов существуют обусловленные технологическими особенностями пределы точности изготовления держателя оптики, а тем самым и всего оптического измерительного прибора.
Обусловленная технологическими особенностями точность минимальна у отливок, изготавливаемых из литейных алюминиевых сплавов литьем под давлением, выше у отливок, изготавливаемых из литейных магниевых сплавов, еще выше у деталей из пластмассы и максимальна у деталей из стали.
При сборке оптического измерительного прибора часто используют клей, поскольку клеевое соединение позволяет практически полностью предотвратить возникновение напряжений в держателе оптики при сборке, а также позволяет с малыми затратами и с высокой точностью скреплять между собой детали. В данном случае литейные металлы и их сплавы из-за их в целом худшей способности к склеиванию в общем менее пригодны, чем сталь или пластмасса. Помимо этого и выбор пригодных для применения в подобных целях клеев ограничен, поскольку, например, металлы не являются светопропускающими материалами, в связи с чем применение фотоотверждаемого клея для ускорения процесса склеивания невозможно. Изготовление же светопропускающих деталей возможно только из пластмасс, и поэтому фотоотверждаемый клей можно использовать лишь для их склеивания или приклеивания.
В целом следует отметить, что ни один материал не удовлетворяет всем необходимым требованиям. К числу наиболее пригодных для изготовления держателя оптики следует отнести сталь или пластмассу, при этом, однако, пластмасса не обладает прежде всего оптимальными прочностью и термическими свойствами, а сталь не обеспечивает прежде всего соблюдение требований к электромагнитной совместимости. Помимо этого к недостаткам всех использовавшихся до настоящего времени материалов следует отнести прежде всего наличие у них внутренних напряжений.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать держатель оптики, который одновременно обладал бы высокой механической и термической нагрузочной способностью, обладал бы высоким уровнем электромагнитной совместимости, обладал бы длительным ресурсом, позволял бы изготавливать его с высокой точностью и был бы простым в монтаже.
Краткое изложение сущности изобретения
2
3
2
3
3
Указанная задача решается согласно изобретению благодаря тому, что держатель оптики представляет собой керамический держатель оптики, который в предпочтительном варианте изготовлен по технологии литья керамики под давлением. Подобная технология позволяет изготавливать детали сложной формы из керамических материалов, из которых подобные детали до настоящего времени невозможно было изготавливать традиционными методами изготовления керамических изделий. При этом в качестве пригодных для применения в подобных целях материалов зарекомендовали себя керамика на основе AlO, а также керамика на основе смеси из AlO и ZrO.
2
3
2
По сравнению с использовавшимися до настоящего времени материалами керамические материалы характеризуются особо высокой прочностью. У AlO его модуль упругости составляет 390000 Н/м. Такая керамика обладает и хорошими термическими свойствами, поскольку при высокой теплопроводности, составляющей 30 Вт/(м·K), ее коэффициент теплового расширения составляет лишь 8,2 мкм/(м·K). Тем самым подобная керамика обладает особо малым тепловым расширением и одновременно с этим обладает высокой теплопроводностью, благодаря которой обеспечивается равномерное распределение тепла по всему объему держателя оптики. Тем самым при нагреве держателя оптики происходит равномерное изменение его длины без возникновения деформаций. Помимо этого керамика является изолятором (диэлектриком), что исключает опасность возникновения электромагнитной несовместимости, обусловленной держателем оптики. Кроме того, керамика обладает высокой способностью к склеиванию, превосходящей таковую у всех использовавшихся до настоящего времени материалов.
Поскольку керамические детали при их изготовлении спекают, т.е. отверждают при высокой температуре, они практически не имеют внутренних напряжений, и поэтому не происходит разъюстировка оптической системы, обусловленная релаксацией напряжений. Помимо этого изготовление керамических изделий по технологии литья керамики под давлением обеспечивает их формование с особо высокой обусловленной технологическими особенностями точностью, которая аналогична точности изготовления деталей из стали.
В целом керамический держатель оптики практически во всех рассмотренных выше аспектах превосходит держатель оптики, изготовленный из традиционно применяемых в этих целях материалов.
2
3
2
3
В одном из вариантов осуществления изобретения держатель оптики может быть выполнен из по меньшей мере частично светопропускающей в по меньшей мере одном диапазоне длин волн керамики, прежде всего из прозрачной для ультрафиолетового излучения керамики. Благодаря этому для монтажа других компонентов на держателе оптики, которые сами не являются светопропускающими, можно использовать фотоотверждаемый клей. Подобные клеи широко используются в уровне техники и благодаря простоте обращения с ними особо пригодны для применения в процессе соединения деталей склеиванием. Так, например, при применении керамики на основе AlO достаточное для отверждения клея его облучение возможно при толщине материала, достигающей максимум 2 мм, при этом AlO частично прозрачен для оптического излучения в широком диапазоне длин волн, охватывающем длины волн от 350 до 635 нм.
Помимо этого за одно целое с держателем оптики может быть выполнен линзодержатель. Подобное цельное выполнение держателя оптики позволяет уменьшить обусловленные производственными допусками погрешности при сборке и повысить прочность закрепления удерживаемых в линзодержателе линз на держателе оптики. Помимо этого из сборочного процесса исключается сборочная операция по соединению между собой линзодержателя и держателя оптики, благодаря чему снижается стоимость изготовления оптического измерительного прибора и сокращается доля брака.
В альтернативном варианте осуществления изобретения линзодержатель может быть выполнен в виде отдельной, соединяемой с держателем оптики детали и выполнен при этом с тубусообразной оправой для по меньшей мере одной линзы. Такая тубусообразная оправа может быть предназначена прежде всего для установки в ней двух последовательно расположенных линз. Тем самым в линзодержателе можно также реализовать комплексные оптические свойства. По технологическим причинам каждую из линз предпочтительно при этом вставлять в их линзодержатель с одного из его противоположных концов. Тем самым выбор применяемых линз не ограничен только линзами, устанавливаемыми в оправу путем перемещения через нее с ее наружной стороны.
Держатель оптики дополнительно может иметь на своем корпусе по меньшей мере один осевой выступ, а электрооптический приемо-передающий блок может иметь по меньшей мере одно отверстие, которое соответствует этому предусмотренному на корпусе держателя оптики выступу, и в которое он вставлен в смонтированном состоянии держателя оптики. Электрооптический приемо-передающий блок может при этом иметь печатную плату, в которой предусмотрено указанное отверстие. Наличие подобных выступов и соответствующих им отверстий облегчает и упрощает монтаж электрооптического приемо-передающего блока на корпусе держателя оптики и повышает точность позиционирования. На такой печатной плате расположены лазерный диод и фотодиод, например лавинный фотодиод (ЛФД), для излучения, соответственно, приема света. При этом выступы и отверстия предпочтительно располагать вблизи лазерного диода для обеспечения тем самым особо точного его позиционирования.
Помимо этого с наружной стороны корпуса держателя оптики могут быть предусмотрены крепежно-позиционирующие элементы для установки линзы, прежде всего коллиматорной линзы, на этом корпусе. Непосредственное соединение с корпусом держателя оптики позволяет простым путем закреплять на нем коллиматорную линзу, прежде всего приклеиванием.
В корпусе держателя оптики может быть далее предусмотрено по меньшей мере одно проходящее между его концами гнездо под вставляемый в него тубус с полосовым фильтром. Благодаря этому обеспечивается возможность простого позиционирования такого тубуса на оптическом пути, а также возможность размещения на нем дополнительных оптических элементов. Применение тубуса с трубчатым кожухом позволяет обеспечить экранирование оптического пути.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения, а также рассмотрены в последующем описании некоторых примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - поэлементный вид держателя оптики с приемо-передающей системой, выполненного по первому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.2 - вид в продольном разрезе изображенного на фиг.1 узла с установленными на нем оптическими компонентами,
на фиг.3 - изображенный на фиг.1 узел с предусмотренным на нем дисплеем в состоянии, подготовленном к установке в корпус лазерного дальномера,
на фиг.4 - вид в аксонометрии предлагаемого в изобретении держателя оптики, выполненного по второму варианту осуществления настоящего изобретения и изготовленного за одно целое с линзодержателем, и
на фиг.5 - поэлементный вид изображенного на фиг.3 держателя оптики с приемо-передающей системой.
2
3
2
3
3
На фиг.1 и 2 показан держатель 1 оптики с приемо-передающей системой для лазерного дальномера М, выполненный по первому варианту осуществления настоящего изобретения. Такой держатель 1 изготовлен из керамики на основе А1О по технологии ее литья под давлением. В другом варианте возможно также использование (смешанной) керамики на основе AlO и ZrO.
Держатель 1 оптики имеет корпус 2 с проходящим в его осевом направлении трубчатым гнездом 3. В это трубчатое гнездо 3 вставлен тубус 4 с закрепленным в нем полосовым фильтром 5. Сбоку на держателе 1 предусмотрены два крепежно-позиционирующих элемента 6, которыми на корпусе 2 позиционируется и фиксируется на нем клеевым соединением коллиматорная линза с ее линзодержателем 7. Помимо этого на держателе 1 со стороны коллиматорной линзы с ее линзодержателем 7 закреплен эталонный откидной элемент 8. С противоположной стороны корпуса 2 предусмотрен оптический модуль наведения с клиновидными призмами 9 и отклоняющей призмой с печатной платой 10. На своих торцах корпус 2 имеет два концевых фланца 11, 12.
На переднем концевом фланце 11 закреплен линзодержатель 13. Он имеет переднюю пластину 14 с выполненной в ней тубусообразной оправой 15, а также правое и левое боковые окошки 16А, 16В. В тубусообразной оправе 15 закреплены две линзы 17. Помимо этого линзодержатель 13 имеет два боковых крепежных элемента 18 П-образного профиля, которыми он насажен на передний концевой фланец 11 держателя 1. В месте соединения с передним концевым фланцем 11 крепежные элементы 18 прочно приклеены к нему.
Задний концевой фланец 12 выполнен с четырьмя обращенными от корпуса 2 выступами 19, которые предназначены для монтажа приемо-передающего блока 20 и из которых на чертеже видны только три. Приемо-передающий блок 20 имеет печатную плату 21, с обращенной к держателю 1 стороны которой смонтированы лазерный диод 22 и фотодиод 23 (ЛФД). В печатной плате 21 предусмотрены четыре круглых соединительных отверстия 24, которые соответствуют выступам 19 на заднем фланце 12. При сборке выступы 19 вставляют в эти соединительные отверстия 24 и приемо-передающий блок 20 фиксируют на заднем концевом фланце 12 держателя 1 клеевым соединением.
В собранном или смонтированном состоянии лазерный диод 22, сквозное отверстие 25 в заднем концевом фланце 12, коллиматорная линза с ее линзодержателем 7, эталонный откидной элемент 18 и правое окошко 16А располагаются на одной оси, которая образует передающий путь, по которому распространяется испускаемый лазерным диодом 22 свет. При этом коллиматорная линза 7 служит для фокусировки или сведения излучаемого лазерным диодом 22 света в параллельный пучок. В эталонном откидном элементе 8 выполняется контрольное или эталонное измерение испускаемого лазерного излучения в целях юстировки лазерного дальномера М. Лазерный пучок в неизменном виде выходит через правое окошко 16А, в которое вставлено стекло в качестве линзы.
Испускаемое лазерное излучение проецируется на не показанном на чертежах объекте в виде световой точки, регистрируемой лазерным дальномером М. Для этого предназначен приемный путь, проходящий через две линзы 17 и тубус 4 с находящимся в нем полосовым фильтром 5 к фотодиоду 23. Обе линзы 17 обеспечивают фокусировку входящего света на фотодиод 23. При прохождении через полосовой фильтр 5 практически полностью отфильтровываются присутствующие в спектре входящего света составляющие с длиной волны, отличной от длины волны излученного лазерным диодом 22 света, благодаря чему на фотодиод 23 падает и воспринимается им только излученный лазерным диодом 22 свет.
Оптический путь наведения на объект проходит вдоль оси, образованной левым окошком 16В, сквозным отверстием 26 в переднем концевом фланце 11, клиновидными призмами 9 и отклоняющей призмой с печатной платой 10. Таким путем обеспечивается возможность точного наведения лазерного дальномера на требуемый объект, расстояние до которого необходимо измерить, и направления на него лазерного пучка.
На фиг.3 в своей совокупности показан измерительный прибор. Он имеет корпус 27 с блоком 28 управления (блоком органов управления) и с торцевым отверстием 29. Помимо этого предусмотрен измерительный блок 30, который в качестве основного своего элемента имеет описанный выше держатель 1 оптики со смонтированными на нем компонентами. Держатель 1 оптики окружен П-образным держателем 31 дисплея 32, удерживаемым между свободными концами боковых стенок этого держателя. Закрепленный на держателе 1 оптики линзодержатель 13 со своей наружной стороны окружен резиновой манжетой 33, смонтированной на держателе 31 дисплея. Такой измерительный блок 30 вставляют с открытых торцевых сторон в корпус 27, при этом резиновая манжета 33 закрывает торцевое отверстие 29 в нем. В корпусе 27 дополнительно предусмотрен не показанный на чертеже блок питания.
На фиг.4 и 5 показан держатель Г оптики, выполненный по второму варианту осуществления настоящего изобретения. Такой держатель Г оптики, выполненный по второму варианту, по существу идентичен держателю оптики, выполненному по первому варианту, и поэтому в обоих вариантах для обозначения одинаковых деталей и элементов используются идентичные позиции.
Держатель 1' оптики имеет корпус 2 с двумя боковыми крепежно-позиционирующими элементами 6, на которых, как и в предыдущем варианте, закреплена коллиматорная линза с ее линзодержателем 7. На своем переднем конце корпус 2 выполнен за одно целое с линзодержателем 13. Линзодержатель 13 имеет, как и в первом варианте, переднюю пластину 14 с центральной тубусообразной оправой 15 и двумя боковыми окошками 16А, 16В. В тубусообразную оправу 15 снаружи вставлена линза 17.
На заднем конце корпуса 2 предусмотрен задний концевой фланец 12, который выполнен идентично таковому в первом варианте. На этом концевом фланце смонтирован приемо-передающий блок 20, который идентичен таковому в первом варианте.
Несмотря на наличие незначительных конструктивных отличий держателя Г оптики от держателя оптики, выполненного по первому варианту, расположение отдельных компонентов при этом идентично их расположению в описанном выше варианте. Тем самым в обоих вариантах оптические оси и принцип действия отдельных компонентов в принципе одинаковы. Во втором варианте на держателе 1' оптики аналогично рассмотренному выше варианту могут быть смонтированы не показанные в явном виде на чертежах эталонный откидной элемент и оптический модуль наведения. Работа измерительного прибора М, который имеет такое же конструктивное исполнение, что и рассмотренное выше со ссылкой на фиг.3 в описании первого варианта, идентична работе измерительного прибора в первом варианте.