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. Оптический дефлектор содержит корпус, в котором установлено зеркало в оправе, размещенное в подвесе, включающем центральный стержень, установленный в корпусе и связанный с оправой при помощи шарнирной опоры, содержащей наружное кольцо и внутреннее кольцо, выполненное в виде сферической втулки. Кроме этого подвес включает круглые торсионы, плоские торсионы и штоки. Исполнительный привод включает четыре электромагнита. Устройство содержит четыре датчика угла, арретир и систему управления, обеспечивающую в том числе обратную связь. Технический результат заключается в повышение вибропрочности, вибростойкости и точности при отработке углов отклонения зеркала по двум координатам.5 з.п. ф-лы, 2 ил.

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.

1. 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, отличающийся тем, что 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 резьбами 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.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что углубление подложки расположено с тыльной стороны зеркала и имеет форму цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости зеркала и совпадает с центральной осью устройства.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевой выступ подложки расположен соосно с углублением подложки и имеет на наружной цилиндрической поверхности резьбу.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность центрального стержня в его средней части выполнена многогранной.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на наружной торцевой поверхности накидной гайки со стороны кольцевого буртика выполнены два диаметрально расположенных углубления.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в теле гайки-балансира выполнены два радиальных диаметрально расположенных сквозных резьбовых отверстия.