Оптический дефлектор

Изобретение 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, размещено зеркало в подвесе, исполнительный привод, включающий четыре электромагнита, четыре датчика угла, арретир и систему управления. Подвес выполнен в виде крестообразной упругой пластины, два противоположных конца которой закреплены на зеркале, а два других - на корпусе, пяти круглых торсионов, двух плоских торсионов и четырех штоков. Каждый датчик угла содержит трехполюсный статор, закрепленный на корпусе, и якорь, закрепленный на штоке. Система управления выполнена в виде отдельного блока.

Техническим, результатом является увеличение быстродействия, повышение точности при отработке углов отклонения зеркала, повышение надежности, а также уменьшение массы и габаритов подвижного узла. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к оптике, в частности, к оптическим информационно-измерительным системам, и может найти применение в системах управления положением луча в пространстве.

Из широкого спектра существующих способов отклонения луча в пространстве наиболее распространенным является электромеханический способ управления угловым положением зеркала. Проблемной задачей при создании оптических дефлекторов с электромагнитным приводом является обеспечение высокой точности и высокого быстродействия отработки задаваемых углов поворота и сканирования зеркала.

Известен оптико-механический дефлектор, содержащий корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод и систему управления [Патент РФ 2212045, МКИ G02F 1/29, опубл. 10.09.2003 г.].

Недостатком данного устройства является отсутствие цепи обратной связи. Кроме того, зеркало может совершать колебания только вокруг одной оси.

Известно также техническое решение [А.С. СССР 1756853, МКИ G02F 1/29, опубл. 23.08.1992 г.], в котором магнитоэлектрический дефлектор содержит корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод, датчик угла и систему управления.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции. Кроме того, зеркало может совершать колебания только вокруг одной оси.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является 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, и источник излучения.

Недостатком подобного устройства является невысокая точность при отработке углов отклонения зеркала из-за отсутствия цепи обратной связи, а также большая масса и габариты подвижного узла.

Задачей настоящего изобретения является увеличение быстродействия, повышение точности при отработке углов отклонения зеркала, повышение надежности, а также уменьшение массы и габаритов подвижного узла.

Технический результат получен за счет того, что в оптическом дефлекторе, содержащем корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод, включающий магнитные системы и катушки, датчики угла, арретир и систему управления, подвес может быть выполнен в виде крестообразной упругой пластины, два противоположных конца которой закреплены на зеркале, а два других конца закреплены на корпусе, пяти круглых торсионов, двух плоских торсионов и четырех штоков, противоположные концы которых закреплены на четырех вершинах двух плоских торсионов, центральные части которых закреплены на корпусе, четыре из пяти круглых торсионов одними концами закреплены по периферии зеркала с его обратной стороны, а другими концами закреплены на торцах каждого их четырех штоков, один конец пятого круглого торсиона закреплен в центре зеркала на его обратной стороне, а другой конец закреплен на корпусе. Исполнительный привод может быть выполнен из четырех электромагнитов, причем все четыре магнитные системы закреплены на корпусе, а каждая из четырех катушек закреплена на одном из четырех штоков подвеса зеркала. Четыре датчика угла, каждый из которых содержит закрепленный на корпусе трехполюсный статор, на среднем полюсе которого закреплена катушка с обмоткой возбуждения, а на крайних полюсах закреплены катушки с сигнальными обмотками, и якорь, закрепленный на одном из четырех штоков подвеса зеркала. Арретир может быть выполнен в виде постоянного магнита, закрепленного на корпусе, и катушки, закрепленной на оси, установленной на двух плоских пружинах, свободные концы которых закреплены на корпусе, а их центральные части закреплены на противоположных концах оси. Система управления может быть выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.

При исполнении оптического дефлектора, у которого угловые развороты зеркала обеспечиваются поступательными перемещениями катушек исполнительного привода и подвижных частей датчиков угла, достигается повышение точности, повышение надежности, увеличение быстродействия, а также уменьшение массы и габаритов подвижного узла.

Сущность изобретения отражена на чертежах.

На фиг.1 представлен общий вид оптического дефлектора.

На фиг.2 представлено зеркало с крестообразной упругой пластиной.

На фиг.3 представлена система подвеса подвижных штоков.

На фиг.4 представлена конструкция штока с датчиком угла и исполнительным приводом.

На фиг.5 представлена кинематическая схема упругого подвеса зеркала (крестообразная упругая пластина с целью упрощения на схеме не показана).

Оптический дефлектор (фиг.1, 2, 3, 4, 5) содержит корпус 1, в котором установлено зеркало 2 в упругом подвесе. Подвес выполнен в виде крестообразной упругой пластины 5, два противоположных конца которой закреплены на зеркале 2, а два других конца закреплены на корпусе 1, пяти круглых торсионов 6, двух плоских торсионов 7 и четырех штоков 8, противоположные концы которых закреплены на четырех вершинах двух плоских торсионов 7, центральные части которых закреплены на корпусе 1. Четыре из пяти круглых торсиона 6 одними концами закреплены по периферии зеркала 2 с его обратной стороны, а другими концами закреплены на торцах каждого их четырех штоков 8. Один конец пятого круглого торсиона 6 закреплен в центре зеркала 2 на его обратной стороне, а другой конец закреплен на корпусе 1 в центре плоского торсиона 7. Исполнительный привод содержит четыре электромагнита 3, каждый из которых содержит магнитную систему и катушку 4. Все четыре магнитные системы закреплены на корпусе 1, а каждая из четырех катушек 4 закреплена на одном из четырех штоков 8 подвеса зеркала 2. Каждый из четырех датчиков угла (фиг.4) содержит закрепленный на корпусе 1 трехполюсный статор 9, на среднем полюсе которого закреплена катушка с обмоткой возбуждения 10. На крайних полюсах статора 9 закреплены катушки с сигнальными обмотками 11. Якорь 12 каждого из четырех датчиков угла закреплен на одном из четырех штоков 8 подвеса зеркала 2. Арретир содержит постоянный магнит 13, закрепленный на корпусе 1, и катушку, закрепленную на оси 14, установленной на двух плоских пружинах 15, свободные концы которых закреплены на корпусе 1, а их центральные части закреплены на противоположных концах оси 14. 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 дефлектора зеркало 2 зафиксировано с помощью подпружиненной оси 14 арретира. Перед началом работы на катушку электромагнита 13 арретира подается электрический сигнал из блока управления. Ось 14 арретира втягивается, сжимая пружину, и зеркало 2 получает возможность отклоняться вокруг двух взаимноперпендикулярных осей. Для поворота зеркала 2 вокруг одной из осей управляющие сигналы поступают на катушки двух соответствующих электромагнитов 3 исполнительного привода. При этом происходит линейное перемещение Z (фиг.5) штоков 8 относительно корпуса 1. При этом происходит изгиб плоских торсионов 7 и круглых торсионов 6. Зеркало 2 поворачивается на угол (фиг.5). Аналогичным образом для разворота зеркала 2 по другой оси управляющие сигналы должны поступать на две другие катушки соответствующих электромагнитов 3 исполнительного привода. Таким образом поступательные перемещения штоков 8 приводят к угловым перемещениям зеркала 2. Измерение углов разворота зеркала 2 осуществляется с использованием четырех датчиков углов 4 (фиг.4). Сигналы с датчиков углов 4 поступают также в систему управления для формирования контуров обратной связи в системе управления зеркалом 2. Предлагаемое устройство позволяет достичь минимальных габаритов и массы. Так, масса подвижного зеркала в изготовленном опытном образце не превышает 10 грамм. Оптическая отражающая поверхность зеркала может быть выполнена в форме эллипса с размерами 20×33 мм. 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 1-4 мс. В режиме сканирования дефлектор обеспечивает колебание луча с амплитудой ±0,3 мрад. и частотами до 2 кГц. Погрешности отработки задаваемых углов, удержания в нулевом положении и выдачи информации не превышают 150 мкрад. Функционирование дефлектора осуществляется с помощью блока управления, основным элементом которого является плата управления, обеспечивающая выполнение всех вычислительных и управляющих алгоритмов работы дефлектора.

Таким образом, может быть осуществлено управление положением луча в пространстве.

Заявленный оптический дефлектор позволяет увеличить быстродействие, повысить точность при отработке углов отклонения зеркала, повысить надежность, а также уменьшить массу и габариты подвижного узла.

1. Оптический дефлектор, содержащий корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод, включающий магнитные системы и катушки, датчики угла, арретир и систему управления, отличающийся тем, что подвес выполнен в виде крестообразной упругой пластины, два противоположных конца которой закреплены на зеркале, а два других конца закреплены на корпусе, пяти круглых торсионов, двух плоских торсионов и четырех штоков, противоположные концы которых закреплены на четырех вершинах двух плоских торсионов, центральные части которых закреплены на корпусе, четыре из пяти круглых торсионов одними концами закреплены по периферии зеркала с его обратной стороны, а другими концами закреплены на торцах каждого их четырех штоков, один конец пятого круглого торсиона закреплен в центре зеркала на его обратной стороне, а другой конец закреплен на корпусе.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что исполнительный привод выполнен из четырех электромагнитов, причем все четыре магнитные системы закреплены на корпусе, а каждая из четырех катушек закреплена на одном из четырех штоков подвеса зеркала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введены четыре датчика угла, каждый из которых содержит закрепленный на корпусе трехполюсный статор, на среднем полюсе которого закреплена катушка с обмоткой возбуждения, а на крайних полюсах закреплены катушки с сигнальными обмотками, и якорь, закрепленный на одном из четырех штоков подвеса зеркала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что арретир выполнен в виде постоянного магнита, закрепленного на корпусе, и катушки, закрепленной на оси, установленной на двух плоских пружинах, свободные концы которых закреплены на корпусе, а их центральные части закреплены на противоположных концах оси.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система управления выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.