ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЯТОР ВОЛНОВОГО ФРОНТА Российский патент 2004 года по МПК G02F1/05 

Изобретение относится к области оптики и предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах.

Известен фазовый модулятор волнового фронта [1]. Устройство содержит деформируемое зеркало, жесткое основание и монолитные пьезоэлементы, размещенные между зеркалом и основанием. Работа устройства основана на продольном пьезоэффекте. Устройство обладает высоким быстродействием. Однако устройство имеет низкую чувствительность, недостаточную для фазовой коррекции в оптических системах инфракрасного диапазона.

Наиболее близким аналогом является многослойный пьезоэлектрический модулятор волнового фронта [2]. Устройство содержит деформируемое зеркало, жесткое основание и многослойную структуру из пьезоэлектрического материала с электродами, нанесенными на противоположные плоскости каждого слоя. Устройство обладает высокой чувствительностью.

Однако известное устройство обладает низкой надежностью, что не позволяет применить его в авиационно-космических системах. Низкая надежность является следствием механических напряжений, возникающих в процессе поляризации пьезоэлектрического материала. Механические напряжения на границе поляризованного и неполяризованного материала вызывают появление микротрещин. При вибрационных и ударных механических воздействиях, которые испытывает система на участке выведения, микротрещины развиваются в крупные дефекты, приводящие к отказу устройства.

К снижению вероятности безотказной работы приводят и колебания температуры в процессе эксплуатации. В этом случае также возникают механические напряжения из-за существенного различия температурных коэффициентов линейного расширения поляризованного и неполяризованного пьезоэлектрического материала.

Кроме низкой надежности, известное устройство имеет недостаточно высокую временную стабильность электромеханических характеристик из-за старения поляризованного пьезоэлектрического материала вследствие перестройки доменной структуры при механических и температурных воздействиях.

Следует отметить еще один недостаток известного устройства. Для управления работой модулятора требуются преобразователи управляющего сигнала в виде высоковольтных усилителей, выходные элементы которых имеют низкую надежность и низкую экономичность. Это снижает надежность и увеличивает энергопотребление системы в целом, несмотря на незначительное потребление энергии собственно пьезоэлектрическим устройством.

Изобретение позволяет повысить надежность, временную стабильность и экономичность адаптивной оптической системы.

Указанный технический эффект достигается тем, что в твердотельном модуляторе волнового фронта, содержащем деформируемое зеркало, жесткое основание, размещенный между ними многослойный блок сегнетоэлектрической керамики и преобразователи управляющего сигнала, управляющий сигнал представляет собой двоичный код с числом разрядов N, преобразователи представляют собой цифровые электронные ключи, блок выполнен из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом и электрически разделен на N секций, число слоев в секции равно 2^k, где k - номер секции, на противоположные стороны каждого слоя нанесены наборы общих и адресных электродов, электроды снабжены выступами, выступы адресных электродов в секции повернуты относительно общих электродов на угол α=2π·k/(N+1), электроды каждой секции, соответствующие одному адресу, соединены электрически параллельно и подключены к выходу соответствующего цифрового электронного ключа, а управляющие входы цифровых электронных ключей подключены к выходному регистру системы управления.

Создание твердотельного модулятора волнового фронта стало возможным благодаря новой конструкции блока сегнетоэлектрической керамики, включая новую форму и ориентацию электродов, новому сегнетоэлектрическому материалу блока, новому типу формирователя и новому принципу электрических соединений между блоком и формирователями.

Применение сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом [3], имеющей высокие электрострикционные характеристики, позволяет устранить из технологического процесса операцию поляризации с ее нежелательными последствиями для надежности устройства.

Отсутствие доменной структуры в электрострикционной керамике является причиной отсутствия старения материала, что повышает временную стабильность электромеханических параметров устройства.

Известные опыты применения электрострикционной керамики в аналоговых устройствах адаптивной оптики выявили нелинейный характер электромеханической характеристики, с низкой чувствительностью в области малых управляющих сигналов. Примененный в изобретении цифровой способ управления позволил устранить этот недостаток электрострикционного устройства и линеаризировать электромеханическую характеристику. С этой целью блок разделен электрически на секции с числом слоев, пропорциональных весу разряда двоичного кода, а формирователи управляющего сигнала выполнены в виде цифровых электронных ключей [4].

Цифровые электронные ключи, работающие, в основном, в режимах отсечки и насыщения, рассеивают значительно меньшую мощность, чем формирователи аналоговых сигналов в прототипе. Этим обеспечивается низкое энергопотребление предлагаемого устройства. Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение цели изобретения.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами фиг.1 и 2. На фиг.1 изображен общий вид твердотельного модулятора волнового фронта с трехразрядным кодом управляющего сигнала и схема электрических соединений устройства. На фиг.2 изображены варианты конфигурации электродов в одном из слоев многослойного блока: фиг.2а - с прямоугольной сеткой расположения активных элементов, фиг.2б - с гексагональной сеткой и пятиразрядным кодом.

Твердотельный модулятор волнового фронта содержит деформируемое зеркало 1, жесткое основание 2 и размещенный между ними многослойный блок сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом 3. Блок 3 электрически разделен на три секции. Первая секция 4 состоит из двух слоев, вторая секция 5 состоит из четырех слоев, третья секция 6 состоит из восьми слоев (на фиг.1 секции 4, 5, 6 условно выделены штриховкой для наглядности). На противоположные плоскости каждого слоя нанесены электроды: общие 7 и адресные 8, 9, 10.

Электроды 7, 8, 9, 10 снабжены выступами 11. Выступы 11 адресных электродов 8 первой секции 4 повернуты относительно общих электродов 7 на угол 90°. Угол поворота электродов 9 второй секции 5 равен 180°, а электродов 10 третьей секции 6 - 270°. Электроды каждой секции, соответствующие одному адресу, соединены параллельно при помощи проводников 12, которые через отверстия 13 подключены к цифровым электронным ключам 14, 15, 16. На деформируемое зеркало 1 нанесено отражающее покрытие 17.

Возможен вариант многослойного блока 2 с электродами, имеющими несимметричную форму (фиг.2а). Этот вариант целесообразно применять при малых расстояниях между узлами сетки, соответствующими управляемым адресам. Описанное выше устройство имеет прямоугольную сетку. Возможен вариант устройства с гексагональной сеткой адресов. На чертеже фиг.2б показан фрагмент такого устройства, которое включает блок 2, состоящий из пяти секций.

Твердотельный модулятор волнового фронта работает следующим образом. С выходного регистра системы управления на управляющие входы цифровых электронных ключей 14, 15, 16 поступают управляющие сигналы С1, С2, С3, соответствующие разрядам двоичного кода деформации данного адреса. В зависимости от значения управляющих сигналов (“1” или “0”) цифровые электронные ключи переходят в открытое или закрытое состояние. Через открытые ключи на секции многослойного блока 2 подается напряжение от стабилизированного источника питания (на схеме не показан). В результате электрострикционного эффекта происходит деформация слоев в данном адресе. Суммарная деформация активных слоев блока 2 в данном адресе передается деформируемому зеркалу 1. Зависимость относительной деформации зеркала 1 от управляющих сигналов С1, С2, С3 приведена в таблице:

Деформация зеркала 1 при помощи отражающего покрытия 17 модулирует фазу оптического излучения, используемого в данной адаптивной оптической системе.

Новый вид твердотельного модулятора волнового фронта позволяет существенно повысить эффективность адаптивной оптической системы путем значительного увеличения ее надежности и снижения энергопотребления. Наибольший эффект может быть достигнут в информационных оптических системах космических аппаратов.

Источники информации

1. Патент США №3904274, М.Кл. G 02 F 1/34, 1975.

2. Патент США №4257686, М.Кл. G 02 F 1/00, 1981.

3. Веневцев Ю.Н. и др. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. - М.: Химия, 1985, с.159-166.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991, с.505-510.

Изобретение относится к измерительной технике. Твердотельный модулятор содержит деформируемое зеркало, жесткое основание, размещенный между ними многослойный блок сегнетоэлектрической керамики и преобразователи управляющего сигнала. Управляющий сигнал представляет собой двоичный код с числом разрядов N, преобразователи представляют собой цифровые электронные ключи, блок выполнен из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом и электрически разделен на N секций, электроды снабжены выступами, выступы адресных электродов в секции повернуты относительно общих электродов на угол α=2π·k/(N+1), электроды каждой секции, соответствующие одному адресу, соединены электрически параллельно и подключены к выходу соответствующего цифрового электронного ключа. Технический результат - повышение надежности и экономичности оптической системы. 2 ил., 1 табл.

Твердотельный модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, жесткое основание, размещенный между ними многослойный блок сегнетоэлектрической керамики и преобразователи управляющего сигнала, отличающийся тем, что управляющий сигнал представляет собой двоичный код с числом разрядов N, преобразователи представляют собой цифровые электронные ключи, блок выполнен из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом и электрически разделен на N секций, число слоев в секции равно 2^k, где k - номер секции, на противоположные стороны каждого слоя нанесены наборы общих и адресных электродов, электроды снабжены выступами, выступы адресных электродов в секции повернуты относительно общих электродов на угол α=2π·k/(N+1), электроды каждой секции, соответствующие одному адресу, соединены электрически параллельно и подключены к выходу соответствующего цифрового электронного ключа, а управляющие входы цифровых электронных ключей подключены к выходному регистру системы управления.