УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЮСТИРОВКИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2008 года по МПК G02B27/64 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для автоматической юстировки оптических систем в условиях вибраций. Поскольку в устройстве отсутствуют электронные элементы, чувствительные к ионизирующим излучениям, оно может быть использовано в качестве элемента измерительной аппаратуры на установках, где присутствует высокий уровень радиоактивности.

Известно устройство стабилизации изображения (патенты РФ №№2091843, G02B 27/64), предназначенное для стабилизации изображения в оптическом приборе путем компенсации смещения изображения. Устройство содержит неподвижное и подвижное зеркало, а также двустепенные гироскопы. Подвижное зеркало установлено с возможностью одновременного вращения вокруг горизонтальной оси, лежащей в плоскости зеркала, и вертикальной оси, расположенной перпендикулярно горизонтальной оси и оптической оси прибора. На осях вращения рамок двустепенных гироскопов размещены соответственно датчики угла, датчики момента, операционные блоки, исполнительные двигатели со встроенными датчиками обратной связи.

Принцип работы устройства состоит в таком повороте подвижного зеркала, чтобы изображение наблюдаемого неподвижного предмета в кадровой рамке, например, киносъемочного аппарата, оставалось неподвижным относительно этой рамки.

Недостатками устройства являются:

- использование большого количества электронных компонент, что повышает стоимость устройства, снижает его надежность и делает невозможным его применение в условиях высокого уровня ионизирующих излучений;

- необходимость применения источников питания.

Известна система стабилизации изображения (патент США №6064827, опуб. 16.05.2000), называемая Shift-IS (Image Stabilizer) и применяемая в цифровых фотокамерах. Система состоит из установленных вдоль оптической оси прибора входной группы линз, двояковогнутой линзы, выходной группы линз, детектора. Принцип действия прототипа заключается в следующем. В случае отсутствия смещения камеры, центр изображения находится на оси оптической системы и попадает в центр светочувствительной поверхности детектора. Когда объектив колеблется, центр изображения смещается от центра светочувствительной поверхности детектора. Когда камера наклоняется в горизонтальной плоскости против часовой стрелки, центр изображения также смещается в этой плоскости по часовой стрелке. Для того чтобы избежать этого, система при помощи шаговых двигателей обеспечивает смещение центра двояковогнутой линзы в той же плоскости таким образом, чтобы преломление световых лучей возвратило центр изображения в первоначальное положение. Поскольку колебание изображения может происходить также и в вертикальной плоскости, двояковогнутая линза может сдвигаться и в этом направлении относительно своего исходного (статичного) положения, чтобы компенсировать отклонение изображения.

Перемещения камеры улавливаются двумя гироскопическими сенсорами. Сенсоры определяют направление (угол) и скорость перемещения (дрожания) камеры с объективом и посылают эту информацию в быстродействующий 32-разрядный микропроцессор. Микропроцессор затем преобразовывает полученные сигналы от двух датчиков в сигналы движения для двояковогнутой линзы. Затем двояковогнутая линза приводится в движение и восстанавливает устойчивость изображения.

Устройство позволяет эффективно компенсировать вибрации с частотой от 0.5 до 20 Гц. Позиция блока стабилизации определяется с помощью инфракрасных светодиодов-излучателей (IREDs - Infrared Emitting Diodes) на оправе блока и устройства определения положения (PSD - Position sensing Device), расположенных на плате электроники блока. Таким образом, изначально устройство стабилизации имеет обратную связь для точного позиционирования. Устройство стабилизации имеет также блокиратор, который устанавливает двояковогнутую линзу в центральную нейтральную позицию, в случае, когда устройство стабилизации изображения выключено.

Прототип обладает следующими недостатками:

- использование линзовой оптики, что не позволяет применять устройство в условиях высокого уровня ионизирующих излучений;

- использование большого количества электронных компонент, что повышает стоимость устройства, снижает его надежность и делает невозможным его применение в условиях высокого уровня ионизирующих излучений;

- необходимость применения источников питания;

- низкое быстродействие устройства.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является создание устройства, которое могло бы функционировать в вакууме, при высоком уровне ионизирующих излучений, не требующего источников питания, обладающего более высоким быстродействием и обеспечивающее юстировку в трех направлениях - XYZ.

Для достижения указанного результата предложено устройство для автоматической юстировки оптической системы в направлении XYZ, состоящее из выходного и входного каналов для прохода светового пучка, расположенных в стенках устройства, при этом оно дополнительно содержит четыре зеркала, два из которых установлены напротив входного и выходного каналов соответственно и жестко связаны со стенками, два других зеркала жестко закреплены на кронштейне, состоящим из двух частей, связанных муфтой, обеспечивающей возможность их перемещения по оси Y, при этом оптическая ось устройства проходит через центр зеркал под углом 45° к плоскости зеркала, концы кронштейна закреплены на подвижных опорах, одна из которых установлена с возможностью перемещения вдоль оси Х по направляющей, закрепленной на стенке со стороны одного из каналов оптической системы, а другая опора установлена с возможностью перемещения вдоль оси Z по направляющей, закрепленной на стенке со стороны другого канала, при этом оптическая ось устройства проходит через центр зеркал.

Зеркала могут быть выполнены диэлектрическими.

Зеркала могут быть выполнены металлическими.

Зеркала могут быть закреплены на кронштейне под углом в 45° по разные стороны муфты.

На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства. На фиг.2 показано размещение устройства на экспериментальном термоядерном реакторе.

Позиции, обозначенные на фигурах:

1 - входной канал;

2, 3, 4, 5 - зеркала;

6 - выходной канал;

7, 8 - направляющие;

9 - кронштейн;

10, 11 - подвижные опоры;

12 - муфта;

13 - световой пучок;

14 - стенка, в которой расположен входной канал;

15 - стенка, в которой расположен выходной канал;

16 - ось светового пучка;

17 - входной диагностический канал;

18 - фланец криостата;

19 - выходной диагностический канал;

20 - корпус криостата;

21 - диагностический модуль.

Принцип действия предлагаемого устройства заключается в следующем. Рассмотрим вариант выполнения устройства, показанного на фиг.1.

В исходном состоянии, когда отсутствует взаимное смещение стенок устройства 14 и 15, световой пучок круглого сечения, обладающий небольшой расходимостью, направляется при помощи зеркал 2, 3, 4 и 5 вдоль входного и выходного цилиндрических каналов 1 и 6, расположенных в стенках 14 и 15, таким образом, что его ось совпадает с осями каналов и пересекает круглые зеркала 2, 3, 4 и 5 в их центрах под углом 45° к плоскости зеркала. Оси каналов параллельны оси Y и смещены друг относительно друга по осям Х и Z. На стенках 14 и 15 располагаются направляющие 7 и 8 так, что направляющая 7 параллельна оси X, а направляющая 8 параллельна оси Z. В направляющих 7 и 8 установлен кронштейн 9, жестко связанный с подвижными опорами 10 и 11. Подвижные опоры 10 и 11 имеют только одну степень свободы. Опора 10 может передвигаться вдоль оси Х по направляющей 7, а опора 11 вдоль оси Z по направляющей 8, при этом кронштейн 9 всегда остается параллельным оси Y. Кронштейн 9 состоит из двух частей, соединенных при помощи муфты 12. Муфта 12 обеспечивает только одну степень свободы: возможно, только такое взаимное перемещение частей кронштейна 9, при котором последние остаются соосными. Зеркала 2 и 5 жестко связаны со стенками 14 и 15, а зеркала 3 и 4 закреплены на кронштейне 9 по разные стороны муфты таким образом, что угол между плоскостью зеркал 3, 4 и кронштейном 9 составляет 45°. Предположим, что произошло взаимное смещение стенок 14 и 15 в направлении вдоль оси X. Тогда подвижная опора 10 переместилась вдоль направляющей 7, расстояние между зеркалами 2 и 3 изменилось, но ось пучка по-прежнему проходит как через центры зеркал, так и совпадает с осями каналов 1 и 6. В случае если взаимное смещение стенок 14 и 15 происходит вдоль оси Z, подвижная опора 11 перемещается вдоль направляющей 8, изменяется расстояние между зеркалами 4 и 5, но ось пучка по-прежнему совпадает с осями каналов. И, наконец, при смещении стенок 14 и 15 вдоль оси Y, муфта 9 обеспечивает перемещение зеркал 3 и 4 вдоль оси Y, юстировка пучка также сохраняется. В зависимости от требуемых оптических и механических свойств, зеркала 2, 3, 4, 5 могут быть металлическими и диэлектрическими.

Описываемое устройство предлагается использовать в строящемся экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР.

Для некоторых оптических диагностик, использование которых планируется на ИТЭР, необходима проведение светового пучка, обладающего небольшой расходимостью, через диагностические каналы 17 и 19 (см. фиг.2). Диаметр диагностического канала может превышать сечение пучка на величину не более 1-2 см, поскольку увеличение диаметра канала ведет к снижению эффективности радиационной защиты. При этом в процессе работы реактора возможно относительное смещение корпуса криостата 20 и жестко связанного с ним входного диагностического канала 17 относительно фланца криостата 18 и закрепленного на нем выходного диагностического канала 19. Величина смещения может достигать 5 см. Использование электронных устройств автоматической юстировки невозможно из-за высокого уровня нейтронного и γ-излучений. Надежность используемого оборудования должна быть максимальной, поскольку доступ внутрь криостата для ремонта оборудования невозможен. При этом входное зеркало 2 устройства жестко крепится на корпусе криостата, а выходное 5 - на фланце криостата.

Таким образом, предлагаемое устройство, т.к. не содержит электронных компонент, позволит осуществлять юстировку в условиях вакуума и ионизирующих излучений, что позволит расширить его функциональные возможности и применять на установках, например в термоядерных реакторах и пр.

Устройство для автоматической юстировки, содержащее выходной и входной каналы для прохода светового пучка, расположенные в стенках устройства, при этом оси каналов параллельны оси Y и смещены друг относительно друга по осям Х и Z, и четыре зеркала, два из которых установлены напротив входного и выходного каналов соответственно и жестко связаны со стенками, два других зеркала жестко закреплены на кронштейне, состоящем из двух частей, связанных муфтой, обеспечивающей взаимное перемещение частей кронштейна, при котором последние остаются соосными, при этом указанные стенки обладают возможностью взаимного смещения вдоль осей X, Y, Z, оптическая ось устройства проходит через центр зеркал под углом 45° к плоскости зеркала, концы кронштейна закреплены на подвижных опорах, одна из которых установлена с возможностью перемещения вдоль оси Х по направляющей, закрепленной на стенке со стороны одного из каналов оптической системы, а другая опора установлена с возможностью перемещения вдоль оси Z по направляющей, закрепленной на стенке со стороны другого канала. Технический результат: создание устройства для работы в вакууме, при высоком уровне ионизирующих излучений, не требующего источников питания, обеспечивающее юстировку в трех направлениях - XYZ. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для автоматической юстировки, содержащее выходной и входной каналы для прохода светового пучка, расположенные в стенках устройства, при этом оси каналов параллельны оси Y и смещены относительно друг друга по осям Х и Z, и четыре зеркала, два из которых установлены напротив входного и выходного каналов соответственно и жестко связаны со стенками, два других зеркала жестко закреплены на кронштейне, состоящем из двух частей, связанных муфтой, обеспечивающей взаимное перемещение частей кронштейна, при котором последние остаются соосными, при этом указанные стенки обладают возможностью взаимного смещения вдоль осей X, Y, Z, оптическая ось устройства проходит через центр зеркал под углом 45° к плоскости зеркала, концы кронштейна закреплены на подвижных опорах, одна из которых установлена с возможностью перемещения вдоль оси Х по направляющей, закрепленной на стенке со стороны одного из каналов оптической системы, а другая опора установлена с возможностью перемещения вдоль оси Z по направляющей, закрепленной на стенке со стороны другого канала.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркала выполнены диэлектрическими.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркала выполнены металлическими.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркала закреплены на кронштейне под углом в 45° по разные стороны муфты.