ПОВОРОТНОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 2018 года по МПК G01M11/04 G02B7/198 G02B7/182 G02B5/08 

Область техники

Изобретение относится к области оптического приборостроения в той части, которая изготавливает оптические скамьи, оптические машины, голографические столы и котировочные элементы к ним.

Поворотное зеркало можно рассматривать как крепежное и функциональное устройство, которое используется в тех случаях, когда луч нужно отразить к прибору, расположенному сбоку от основного рельса или удлинить путь луча в малой комнате при сборке оптической скамьи. Оборудование для сборки оптических схем по физической оптике можно найти в наборе оптических скамей ОСК-2, ОСК-3, однако в них нет поворотного зеркала. Между тем, такой прибор нужен и он должен удовлетворять основному требованию, не создавать ненужного смещения луча над рельсами при поворотах и юстировке

При проведении экспериментальных измерений по физической оптике было найдено техническое решение в виде поворотного зеркала, которое позволяет поворачивать луч в сторону от основного оптического рельса без изменения места отражения от зеркала при его повороте. Поскольку изменение места положения отражения при повороте приводит к не нужному пространственному смещению луча относительно оптических рельсов. В предлагаемом устройстве поставленная цель достигается тем, что продолжение оси поворота зеркала совмещается с плоскостью отражения зеркала. Конструктивно это достигается введением в устройство нового технического элемента - планки, применение которой дает возможность совместить продолжение оси поворота с плоскостью отражения зеркала.

В предлагаемом устройстве используется известный крепежный рейтер, который позволяет осуществлять поворот зеркальной оправы. Новый элемент - планка с одной стороны привинчивается к цилиндрическому стержню рейтера, а с другой стороны закрепляется в нужном месте оправы поворотного зеркала, таком, чтобы продолжение оси вращения совпало с плоскостью зеркала.

2. Уровень техники

Зеркала, наклоненные к лучу света, часто применяются в оптических приборах. В качестве одного из аналогов поворотного зеркала взято зеркало, которое находится в трубе автоколлимационного объектива Фиг. 1, [1]. В этом устройстве зеркало, установленное под углом к оптической оси, используется для ввода в прибор света от внешнего источника, расположенного сбоку. Такое зеркало входит в состав прибора, закреплено стационарно при изготовлении и не является вращающимся.

В качестве второго аналога взято рейтерное крепежное устройство голографической установки УИГ-2М, которое показано на Фиг. 2, [2]. Оно имеет осевой цилиндрический стержень, с помощью которого осуществляется поворот нужного оптического элемента, закрепленного в тисочках, Фиг. 2, [2]. Как видно из этого рисунка, устройство имеет корпус с котировочными кольцами - 2 несущий стержень - 3, тисочки - 9 с ручками сжатия - 11. Судя по максимальному раскрыву тисочков, в них может удерживаться оптический элемент диаметром не более 65 мм. Таким элементом может быть и плоское зеркало. В этом случае устройство (Фиг. 2) становится поворотным зеркалом, но оно обладает существенным недостатком. Из Фиг. 2 видно, что ось цилиндрического стержня, которая является осью поворота, смещена относительно средней линии тисочков на =15 мм. Если считать, что плоскость зеркала совпадает со средней линией тисочков, то при повороте такого зеркала место отражения луча будет смещаться к краю, из-за чего луч может сойти с зеркала и будет потерян, что ограничивает угол поворота. Кроме этого не равное нулю, приводит к пространственному смещению луча относительно оптических рельсов и к децентрировке как при юстировке, так и поворотах. Поэтому возникла необходимость в разработке поворотного устройства, свободного от указанных недостатков. Известное устройство (Фиг. 2) имеет пружинно-винтовые котировочные элементы по регулировке положения любого установленного элемента относительно вертикальной и горизонтальной осей. Для этого служат ручки управления - 5 (Фиг. 2), они позволяют сжимать или разжимать пружины, расположенные в колпачках - 10, которые находятся диаметрально противоположно соответствующим ручкам - 5. Такая юстировка необходима. Она сохранена в другом варианте и в предлагаемом изобретении.

3. Раскрытие изобретения

В качестве прототипа предполагаемого изобретения выбран второй аналог, т.е. универсальное юстировочное устройство (Фиг. 2), голографического стола УИГ-2М, [2], предназначенное для установки различных оптических элементов небольшого размера (до 65 мм). Само устройство закреплено на рейтере, что дает возможность осуществлять повороты вокруг вертикальной оси. Устройство содержит цилиндрический стрежень - 3 и корпус - 2, на котором закреплена вся конструкция в составе: тисочки - 9, ручки управления тисочками - 11, которые предназначены для закрепления сменных элементов, котировочные ручки - 5, для ориентации оптических элементов относительно вертикальной и горизонтальной осей. Такое устройство в варианте его использования как поворотного зеркала будет иметь, как отмечалось в предыдущем разделе существенный недостаток. Недостаток варианта конструктивно обусловлен несовпадением оси поворота (ось вертикального стержня - 3, (Фиг. 2)) со средней линией тисочков т.е. предполагаемого положения зеркального слоя в случае установки зеркала. Это смещение осей в прототипе имеет значение =15 мм. При повороте это приведет к перемещению места отражения луча к краю зеркала, а при дальнейшем повороте к потере луча, что делает невозможным применение его, как поворотного зеркала. Это хорошо видно из Фиг. 3, где L - луч, падающий на зеркало в т. О. Эта точка смещена относительно оси поворота O₁ на величину При повороте зеркала из положения 1 в положение 2 на угол ϕ, место отражения луча L будет смещаться к краю зеркала. Дальнейший поворот в ту же сторону приводит к потере луча. Кроме этого за счет поворота отраженный луч пространственно сместится относительно зеркала в положении 1 на величину Δ. Такое смещение луча может привести к необходимости перестроить расположение всей оптической схемы, принимающей отраженный луч.

Величина смещения Δ по расчету описывается формулой:

Из формулы (1) следует, что при =0, Δ также будет равно 0.

Из Фиг. 3 следует также, что для прототипа существует небольшой предельный угол поворота, что является его существенным недостатком.

При проведении работ по физической оптике было разработано поворотное зеркало свободное от указанных выше недостатков.

Фото (вид сбоку) разработанного поворотного зеркала показано на Фиг. 4

1 - рейтер, закрепленный на оптическом рельсе.

2 - внешний корпус поворотного зеркала.

3 - цилиндрический стержень (опора устройства и элемент поворота).

4 - поверхность зеркала.

5 - винты пространственной юстировки зеркала по горизонтальной и вертикальной осям.

6 - латунная планка, совмещающая направление оси поворота с отражающей поверхностью зеркала.

На Фиг. 5 показан сборочный чертеж разработанного поворотного зеркала, установленного на рейтере: 6 - планка, 5 - осевой винт юстировочного кольца, 1 - стояк рейтера с зажимной гайкой рейтера, 3 - несущий цилиндрический стержень, 2 - внешний корпус, 7 - юстировочное кольцо по горизонтальной оси и 8 - внутренний корпус, который является деталью двойного назначения - контейнер для размещения и крепления собственно зеркала и кольцо для юстировки положения зеркала по вертикальной оси. Это дало возможность сократить конструкцию на одно юстировочное кольцо.

На Фиг. 6 показан чертеж планки, нижняя часть чертежа - вид сверху, верхняя часть чертежа - сечение плоскостью, совпадающей с осями отверстий. Отверстие M10 предназначено для крепления планки к стержню рейтера. Гайкой является сама планка, так как на одном ее конце сделано резьбовое отверстие под M10, показанное на чертеже, Фиг. 6. Малые отверстия планки - для ее крепления к корпусу зеркала, материал планки - латунь.

4. Краткое описание фигур использованных в изобретении

Лист 4.1. - Фиг. 1. Применение поворотного зеркала в автоколлимационном окуляре.

- Фиг. 2. Крепежное устройство голографического стола для установки сменных, благодаря тисочкам, оптических элементов и юстировки их положения относительно вертикальной и горизонтальной осей. Лист 4.2. - Фиг. 3. Отражение луча поворотным зеркалом прототипа при наличии смещения оси поворота и положения отражающей плоскости зеркала и уход места отражения из центра О к краю зеркала после поворота.

- Фиг. 4. Фото разработанного поворотного зеркала. Вид сбоку. Лист 4.3. - Фиг. 5. Сборочный эскиз разработанного поворотного зеркала. Диаметр 100 мм соответствует диаметру вставляемого в оправу 8 зеркала Лист 4.4. - Фиг. 6. Чертеж нового элемента - планки.

5. Осуществление изобретения

При осуществлении изобретения расчет механической головки, которая крепится на рейтере, делался под готовое зеркало. В предлагаемом изобретении собственно зеркало было сделано на основе стеклянного цилиндрического бруска толщиной 28 мм и диаметром 100 мм. Рабочая грань после оптической полировки и проверки плоскостности алюминировалась. Работы по изготовлению зеркала делались в оптической мастерской КрАО.

Зеркало крепилось в оправе 8, Фиг. 5 тремя винтами к торцу оправы 8 с использованием пружинящих шайб и эластичных прокладок [3]. Тисочки, как у прототипа, не применялись.

Важным параметром поворотного зеркала является предельный угол поворота для широких пучков. При повороте зеркала угол поворота становится предельным ϕ_пр, если широкий пучок своими краями попадает на края повернутого зеркала. Предельный угол поворота ϕ_пр можно определить из условия равенства проекции диаметра повернутого зеркала на плоскость, перпендикулярную пучку света, ширине а пучка света по формуле

где ϕ_пр - предельный угол поворота, он же угол проекции. При зеркальном отражении предельный угол поворота светового пучка равен:

Для примера рассчитаем предельный угол поворота светового пучка для α=20 мм, D=100 мм, ϕ_пов=2ϕ_пр для предлагаемого поворотного зеркала.

и ϕ_пр=78°, а угол поворота светового пучка ϕ_пов=2ϕ_пр=156°, что приемлемо. Если использовать для того же примера устройство прототипа, используемого, как зеркало, то угол поворота пучка будет, меньше. Во-первых, зеркало меньше (диаметр 65 мм), во-вторых, след пучка при повороте перемещается в одну сторону. В предельном краевом положении освещается и проектируется на плоскость, перпендикулярную пучку, только часть диаметра. Из формулы (4) функционально следует, что при уменьшении диаметра косинус угла растет, а предельный угол уменьшается.

Рассчитаем также предельную ширину пучка света предлагаемого изобретения при его повороте на 90°. Исходные данные: ϕ=45°, ϕ_пов=90°, D=100 мм. Вычисляя α=D⋅Cosϕ=71 мм, что приемлемо для эксперимента. Новыми существенными признаками изобретения являются:

1. Разработана механическая головка, которая вместе с зеркалом и рейтером образуют новое устройство - поворотное зеркало. Прибор изготовлен и опробован на практике.

2. Поворотное зеркало содержит новый элемент - планку, с помощью которого при поворотах зеркала и его юстировке устраняются пространственные смещения луча относительно рельсов и децентрировка оптических приборов.

3. Поворотное устройство содержит новый элемент - внутренний корпус зеркала. В корпусе размещается зеркало, а также он играет роль юстировочного кольца относительно вертикальной оси.

Перечень библиографических источников

1. Г.В. Креопалова, Н.Я. Лазарев, Д.Т. Пуряев. Оптические измерения. - М., Машиностроение, 1987. - 264 с. (ОСК-2, ОСК-3 с. 18-19).

2. Голография. Методы и аппаратура. / Под редакцией В.М. Гинзбург и Б.М. Степанова. М., Сов. Радио, 1974. (ОСК-2, ОСК-3 УИГ-2М с. 255-261).

3. Справочник технолога-машиностроителя. - Т.2. под редакцией А.Н. Малова, издательство «Машиностроение». - М., Наука, 1972.

Поворотное зеркало содержит рейтер с профилем «ласточкин хвост», оптическую головку с кольцами для юстировки по вертикальной и горизонтальной осям и зеркало. Зеркало установлено и закреплено во внутреннем корпусе оптической головки, который также выполняет функцию юстировочного кольца, что сокращает число отдельных необходимых колец до одного. Внешний корпус механически соединен с цилиндрическим штырем рейтера планкой, которая другим своим концом привинчена к внешнему корпусу оптической головки таким образом, чтобы продолжение вращательной оси рейтера совпало с плоскостью отражения зеркала, что делает возможным избежать пространственного смещения световых пучков относительно рельсов при поворотах зеркала и увеличить предельные углы поворота зеркала при работе с широкими пучками. Технический результат - устранение пространственных смещений луча относительно рельсов при поворотах зеркала и его юстировке. 6 ил.

Поворотное зеркало, содержащее рейтер с профилем «ласточкин хвост», оптическую головку с кольцами для юстировки по вертикальной и горизонтальной осям и зеркало, отличающееся тем, что зеркало установлено и закреплено во внутреннем корпусе оптической головки, который также выполняет функцию юстировочного кольца, что сокращает число отдельных необходимых колец до одного, а внешний корпус устройства механически соединен с цилиндрическим штырем рейтера планкой, которая другим своим концом привинчена к внешнему корпусу оптической головки таким образом, чтобы продолжение вращательной оси рейтера совпало с плоскостью отражения зеркала, что делает возможным избежать пространственного смещения световых пучков относительно рельсов при поворотах зеркала и увеличить предельные углы поворота зеркала при работе с широкими пучками.