ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ КОРРЕКТОР УГЛОВ НАКЛОНА ВОЛНОВОГО ФРОНТА Российский патент 2025 года по МПК G02B26/08 G02B7/182 

Изобретение относится к оптике, в частности к оптическим устройствам для управления отклонения направления распространения оптических лучей и может быть использовано для коррекции углов наклона волнового фронта в адаптивных оптических системах в астрономии, управлении лазерным лучом в сканирующих системах, в производственных станках и медицинском оборудовании с применением лазерного излучения.

На сегодняшний день существует обширный спектр способов отклонения луча в пространстве. Наиболее распространенный электромеханический способ, с применением электромагнитных приводов, не позволяет обеспечить высокую точность отклонения луча и быстродействие отработки задаваемых углов. В последнее время стали популярными корректоры углов наклона на основе пьезокерамических приводов.

Известен пьезоэлектрический двухкоординатный однозеркальный оптический дефлектор, содержащий корпус, зеркало в оправе, подвесы, исполнительные приводы, торсионные пружины [патент РФ 2606520, МКП G02B 26/08, опубл. 07.07.2015 г.].

Недостатком данного устройства является система с двумя приводами, где может проявляться связь между степенями свободы, негативно влияющей на управление, а также отсутствие возможности совершать поступательные движения и большие габариты.

Известно также пьезоэлектрический дефлектор, содержащий корпус, зеркало в оправе, исполнительные приводы, механизм поворота выполнен в виде сферического шарнира, содержащего обойму, втулку, винт [патент РФ 205497, МКП G02B 26/08, опубл. 28.01.2021 г.].

Недостатком данного устройства является система с двумя приводами, где может проявляться связь между степенями свободы, негативно влияющей на управление, а также отсутствие возможности совершать поступательные движения.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству, принятому за прототип, является корректор углов наклона [патент РФ 181166, МКП G02B 26/08, опубл. 08.12.2017 г.], содержащий, пьезокерамические актюаторы, установленные на основании в точках вершин равностороннего треугольника, три упругие опоры, зеркало, подвижную платформу, три шаровые опоры, состоящие из гнезд, шариков, фланцев.

К недостаткам прототипа относятся, низкая стойкость в условиях сильных механических воздействий, ограничение на положение установки в пространстве, сложность обслуживания и отклонение поверхности зеркала от плоскостности в местах склейки зеркала и опор при изменении температуры.

Задачей настоящего изобретения является создание двухкоординатного пьезоэлектрического корректора углов наклона волнового фронта, устойчивого к сильным механическим и тепловым воздействиям и не имеющим ограничений к положению установки, повышение диапазона углов наклона, упрощение конструкции при сохранении быстродействия, точности при отработке углов отклонения зеркала, надежности, минимизация искажений зеркалом волнового фронта, падающего на зеркало излучения, а также уменьшение массы и габаритов устройства с сохранением простоты технического обслуживания.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение технических характеристик корректора наклонов. Настоящее изобретение позволило:

- обеспечить сохранение плоскостности поверхности зеркального элемента корректора наклонов при тепловых воздействиях лазерного излучения и окружающей среды, а также механических воздействиях на оправу в процессе работы корректора;

- снять ограничения к положению установки и уменьшить массу и габариты устройства, а также повысить простоту технического обслуживания и изменения комплектации под необходимые задачи;

- увеличить диапазон и повысить точность значения углов отклонения лазерного излучения корректором наклонов, повысить быстродействие работы корректора.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в двухкоординатном пьезокерамическом корректоре углов наклона волнового фронта, содержащем пьезокерамические актюаторы, установленные на основании в точках вершин равностороннего треугольника, зеркало, корпус, подвижную платформу, шаровые опоры, состоящие из гнезд и шариков, новым является то, что зеркало закреплено на технологической проставке, через которую крепится на подвижной платформе, корпус реализован с тремя пружинными блоками, каждый пружинный блок представляет из себя две упругие опоры с общей консолью, имеющей углубления с внутренней и внешней стороны корпуса, в которые установлены шаровые опоры, первая группа шаров с одной стороны консолей вставлена в гнезда подвижной платформы, вторая группа шаров с противоположной стороны консолей опирается на плоскую поверхность шайбы, которая винтом стягивается с подвижной платформой, пьезокерамические актюаторы со сферическими наконечниками одним концом устанавливаются в конусные углубления консолей пружин изгиба, другим концом в конусные углубления регулировочных винтов, установленных в закрепленном на корпусе основании, оси пьезокерамических актюаторов смещены от осей шаровых опор в радиальном направлении.

Зеркало закреплено на технологической проставке клеевым соединением, при этом технологическая проставка выполнена из того же материала что и зеркало. В свою очередь технологическая простака закреплена на подвижной платформе клеевым соединением.

В консоли выполнены конусные углубления, являющиеся местом установки толкателей.

Ось установки пьезокерамического актюатора смещена относительно оси крепления подвижной платформы к консоли.

Пьезокерамические актюаторы выполнены на основе многослойных пьезоэлементов и оборудованы сферическими наконечниками.

Три датчика линейных перемещений, установленных между корпусом и оправой, позволяют измерять углы наклона зеркала. Система управления выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.

Подвижная платформа изготовлена из специального сплава 29НК (Ковар). Коэффициент расширения материала приближен к соответствующему показателю стекла, и достигается при диапазоне температур -70-420°С, что в свою очередь позволяет минимизировать искажения зеркалом волнового фронта, падающего на зеркало излучения, вызванные тепловым воздействием падающего излучения и внешней среды. Смещение оси установки пьезокерамического актюатора от оси крепления подвижной платформы на консоле (ось шаровых опор), позволило увеличить рабочий диапазон углов наклона корректора за счет рычага. Соединение подвижной платформы с консолями через шаровые опоры позволило минимизировать искривление подвижной платформы, что в свою очередь снизило влияние механических воздействий на форму зеркальной поверхности. Отсутствие жесткого закрепления пьезоактюатора в корректоре позволило уберечь пьезоактюаторы от неблагоприятных для пьезокерамики изгибов при увеличении длины, что увеличило их срок службы. Особенность конструкции позволяет при необходимости заменить вышедший из строя пьезоактюатор выкрутив только установочный винт, оставляя при это корректор в собранном виде. Также данная конструкция позволила уменьшить массогабаритные характеристики, что привело к увеличению первой резонансной частоты конструкции и быстродействию всей системы в целом.

Сущность изобретения отражена на чертежах.

На фиг. 1 представлен общий вид оптического корректора наклонов, изометрия: вид спереди.

На фиг. 2 представлен общий вид оптического корректора наклонов, вид сбоку: местный разрез.

На фиг. 3 представлен общий вид оптического корректора наклонов, изометрия: вид сзади.

На фиг. 4 представлен вариант исполнения оптического корректора наклонов для реализации сегментного зеркала большой апертуры.

Устройство содержит:

1 - зеркало;

2 - технологическая проставка;

3 - подвижная платформа;

4 - корпус;

5 - основание;

6 - регулировочный винт;

7 - пьезокерамический актюатор;

8 - шаровая опора;

9 - упругая опора;

10 - консоль;

11 - винт;

12 - шайба.

Корпус с пружинами пружинными блоками является основной частью корректора. Пружинные блоки были реализованы в корпусе 4 во избежание потерь перемещений на дополнительных соединениях. Каждый из трех пружинных блоков представляет собой г-образную конструкцию, состоящую из двух упругих опор 9 (пружины изгиба), один конец которых жестко соединен с корпусом, а второй конец жестко соединен с консолью 10. На каждой консоли с внутренней стороны корпуса находится одно конусное углубление - место установки толкателей, а также по одному конусному углублению с внутренней и внешней стороны для шарнирных соединений (шаровые опоры 8) консолей с подвижной платформой 3. Концы пьезокерамических актюаторов 7 имеют форму полу-шара, и при установке их в конусные углубления обеспечивается подвижное механическое соединение. Данное решение позволяет уберечь пьезокерамические актюаторы от неблагоприятных для пьезокерамики изгибов при увеличении длины.

Регулировочные винты 6 имеют резьбу с мелким шагом для обеспечения перемещения с шагом до 2 мкм при их завинчивании. Регулировочными винтами 6 фиксируются пьезокерамические актюаторы 7 на основании 5, закрепленном на корпусе 4. На них также присутствует конусное углубление для реализации подвижного механического соединения. Также регулировочными винтами 6 создается преднатяжение пружин изгиба, для создания постоянно действующей силы сжатия пьезоактюаторов (возвращающей силы).

Технологическая проставка 2 является связующим элементом зеркала 1 с подвижной платформой 3. Технологическая проставка 2, соединена с зеркалом 1 клеевым соединением. Технологическая проставка 2 зафиксирована на подвижной оправе 3 тем же способом. Для склеивания используется специальный клей К400. К400 имеет хорошую адгезию к сталям различных марок, алюминиевым и титановым сплавам, керамике, графиту, ситалловым материалам и гарантирует рабочую эксплуатацию в интервале температур от -196 до +4000°С. Данное решение позволяет свести к нулю отклонение поверхности зеркала 1 от плоскостности за счет жесткости конструкции и отсутствия прямого контакта зеркала с подвижной платформой, подверженной воздействиям механического рода.

Сборка, состоящая из зеркала, технологической проставки и подвижной платформы крепится на консоли, стягиваясь с ними через две группы шаровых упор шайбой 12 и винтом 11.

Предложенный оптический корректор наклонов работает следующим образом. До начала работы зеркало 1, закрепленное через технологическую проставку 2 на подвижной платформе 3, под действием пружин изгиба 9 прижимается к трем пьезокерамическим актюаторам 7. При работе на пьезокерамический актюатор 7 от блока управления подается управляющее напряжение. При подаче напряжения пьезоэлементы пьезокерамического актюатора удлиняются, тем самым толкая консоль 10, которая в свою очередь через шаровые опоры перемещает подвижную платформу 3. При снятии напряжения с пьезокерамического актюатора 7 процесс происходит в обратном порядке, пьезоэлементы пьезокерамического актюатора уменьшаются, консоль 10 под действием силы натяжения пружины изгиба 9 возвращается в исходное положение, возвращая с собой подвижную платформу 3 с зеркалом 1. Второй и третий пьезоактюатор работают аналогичным образом.

Для создания каналов обратной связи в корректор наклонов устанавливаются датчики линейных перемещений. Датчики устанавливаются между подвижной платформой с зеркалом и корпусом.

Предлагаемое устройство позволяет значительно улучшить технические характеристики корректора, тем самым расширить область его применения.

Также, учитывая особенность устройства и его габаритов, а именно возможность установки зеркала с габаритами, превышающие габариты корпуса, данное устройство можно использовать для создания сегментных зеркал большой апертуры, используя зеркало гексагональной формы и плотную упаковку корректоров.

Изобретение относится к оптике. Двухкоординатный пьезокерамический корректор углов наклона волнового фронта содержит пьезокерамические актюаторы, установленные на основании в точках вершин равностороннего треугольника, зеркало, корпус, подвижную платформу, шаровые опоры, состоящие из гнезд и шариков. Зеркало имеет технологическую проставку, через которую крепится на подвижной платформе, корпус реализован с тремя пружинными блоками, каждый пружинный блок представляет из себя две упругие опоры с общей консолью, имеющей углубления с внутренней и внешней стороны, в которые установлены шаровые опоры, первая группа шаров с одной стороны консолей вставлена в гнезда подвижной платформы, вторая группа шаров с противоположной стороны консолей опирается на плоскую поверхность шайбы, которая винтом стягивается с подвижной платформой, пьезокерамические актюаторы со сферическими наконечниками одним концом устанавливаются в конусные углубления консолей, другим концом в конусные углубления регулировочных винтов, установленных в закрепленном на корпусе основании, оси пьезокерамических актюаторов смещены от осей шаровых опор в радиальном направлении. Технический результат: улучшение технических характеристик корректора наклонов. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухкоординатный пьезокерамический корректор углов наклона волнового фронта, содержащий пьезокерамические актюаторы, установленные на основании в точках вершин равностороннего треугольника, зеркало, корпус, подвижную платформу, шаровые опоры, состоящие из гнезд и шариков, отличающийся тем, что зеркало имеет технологическую проставку, через которую крепится на подвижной платформе, корпус реализован с тремя пружинными блоками, каждый пружинный блок представляет из себя две упругие опоры с общей консолью, имеющей углубления с внутренней и внешней стороны, в которые установлены шаровые опоры, первая группа шаров с одной стороны консолей вставлена в гнезда подвижной платформы, вторая группа шаров с противоположной стороны консолей опирается на плоскую поверхность шайбы, которая винтом стягивается с подвижной платформой, пьезокерамические актюаторы со сферическими наконечниками одним концом устанавливаются в конусные углубления консолей, другим концом в конусные углубления регулировочных винтов, установленных в закрепленном на корпусе основании, оси пьезокерамических актюаторов смещены от осей шаровых опор в радиальном направлении.

2. Двухкоординатный пьезокерамический корректор углов наклона волнового фронта по п. 1, отличающийся тем, что зеркало закреплено на технологической проставке клеевым соединением, при этом технологическая проставка выполнена из того же материала, что и зеркало.

3. Двухкоординатный пьезокерамический корректор углов наклона волнового фронта по п. 1, отличающийся тем, что технологическая проставка закреплена на подвижной платформе при помощи клеевого соединения.

4. Двухкоординатный пьезокерамический корректор углов наклона волнового фронта по п. 1, отличающийся тем, что в консоли выполнены конусные углубления, являющиеся местом установки пьезокерамических актюаторов.

5. Двухкоординатный пьезокерамический корректор углов наклона волнового фронта, по п.1 отличающийся тем, что оси установки пьезокерамических актюаторов смещены от осей установки шаровых опор в радиальном направлении.