Магнитоэлектрический дефлектор Советский патент 1992 года по МПК G02F1/29 

Изобретение относится к оптике, в частности к модуляторам и устройствам отклонения светового луча, и может быть применено в оптических устройствах реги- страционмо-множительных аппаратов, а также в различных оптических системах обработки и отображения информации.

Известный петлевой и рамочный магнитоэлектрические дефлекторы, состоящие соответственно из петли проводника, на которой размещено зеркало, или рамочной катушки индуктивности, на оси которой размещено зеркало, и которые расположены в рабочем зазоре магнитной системы между полюсами постоянных магнитов.

Поворот зеркала и, следовательно, пространственное отклонение падающего на

него луча света осуществляется, в первом случае, за счет изгиба петлевого проводника, а во втором случае за счет поворота оси рамочной катушки в результате протекания по ним тока.

Величина углового отклонения зеркала определяется величиной и частотой тока, механическими свойствами упругой системы исполнительного элемента, состоящей из струн петли, зеркала, пружины в одном случае и рамки с катушкой индуктивности, оси зеркала, узла крепления оси в другом, а также величины магнитного поля в зазоре.

Недостатками дефлекторов реализованы, например, на пьезоэлектрической основе, являются: пониженная точность вследствие комплексного, частотно-зивисиСП

мого характера его передаточной характеристики, приводящей, о частности, к уменьшению величины угла поворота зеркала при увеличении частоты тока управляющего сигнала; недостаточная точность угла откло- нения зеркала, а следовательно, отображения оптической информации, из-за неравномерности амплитудно-частотной характеристики исполнительного элемента, обладающего колебательными демпфирую- щими и инерционными свойствами.

Указанные недостатком приводят к искажению истинного угла отклонения, следовательно, к искажению в отображаемой оптической информации, что снижает каче- ство изображения.

Наиболее близким является электродинамический модулятор (дефлектор), состоящий из расположенных соосно двух идентичных электромагнитов, являющихся магнитной системой устройства, подвижной катушки, немагнитного стержня, расположенного внутри подвижной катушки, и жестко связанного с ней исполнительного элемента с зеркалом, причем витки катуш- ки находятся в рабочем зазоре электромагнита.

В указанном дефлекторе поворот исполнительного элемента осуществляется за счет движения немагнитного стержня, жес- тко связанного с подвижной катушкой, при протекании по ее виткам тока сигнала управления, и наличия подмагничивающего поля в рабочем зазоре электромагнитов.

Основные недостатки устройства: уменьшение угла отклонения при увеличении частоты тока сигнала, являющееся следствием комплексного характера входного импеданса отклоняющей системы, основным элементом которого является катушка индуктивности; низкая точность угла отклонения зеркала из-за неравномерности амп- литудно-и фазочастотной характеристики исполнительного элемента, которые определяются упругими колебательными, де- мпфир ующими, механическими и электрическими свойствами отдельных основных элементов, упругих звеньев, катушек, магнитных цепей и др.

Цель изобретения - повышение точно- сти угла отклонения оптического луча.

На фиг.1 показано устройство магнитоэлектрического дефлектора; на фиг.2 - корректирующий частотно-зависимый четырехполюсник.

Дефлектор состоит из двух идентичных магнитных систем 1 и 2, подвижной катушки, выполненной в виде двух идентичных последовательно соединенных и встречно включенных секций 3 и 4, каждая из которых намотана на каркасах 5 и б и расположена в соответствующих рабочих зазорах магнитных систем 1 и 2, причем свободный конец одной из секций подключен к общей шине земли, обычно соединенной с металлическим корпусом устройства, исполнительного элемента 7, который выполнен в виде немагнитного стержня 8, жестко соединенного на концах с каркасами 5, 6 секций подвижной катушки, подвижного упругого звена 9, представляющего собой проволочную немагнитную связку, работающую на кручение, соединенного с помощью шарнира 10 с немагнитным стержнем 8 в его середине, при этом один конец подвижного упругого звена 9 жестко закреплен в опоре, например, в корпусе устройства, а другой является свободным, зеркала 11, закрепленного на свободном конце упругого звена 9, причем на чертеже показан один из возможных вариантов закрепления зеркала на подвижном упругом звене 9, а именно упругое звено 9 лежит в плоскости зеркала 11, в этом случае используется шарнир 10, преобразующий поступательное движение немагнитного стержня 8 в крутильные колебания упругого звена 9.

В случае использования шарнира 10, преобразующего поступательное движение немагнитного стержня 8 в изгибные колебания упругого звена 9, целесообразно размещение зеркала на торце его свободного конца с плоскостью зеркала, перпенди- кулярноего оси, излучающей

высокочастотной (ВЧ) катушки 12, расположенной на конце упругого звена 9, например, на противоположной отражающей поверхности зеркала 11, при этом катушка может быть плоской и выполнена непосредственно на этой поверхности зеркала 11 методом фотолитографии, что позволит существенно уменьшить ее вес, следовательно, инерционность, при этом подвижная катушка и исполнительный элемент образуют электромеханическую колебательную систему, приемной ВЧ катушки, выполненной в виде двух идентичных последовательно соединенных и встречно включенных секций 13,14, свободный конец одной из которых соединен с общей шиной земля, при этом оси секций 13 и 14 приемной катушки параллельны оси излучающей катушки 12 и расположены симметрично относительно последней, генератора ВЧ колебаний 15, подключенного к свободному концу излучающей ВЧ катушки 12, цепи обратной связи (ОС) 15. образованной последовательно соединенными ВЧ усилителем 17, вход которого соединен со свободным концом секции 13 ВЧ приемной катушки и

является входом цепи ОС 16. детектором 18, корректирующим частотно-зависимым четырехполюсным 19, усилителем 20 мощности, выход которого соединен со свободным концом секции 3 подвихкной катушки.

Кроме того, вход усилителя мощности 20 является входом магнито-экустического дефлектора.

Устройство работает следующим образом.

После подачи электрического сигнала низкой частоты на вход усилителя 20 мощности он поступает нэ секции 3, 4 подвиж- ной катушки,по которой протекает переменный или постоянный ток. Магнит- ные поля от каждой секции-подвижной катушки этого тока взаимодействуют с постоянными магнитными полями, существующими в рабочих зазорах соответствующих магнитных систем 1,2,благодаря чему возникают осевые силы, приводящие к осевому колебательному движению немагнитного стержня, жестко связанного на концах с каркасами 5,6 секций подвижной катушки. Встречное включение катушек обусловлено необходимостью согласованною действия сил в каждой секции подвижной катушки при одинаковом направлении постоянного магнитного поля в зазоре магнитных систем 1,2.

Поступательные осевые движения (колебания) немагнитного стержня 8 через шарнир 10 возбуждают крутильные колебания упругого звена 9, один конец которого жестко закреплен. Так как на свободном конце упругого звена 9 размещены зеркало 11с расположенной на нем с противоположной стороны отражающей поверхности плоской высокочастотной катушкой 12, то они также начинают совершать колебания вокруг оси упругого звена 9 В результате колебания зеркала 11 относительно оси упругого звена 9 происходит отклонение луча света, падающего на его отражающую поверхность. Одновременно цепь ОС 16 one- рагивно реагирует на амплитуду отклонения (на угол отклонения) зеркала, формирует и выдает коррекции на секцию 3 подвижной катушки. Это происходит следующим образом,

Непрерывный синусоидальный высокочастотный сигнал (ВЧ) от генератора ВЧ 15 подается на излучающую катушку 12, жестко прикрепленную к упругому звену 9, которая излучает электромагнитные колебания, и за счет НЧ колебаний упругого звена 9 модулируется по амплитуде причем модуляция осуществляется пропорционально углу отклонения зеркала а

Приемная катушка, состоящая из двух секций 13, 14, включенных последовательно-встречно, расположена вблизи излучающей катушки 12, в-которой за счет взаимоиндукции наводятся модулированные низкой частотой (НЧ) высокочастотные электрические колебания, поступающие затем на вход ВЧ усилителя 17 и далее на детектор 18. После детектирования НЧ колебаний в детекторе 18 и прохождения их через корректирующий частотно-зависимый четырехполюсник формируется НЧ сигнал коррекции, который поступает на вход усилителя мощности, а затем на секцию 3 подвижной катушки, после чего происходит дополнительное движение подвижной катушки, пропорциональное амплитуде сигнала коррекции.

Высокочастотная приемная катушка цепи ОС, состоящая из двух секций 13, 14, является регистрирующим элементом цепи ОС 16, представляющим собой воздушный ВЧ дифференциальный трансформатор, обладающий высоким коэффициентом преобразования, высокой чувствительностью и низким уровнем внешних помех за счет включения секций 13, 14 встречно, соединения последовательно и их расположения в одной плоскости, параллельной плоскости зеркала, в области внутри контура излучающей катушки, и ориентирования их таким образом, что их оси параллельны оси излучающей катушки 12.

В результате настоящее техническое решение позволяет повысить точность установки угла, поскольку амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) устройства (H(j ft))) становится независящей от частоты.

Действительно, выходной параметр- угол р() определяется комплексной характеристикой передаточной функции устройства (дефлектора) НО &)

p(t)H(ja)-x(t-T),

где x(t-T) - входной сигнал с задержкой Т (с),состоящего из колебательной электро- механи еской системы, регистрирующего элемента, включающего приемную ВЧ катушку, цепи ОС 16с усилителем мощности 20. Обобщенная комплексная характеристика такого устройства, состоящего только из колебательной электрической системы, не охваченной обратной связью, может быть выражена в виде

НоО (о)

Т2р2+2еТр + 1

где P-J со- круговая частота;

Т- постоянная времени колебательной электромеханической системы, состоящей

из подвижной катушки и исполнительного элемента;

е- коэффициент затухания электромеханической системы;

«1 - коэффициент усиления,

Минимальные искажения в угле отклонения во временной области получаются потому, что АЧХ {Н(У)К - постоянная величина, и корректирующая цепь частотно- зависимого четырехполюсника выбрана так, что его передаточная функция равна

НосО а) (-2Tp + O

Hi(jw)H2(jcy) ,(3)

которая получается, если из условия неиска- женной передачи сигнала записать передаточную функцию электромеханической колебательной системы с ОС в виде

н) К

после подстановки в него выражения (2). В то же время для фазочастотной характеристики (ФЧХ) также выполняется условие р((и ) -соТ .т.е. достигается идеальный ха|. фазочастотной характеристики.

Следовательно, вклад в абсолютную и относительную погрешность в определении угла положения зеркала, вносимый неравномерностью АЧХ и ФЧХ, равен нулю, что и приводит к повышению точности в положе- нии зеркала.

Для увеличения чувствительности датчика цепи ОС и исключения влияния ВЧ сигнала цепи ОС от генератора ВЧ 15 на исполнительный элемент секций 3, 4 по- движной катушки, несущая частота 84 сигнала выбрана много большей, чем частота НЧ колебаний (обычно частота НЧ колебаний не превышает 30 КНц, частота ВЧ колебаний порядка 30 МГц и выше),

Наиболее просто корректирующий частотно-зависимый четырехполюсник реализуется с определенной степенью точности, как каскадное соединение инерционно- форсирующего четырехполюсника, выпол- немного на элементах R1, С1, R2, с

дифференцирующим звеном, выполненным на элементах СЗ и R6, разделенных буферным каскадом на транзисторе Т1 и элементах С2, R4, R3, R5, в определенном частотном диапазоне, посредством подборки его элементов по номиналам (фиг.2).

Формула изобретения Магнитоэлектрический дефлектор, содержащий две идентичные магнитные системы, подвижную катушку с исполнительным элементом, включающим немагнитный стержень, соединенный жестко с подвижной катушкой и шарнирно - с зеркалом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности угла отклонения оптического луча, в него введены излучающая катушка, скрепленная с зеркалом, приемная катушка, выполненная в виде двух последовательно соединенных и встречно включенных секций, свободный конец одной из которых соединен с общей шиной, причем оси секций приемной катушки параллельны оси излучающей катушки и расположены симметрично относительно последней, генератор высокой частоты, соединенный с излучающей катушкой, цепь обратной связи, образованная последовательно соединенными высокочастотным усилителем, вход которого соединен со свободным концом другой секции приемной ка- тушки, детектором, корректирующим частотно-зависимым четырехполюсником, усилителем мощности, выход которого соединен с одним выводом подвижной катушки, а вход является входом устройства, другой вывод подвижной катушки соединен с общей шиной, при этом подвижная катушка выполнена в виде двух последовательно соединенных и встречно включенных секций, расположенных в соответствующих магнитных системах и жестко закрепленных на концах немагнитного стержня, шарнирная связь которого с зеркалом выполнена через введенное упругое звено,

ЬВмд

Фив.

++Ј

Изобретение относится к отике, в частности к модуляторам и устройствам отклонения светового луча, и может быть использовано в различных оптических устройствах регистрацией но-множительных аппаратов, а также в оптических системах обработки и отображений информации. В дефлектор введена цепь обратной связи с высокочувсгвитсль:;ым регистрирующим элементом, образованным двумя последовательно соединенными и встречно эклю- ченнымм секциями приемной ВЧ-катушки, усилителем детектором, частотно-зависимым корректирующим четырехполюсником и усилителем мощности. Кроме того, дефлектор содержит две идентичные магнитные системы, в каждой из которых размещена секция подвижной катушки. Секции соединены последовательна, включены встречно и закреплены на концах немагнитного стержня, который шарнирно через упругое звено соединен с зеркалом. На зеркале закреплена излучающая катушка, ось которой параллельна осям секций приемной катушки. 2 ил. С