Дефлектор света Советский патент 1992 года по МПК G02B26/10 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в различных оптико-электронных и лазерных приборах для двухкоординатного сканирования световых пучков в пределах углов 1-5°.

Известен дефлектор света, содержащий консольно закрепленный пьезопривод и зеркало, установленное на свободном конце пьезопривода (А.с. СССР № 1448328, БИ №48.1988).

Недостатком этого дефлектора является то, что с его помощью невозможно получить большие углы сканирования (в практически реализованной в Ин-те техн. кибернетики АН БССР конструкции удалось обеспечить угол сканирования 0,2х 0,5°).

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предложенному является дефлектор света, содержащий зеркало, установленное на подвижной платформе, которая закреплена в упругом подвесе, состоящем из четырех упругих пластин, ориентированных по нормали к плоскости зеркала, а т.акже четыре консольно закрепленных пьезопривода, плоскость наименьшей жесткости которых параллельна плоскости зеркала, а свободные концы соединены с соответствующими упругими пластинами.

Недостатками известного дефлектора являются низкое быстродействие и малый угол сканирования. Первопричиной указанных недостатков является расположение пьезоприводов в плоскости, параллельной плоскости зеркала. Такая конструкция делает задачи повышения быстродействия дефлектора и увеличения угла сканирования взаимно конкурирующими. С одной стороны пьезоприводы должны быть достаточно широкими, так как только в этом случае они могут быть жесткими, что необходимо для

ч|

XI

00 ч| 00

увеличения частоты первого механического резонанса, определяющей быстродействие дефлектора (решение этой задачи путем увеличения толщины пьезопривода или уменьшения его длины невозможно, т.к. приводит к уменьшению величины деформации пьезопривода), а с другой стороны, эти же пьезоприводы должны быть достаточно узкими, т.к. только в этом случае их концы могут быть приближены к центру зеркала, что необходимо для увеличения коэффициента редукции при передаче перемещения от пьезоприводов к зеркалу. Практически при проектировании дефлектора данной конструкции разработчик должен идти на компромисс, ограничиваясь средними углами сканирования (1 -5°) и невысоким быстродействием.

Целью изобретения является повышение быстродействия устройства путем увеличения жесткости пьезоприводов и увеличение угла сканирования светового луча путем увеличения коэффициента редукции при передаче перемещения от пьезоприводов к зеркалу.

Цель достигается тем, что дефлектор света, содержащий зеркало, установленное на подвижной платформе, закрепленной в упругом подвесе, состоящем из первой группы упругих пластин, и консольно закрепленные пьезоприводы, соединенные свободными концами с упругими пластинами, согласно изобретению, содержит вторую группу упругих пластин, расположенных, как и первая группа, параллельно плоскости зеркала, причем упругие пластины второй группы с одной стороны соединены с подвижной платформой, а с другой стороны неподвижно закреплены, а оси пьезоприводов ориентированы перпендикулярно плоскости зеркала.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов (второй группы упругих пластин) и новой взаимной ориентацией известных элементов, что .обеспечивает заявляемому устройству соответствие критерию изобретения новизна.

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию существенные отличия.

В предлагаемой конструкции удаление концов пьезопривода от центра зеркала определяется длиной упругих элементов и может быть значительно больше (в 3-10 раз), чем в прототипе. Во столько же раз увеличивается и жесткость пьезоприводов, что

обеспечивает соответствующее увеличение быстродействия. При этом увеличение быстродействия не ограничивает возможность увеличения угла сканирования путем изменения расстояния между группами упругих пластин.

Конструкция дефлектора в сечении плоскостью XOZ приведена на фиг. 1. На фиг. 2 показан вид упругого подвеса в плоскости

XOY, на фиг. 3 показана конструкция пластин, соединяющих пьезоприводы с подвижной платформой, в плоскости XOY, на фиг. А показана конструкция пьезопривода в сечении плоскостью наименьшей жесткости

(стрелками показано направление поляризации), на фиг. 5 представлена электрическая схема дефлектора, на фиг. 6 - конструкция дефлектора в деформированном состоянии, возникающем при подаче на пьезоприводы

управляющего напряжения.

Дефлектор света состоит из зеркала 1, установленного на подвижной платформе 2, которая закреплена в упругом подвесе, состоящем из четырех упругих пластин 3-6,

расположенных в плоскости XOY параллельно плоскости зеркала 1 и ориентированных друг относительно друга на угол 90° и четырех пьезоприводов 7-10 длиной L, консольно закрепленных с одной стороны,

а с другой стороны соединенных с подвижной платформой 2 через упругие пластины 11-14. Продольные оси пьезоприводов 7-11 ориентированы параллельно оси OZ и перпендикулярно плоскости упругих пластин

11-14, расположенных параллельно плоскости на расстоянии XOY от плоскости упругих пластин 3-6. Плоскости наименьшей жесткости пьезоприводов 7,9 совпадают с плоскостью XOZ, а плоскости наименьшей

жесткости пьезоприводов 8,10 совпадают с плоскостью YOZ.

Пьезопривод дефлектора состоит из двух пьезокерамических пластин 15 и 16 с электродами 17-20 на боковых поверхностях. Пьезокерамические пластины 15 и 16 поляризованы по толщине в одном направлении и соединены между собой боковыми плоскостями (на фиг. 4 пьезокерамические пластины условно изображены на некотором расстоянии друг от друга с целью показать соединение электродов между собой). Внутренние электроды 17,18 соединены между собой и с входом 1 пьезопривода. а внешние электроды 19-20, также соединенные между собой, соединены с входом 2 пьезопривода.

Входы 1 пьезоприводов и 9 соединены между собой и с входом X дефлектора, а входы 1 пьезоприводов 8 и 10, также соединенные между собой, соединены с входом Y

дефлектора. Входы 2 всех пьезоприводов заземлены.

Дефлектор света работает следующим образом.

Электрический сигнал, поступающий на вход X устройства и через него - на входы 1 пьезоприводов 7 и 9 и далее на внутренние электроды 17 и 18, создает электрическое поле между этими электродами и внешними электродами 19,20, что, благодаря обратному пьезоэффекту, вызывает деформацию пьезокерамических пластин 15 и 16. Так как направление электрического поля в пьезоке- рамической пластине 15 противоположно на- правлению электрического поля в пьезопластине 16, а направления поляризации этих пластин одинаковы, то деформации пьезокерамических пластин 15 и 16 противоположны. Вследствие деформации пьезоке- рамических пластин 15 и 16 пьезоприводы 7 и 9 изгибаются в плоскости наименьшей жесткости XOZ и их концы перемещаются синхронно вдоль оси Ох, увлекая за собой через упругие пластины 11 и 13 соответст- вующую часть подвижной платформы 2. Совместное действие на подвижную платформу 2 подвижных упругих пластин 11 и 13 и неподвижных упругих пластин 3 и 15 приводит к ее повороту относительно оси Оу (см. фиг. 6) на у гол V ViL/2 Д, где ipn- угол поворота конца пьезопривода. Другими словами, упругие пластины 3,5,11 и 13 выполняют в данной конструкции роль упругого редуктора, увеличивающего угол по- ворота в L/2A раз. Поворот подвижной платформы 2 вызывает соответствующий поворот соединенного с ним зеркала 1 и

отклонение отраженного от зеркала светового луча на угол 2 по оси Ох.

Аналогично электрический сигнал, поступающий на вход Y устройства, вызывает изгиб пьезоприводов 8 и 10, который через систему упругих пластин 12,14,4 и 6 обеспечивает поворот подвижной платформы 2 и зеркала 1 относительно оси Ох и отклонение светового луча по оси Оу.

По сравнению с аналогом, предлагаемое техническое решение позволяет существенно (в 5-10 раз) увеличить угол отклонения светового луча, а по сравнению с прототипом (патент ФРГ № 2656115) оно расширяет область применения устройства за счет обеспечения возможности двухкоор- динатного управления лучом.

Формула изобретения

Дефлектор света, содержащий зеркало, установленное на подвижной платформе, закрепленной в упругом подвесе, состоящем из первой группы упругих пластин, и консольно закрепленные пьезоприводы, соединенные свободными концами с упругими пластинами, отличающийся тем. что, с целью повышения быстродействия путем увеличения жесткости пьезоприводов и увеличения угла сканирования светового луча путем увеличения редукции при передаяе перемещения от пьезоприводов к зеркалу, в него введена вторая группа упругих пластин, все пластины размещены параллельно плоскости зеркала, причем упругие пластины второй группы с одной стороны соединены с подвижной платформой, а с другой стороны - закреплены неподвижно, а оси пьезоприводов ориентированы перпендикулярно плоскости зеркала.

Использование: оптическое и оптоэлек- тронное приборостроение для сканирования световых пучков в пределах углов 1-5°. Сущность изобретения: сканирующее зеркало закрепляют в подвижной платформе на упругом подвесе из упругих пластин, связанных со свободными концами консольно закрепленных пьезоприводов, и в него дополнительно введена вторая группа упругих пластин параллельно плоскости первой группы пластин и зеркала, которая связана с подвижной платформой, а вторые концы упругих пластин закреплены неподвижно. 6 ил.

/ / . / / jt /,

NVS NSJsN

Фиг.5

Фиг,6