Оптический вентиль Советский патент 1993 года по МПК G02F3/00 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки и оптической схе- мотехники.

Цель изобретения - повышение надежности за счет увеличения лучевой стойкости.

На фиг.1 показана функциональная схема оптического вентиля/который содержит последовательно расположенные дихроич- ный поляризатор 1, первую собирающую линзу 2, диафрагму 3, вторую собирающую линзу 4, первое сканирующее устройство 5, второе сканирующее устройство б, светоде- лительное зеркало 7, магнитооптический ротатор 8, помещенный в магнитное поле магнитной системы 9 и дихроичный анализатор 10. Плоскости сканирования первого сканирующего устройства 5 перпендикулярна плоскости сканирования второго сканирующего устройства 6. Система управления содержит фазовращатель 11. фотоприемник 12, сумматор 13, перемножитель 14, электронный компаратор 15, первый источник на-, пряжения 16, второй источник напряжения

17. генератор пилообразного напряжения

18. электронный ключ 19 и генератор 20

Фотоприемник 12 расположен на пути отраженного от св ет оделительного зеркала 7 обратного луча, выход фотоприемника 12

соединен с первым входом электронного компаратора 15, выход первого источника напряжения 16 соединен со вторым входом электронного компаратора 15, выход электронного компаратора 15 соединен с первым входом электронного ключа 19, выход генератора 20 соединен с вторым входом электронного ключа 19, выход второго источника напряжения 17 соединен с первым входом сумматора 13, выход генератора пилообразного напряжения 18 соединен со вторым входом сумматора 13, выход сумматора 13 соединен с первым входом перемножителя 14, выход электронного ключа 19 соединен с вторым входом перемножителя 14, выход пере множителя 14 соединен с входом возбудителя первого сканирующего устройства 5 и входом фазовращателя 11, а выход фа- зовращателя 11 соединен со входом возбудителя второго сканирующего устройства 6.

Устройство работает следующим образом..

Прямой луч после прохождения через дихроичный поляризатор 1, первую собирающую линзу 2, диафрагму 3, вторую собирающую линзу 4, первое сканирующее устройство 5, второе сканирующее устройство 6 и светоделитедьное зеркало 7 попадает в магнитооптический ротатор 8, где его

№ С

С О

ел

плоскость поляризации вследствие магнитооптического эффекта Фарадея поворачивается на 45° относительно исходной плоскости поляризации. Дихроичный ана лизатор 10 настроен на пропускание налу- ч ения с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью поляризации прямого луча, прошедшего через магнитооптический ротор 8, поэтому прямой луч проходит через дихроичный анализатор 10 без ослабления. Обратный луч, пройдя че- рез дихроичный анализатор 10 и магнитооптический ротатор 8, имеет плоскость поляризации, повернутую на 90° о тноси- - тельно плоскости поляризации прошедшего через дихроичный поляризатор .1 прямого луча. Светоделительнае зеркало 7 часть обратного луча направляет на фотоприемник 12. Электронный компаратор 15 сравнивает сигналы с выхода фотоприемника 12 и пер- вого источника напряжения 16, Если сигнал с выхода фотоприемника 12 меньше сигнала с выхода первого источника напряжения 16, то сигнал, подаваемый с выхода электронного компаратора 15 на первый вход электронного ключа 19, равен нулю, вследствие чего электронный ключ 19 закрывается и не пропускает сигнал с выхода генератора 20 на второй вход перемножителя 14, т.е. сигнал на втором входе перемно- жителя 14 равен нулю, поэтому сигнал на выходе перемножителя 14 (равный произведению сигналов на его первом и втором входах) равен нулю, вследствие чего сигнал, подаваемый на возбудители первого скани- рующего устройства 5 и второго сканирующего устройства 6 равны нулю. При этом обратный луч проходит через второе сканирующее устройство б и первое сканирующее устройство 5. без изменения направления своего распространения, далее обратный луч проходит через вторую собирающую линзу 4, диафрагму 3, первую собирающую линзу 2 и гасится дихроичным поляризатором 1, т.к. плоскость поляриза- ции обратного луча составляет 90° к оси максимального дихроичного поляризатора 1.

Если сигнал с выхода фотоприемника 12 больше сигнала с выхода первого источника напряжения 16, то электронный компаратор 15 подает на первый вход электронного ключа 19 сигнал, достаточный для открывания электронного ключа 19, в результате чего сигнал с выхода генератора 20 попада- ет на второй вход перемножителя 14. После включения оптического вентиля генератор пилообразного напряжения 18 вырабатывает пилообразное напряжение, причем величина сигнала на его выходе изменяется от

нуля до Um (фиг.2,а), где Die обозначает сигнал на выходе генератора пилообразного напряжения 18, t - время). Сигнал Uis с выхода генератора пилообразного напряжения 18 поступает на второй вход сумматора 13. На первый вход сумматора 13 поступает сигнал Ui с выхода второго источника напряжения 17. Величина сигнала Uiv выбрана таким образом, что при подаче на выход возбудителей первого и второго сканирующих устройств 5 и 6 гармонического сигнала с амплитудой Ui сфокусированное пятно обратного луча отклонялось бы на величину, достаточную для нахождения сфокусированного пятна обратного луча вне отверстия диафрагмы 3. На выходе сумматора 13 формируется сигнал, равный сумме сигналов с выхода второго источника напряжения 17 и генератора пилообразного на- пржения 18, т.е. на выходе сумматора 13 сигнал периодически линейно изменяется от U17 до Um+Ui7, затем быстро падает до величины Ui (фиг.2,б). Этот сигнал попадает на первый вход перемножителя 14.

На фиг,2,в приведен график зависимости сигнала Dig на выходе электронного ключа 19, причем за время от нуля до to электронный ключ был закрыт (сигнал на выходе фотоприемника 12 был меньше сигнала на выходе первого источника напряжения 16). В .момент to сигнал с выхода фотоприемника 15 превысил сигнал с выхода первого источника напряжения 16, при этом сигнал с выхода электронного компаратора 15 поступил на первый вход элект- . ронного ключа 19 и открыл его и сигнал с выхода генератора 20 поступил на второй вход перемножителя 14. Сигнал Ui4 на выходе перемножителя 14 равен произведению сигналов Uis и Lhg.

График зависимости Ui4 от времени приведен на фиг.2.г. В интервале времени от нуля до to сигнал Ui4 равен нулю, т.к. Dig 0. При сигнал Ui4 представляет собой гармонический сигнал, амплитуда которого меняется по пилообразному закону. Сигнал Ui4 с выхода перемножителя 14 поступает на возбудитель первого сканирующего устройства 5. Через фазовращатель 11, осуществляющий сдвиг фазы на п /2, сигнал поступает на вход возбудителя второго сканирующего устройства 6. Обратный луч после прохождения мерез светоделительное зеркало 7 проходит через второе сканирующее устройство 6, которое при осущест- вляет периодическое изменение направления распространения обратного луча по гармоническому закону с частотой, равной частоте сигнала на выходе генератора 20 и с амплитудой, меняющейся по пилообразному закону. .После прохождения через первое сканирующее устройство 5 обратный луч при осуществляет периодическое изменение направления распространения по гармоническому закону в плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования второго сканирующего устройства 6, с частотой, равной частоте сигнала на выходе генератора 20 и с амплитудой, меняющейся по пилообразному закону. Фазы колебаний направления распространения обратного луча в плоскостях сканирования отличаются на я/2.

Совокупность двух пространственных колебательных движений в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с фазовым сдвигом между собой, равным л/2 и с линейно возрастающей амплитудой (прямой ход пилы), представляет собой движение обратного луча в пространстве по раскручивающейся спирали. Во время обратного хода пилы обратный луч возвращается в точку, соответствующую началу спирали, затем обратный луч вновь начинает двигаться по раскручивающейся спирали. После прохождения через вторую собирающую линзу и сфокусированное пятно обратного луча будет двигаться по диафрагме 3 по раскручивающейся спиральной траектории (прямой ход пилы), з.атем быстро возвращаться в начало спирали (обратный ход пилы), после чего повторяется движение по раскручивающейся спирали и т.д. Величина сигнала Lh с выхода второго источника напряжения 17 выбрана такой, чтобы сфокусированное пятно обратного луча на диафрагме 3 в момент начала движения по спирали находилось вне отверстия диафрагмы 3.

На фиг.З приведена траектория движения сфокусированного пятна обратного луча по диафрагме 3 при .

Таким образом, если мощность обратного луча превышает некоторое наперед заданное значение, определяемое величиной сигнала на выходе первого источника напряжения 16, то обратный луч гасится на дихроичном поляризаторе 1, а на диафрагме 3. которая обладает значительно более высокой лучевой стойкостью, чем дихроич- ный поляризатор 1. Если все-таки какая-то часть обратного луча пройдет через отверстие в диафрагме 3, то она погасится на дихроичном поляризаторе 1.

Следовательно, дихроичный поляризатор 1 в описанном оптическом вентили оказывается защищенным от воздействия на него обратного луча высокой мощности. Порог срабатывания системы управления определяется величиной сигнала на выходе первого источника напряжения 16.

Таким образом, предлагаемый оптический вентиль имет два режима работы в 5 зависимости от мощности обратного луча (помехи). При малой мощности обратного луча (меньше порогового значения) оптический вентиль работает в первом режиме и выполняет две функции: пропускает луч от

0 источника оптического излучения в прямом направлении по оптической оси и защищает источник оптического излучения от воздействия на него обратного луча. При высокой мощности обратного луча (больше порого5 вого значения) оптический вентил ь работает во втором режиме и выполняет при этом только функцию защиты источника оптического излучения от воздействия на него обратного луча (т.к. в этом режиме прямой луч

0 проходит последовательно через работающие первое и второе сканирующее устройства 5 и 6, то прямой луч отклоняется от оптической оси и при этом его центр движется в пространстве по спиральной траек5 тории).

Конструктивная реализация описанного оптического вентиля не вызывает затруднений, т.к. все его элементы являются стандартными и широко используются в оп0 тике и электронике. Вместо двух последова- тельно расположенных сканирующих устройств может быть использовано моноблочное двухкоординатное сканирующее устройство. Вместо совокупности фазовра5 щателя и двух сканирующих устройств может быть применено круговое сканирующее устройство, в котором угол сканирования зависит от амплитуды подаваемого на его управляющий вход сигнала.

0. Технико-экономическая эффективность предлагаемого оптического вентиля по сравнению с прототипом заключается в повышении надежности за счет увеличения лучевой стойкости вследствие того, что

5 обратный луч высокой мощности гасится на участке диафрагмы 3, площадь которого значительно больше, чем у прототипа. В прототипе энергия сфокусированного обратного луча преобразуется в тепловую

0 энергию в пределах круга с радиусом, рав- ным радиусу сфокусированного пятна обратного луча. В этом оптическом вентиле параметры входящих в его состав элементов могут быть подобраны таким образом,

5 что сфокусированное пятно обратного луча при движении по спирали за время прямого хода пилы покроет всю поверхность диафрагмы 3 без пропусков. Тогда отношение К площадей, на которых происходит преобразование энергии обратного луча в тепловую

энергию в предлагемом оптическом вентиле и прототипе, будет иметь вид

л Rfl - л: Гд RA - гд

К . яг2 г2 . где RA - радиус диафрагмы 3; гд - радиус отверстия в диафрагме 3.

Если радиус отверстия в диафрагме 3 равен радиусу сфокусированного пятна обратного луча, то формула для К примет вид

К

Ф

Так как Нд гд, то , т.е. площадь участка диафрагмы 3, на котором происходит преобразование энергии обратного луча в тепловую энергию в предлагаемом вентиле значительно больше, чем в прототипе,

Таким образом, оптический вентиль обладает более высокой надежностью за счет увеличения лучевой стойкости, чем прототип,

Формула изобретения Оптический вентиль, содержащий магнитную систему и последовательно расположенные вдоль оптической оси дихроичный поляризатор, первую собирающую линзу, диафрагму, вторую собирающую линзу, светоделительный элемент, магнитооптический элемент, помещенный в поле магнитной системы, и дихроичный анализатор, а также блок управления, включающий в себя фотоприемник, электронный компаратор, первый источник напряжения,

электронный ключ и генератор, при этом вход фотоприемника оптически связан с одним из выходов светоделительного элемента, выход фотоприемника-с первым входом

электронного компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого источника напряжения, а выход электронного компаратора соединен с первым входом электронного ключа, второй вход которого

соединен с выходом генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет увеличения лучевой стойкости, дополнительно введены фазов- .ращатель, сумматор, перемножитель, второй источник напряжения, генератор пилообразного напряжения, а также первый и второй сканирующие элементы с взаимно ортогональными плоскостями Сканирования, которые последовательно

расположены между второй собирающей линзой и светоделитеяьным элементом, при этом выход второго источника напряжения соединен с первым входом сумматора, выход генератора пилообразного напряжения

- с вторым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом перемножителя, выход электронного ключа соединен с вторым входом перемножителя, выход которого соединен с управляющим входом пёрвого сканирующего элемента и входом фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом второго сканирующего элемента.

а а,

и®

Um --- --

Сущность изобретения: исходное излучение пропускают через магнитооптический ротатор, а обратный луч перемещают по спиральной траектории по диафрагме, что позволяет, увеличить Площадь, на которой осуществляется преобразование энергии обратного луча в тепловую энергию. 3 ил.

fe2