Устройство отклонения луча

 

Использование: в оптическом приборостроении, в частности для управления оптическим лучом в пространстве. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с двумя пьезоэлементами, закрепленными на нем консольно с зазором. Для повышения быстродействия и увеличения угла отклонения луча пьезоэлементы выполнены в виде механически соединенных упругой металлической подложки и пьезоэлектрических пластин, на другую сторону которых нанесены управляющие электроды, являющиеся одновременно отражающими поверхностями. Пьезоэлементы закреплены в корпусе под углом 0-10^o один относительно другого и отражающими поверхностями друг к другу, оптическая ось источника света образует с первым пьезоэлементом угол 80-90^o, а во втором пьезоэлементе выполнено отверстие диаметром 1,1-1,3 от диаметра сканирующего луча. 4 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для управления оптическим лучом в пространстве.

Известны (1, 2) оптические дефлекторы, принцип действия которых основан на механическом отклонении сканируемых зеркал с помощью различных по форме и конструкции пьезоэлементов.

Недостатком известных устройств является малый диапазон углов отклонения из-за малых механических деформаций, обеспечиваемых пьезоэлементами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому устройству является устройство углового отклонения (3), которое содержит корпус, на плоскости которого консольно с зазором закреплены две биморфные пьезоэлектрические пластины, выполненные разной длины, которые через тяги соединены с зеркалом. При подаче напряжения на биморфные пластины происходит изгиб их свободных концов, и через тяги движение передается на зеркало, которое производит сканирование луча в пространстве.

Недостатком прототипа является малый диапазон углов сканирования из-за малых механических деформаций пьезоэлементов. Вторым недостатком прототипа является низкое быстродействие, так как зеркало обладает конечной массой, быстродействие устройства будет много меньше низшей резонансной частоты пьезоэлементов.

Технический результат от использования изобретения повышение быстродействия и увеличение углов сканирования.

Указанный результат достигается тем, что в устройство отклонения луча, состоящее из корпуса с двумя пьезоэлементами, закрепленными на нем консольно с зазором, пьезоэлементы выполнены в виде механически соединенных упругой металлической подложки и пьезоэлектрических пластин, на другую сторону которых нанесены управляющие электроды, являющиеся одновременно отражающими поверхностями. Пьезоэлементы закреплены в корпусе под углом 0-10^o один относительно другого и отражающими поверхностями друг к другу, оптическая ось источника света образует с первым пьезоэлементом угол 80-90^o, а во втором пьезоэлементе выполнено отверстие диаметром 1,1-1,3 от диаметра сканируемого луча.

На фиг. 1 представлен внешний вид устройства отклонения луча.

На фиг. 2 при двух изгибных пластинах.

На фиг. 3 приведена геометрия задачи.

На фиг. 4 представлен график, поясняющий принцип действия устройства.

На фиг. 1 пьезоэлектрические пластины 1 механически соединены с гибкими металлическими подложками 2. На оптически отполированную поверхность пьезоэлектрических пластин 1 нанесены, например, управляющие электроды 3. Пьезоэлементы, состоящие из пьезоэлектрических пластин 1, гибких металлических подложек 2 и управляющих электродов 3, жестко закреплены в корпусе 4. Во втором пьезоэлементе выполнено сквозное отверстие 5.

Устройство работает следующим образом.

При подаче управляющего напряжения на один или оба пьезоэлемента, он (они) изгибается, как показано на фиг. 2 (при подаче напряжения на оба пьезоэлемента напряжение подается в противофазе). При этом благодаря многократным отражениям от отражающей поверхности 3, являющейся одновременно управляющим электродом, луч 6 отклоняется. Как следует из фиг. 3, угол отклонения луча может быть представлен в виде: (1) где α_i угол отклонения луча после i переотражений от деформируемого пьезоэлемента; f(x) функция, описывающая отражающую поверхность; h₀ расстояние между отражающими поверхностями; x₁ текущая координата.

Формулы (1) получены из геометрических соображений по фиг. 3. При этом были приняты следующие предположения: отражающая поверхность одной из пластин совмещена с осью Х и не деформируется; расстояние от f(x_i) до оси Х принято постоянным, т.к. в практически важных случаях максимальное линейное отклонение конца пьезоэлемента составляет десятки микрометров, а расстояние между пьезоэлементами десятки миллиметров.

Очевидно, что при предположения делают значения α_i несколько заниженными. В реальном устройстве α_i будет несколько больше. С учетом того, что форма отражающей пластины может быть описана в виде f(x) k₁x + k₂x² + C (2), были вычислены углы отклонения α_i и количество переотражений n в зависимости от К₂. Результаты расчета приведены на фиг. 3.

Таким образом, из фиг. 3 видно, что диапазон углов сканирования увеличивается за счет многократных переотражений от отражающих поверхностей пьезоэлементов.

Быстродействие устройства по сравнению с прототипом повышается, так как пьезоэлементы не совершают механической работы по перемещению зеркала, обладающего конечной массой.

Формула изобретения

Устройство отклонения луча, состоящее из корпуса с консольно и с зазором закрепленными на нем двумя пьезоэлементами, отличающееся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде механически соединенных упругой металлической подложки и пьезоэлектрических пластин, на другую сторону которых нанесены управляющие электроды, являющиеся одновременно отражающими поверхностями, пьезоэлементы закреплены в корпусе под углом 0 10^o один относительно другого и отражающими поверхностями друг к другу, оптическая ось источника света образует с первым пьезоэлементом угол 80 90^o, а во втором пьезоэлементе выполнено отверстие диаметром 1,1 1,3 от диаметра сканирующего луча.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4