Оптический дефлектор
Владельцы патента RU 2312383:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ФГУП "НПО "ГИПО") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в устройствах с оптико-механическим сканированием изображения для осуществления, например, чересстрочной развертки. Сущность изобретения: в оптическом дефлекторе, содержащем зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, пьезокерамический биморфный элемент, расположенный параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленный на основании, свободный конец пьезокерамического биморфного элемента связан с периферийной зоной зеркала, упругий подвес выполнен в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, плоские пружины в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90°±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин совпадает с осью качания и проходит через центр масс зеркала с оправой. Технический результат - повышение частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована в устройствах с оптико-механическим сканированием изображения для осуществления, например, чересстрочной развертки.
Известны устройства сканирования или отклонения оптических лучей (а.с. СССР №1108381, G02В 27/17, опубл. 15.08.1984 г.; а.с. СССР №1485188, G02В 26/10, опубл. 07.06.1989 г.; а.с. СССР 1405015, G02В 26/10, опубл. 23.06.1988 г.), содержащие пьезокерамические приводы, выполненные в виде биморфных элементов.
Основным недостатком этих устройств является снижение их чувствительности за счет нагружения пьезопривода датчиками обратной связи системы управления (а.с. 1108381) или вторым пьезокерамическим элементом (а.с. 1485188, а.с. 1405015).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является оптический дефлектор, описанный в «Устройстве развертки фокальной плоскости» (заявка РСТ №85/05464, G02В 26/10, опубл. 05.12.1985 г.).
Оптический дефлектор содержит зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, два пьезокерамических биморфных элемента, расположенных параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленных на основании в противоположных направлениях, при этом их свободные концы связаны с соответствующими периферийными зонами зеркала с помощью других упругих подвесов, а ось качания зеркала проходит через его центр и первый упругий подвес.
В этом дефлекторе второй пьезокерамический элемент движется в противоположном первому направлении и используется как датчик системы управления.
Недостатком данного устройства является большое количество упругих подвесов, способных к изгибу в разных плоскостях и приводящих к снижению его виброустойчивости. Кроме того, как и в упомянутых выше устройствах, второй пьезокерамический элемент увеличивает нагрузку на рабочий элемент, снижая чувствительность пьезокерамического привода.
Основной задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является повышение его чувствительности и виброустойчивости путем повышения частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора.
Решение указанной задачи достигается тем, что в оптическом дефлекторе, содержащем зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, пьезокерамический биморфный элемент, расположенный параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленный на основании, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента связан с периферийной зоной зеркала, упругий подвес выполнен в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, плоские пружины в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90°±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин совпадает с осью качания и проходит через центр масс зеркала с оправой.
На фиг.1 представлена фронтальная проекция оптического дефлектора, на фиг.2 - продольный разрез по оси симметрии биморфного элемента.
Оптический дефлектор содержит зеркало 1 с оправой 2, установленное на основании 3 с возможностью качания на упругом подвесе 4, пьезокерамический биморфный элемент 5 с выводами 6, расположенный параллельно плоскости зеркала 1 и консольно закрепленный на основании 3, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента 5 связан с периферийной зоной зеркала 1, упругий подвес 4 выполнен в виде двух пар плоских пружин 7, расположенных с противоположных сторон зеркала 1 симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента 5, плоские пружины 7 в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания 0-01 зеркала 1 под углом 90°±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин 7 совпадает с осью качания 0-01 и проходит через центр масс зеркала 1 с оправой 2.
Оптический дефлектор работает следующим образом. На выводы 6 пьезокерамического биморфного элемента 5 подается знакопеременное управляющее напряжение, которое вызывает за счет обратного пьезоэффекта изгибы его свободного конца, связанного через оправу 2 с периферийной зоной зеркала 1 и, соответственно, изменение углового положения зеркала 1 с частотой изменения полярности управляющего напряжения, что в свою очередь приводит к периодическому изменению угла отражения пучка лучей, падающих на зеркало 1.
При периодическом изменении полярности управляющего напряжения на выводах 6 пьезокерамического биморфного элемента 5 происходит резкое торможение подвижной системы оптического дефлектора (зеркало 1, оправа 2, пьезокерамический биморфный элемент 5) в узловых точках кривой гистерезиса пьезокерамики, определяемых величиной управляющего напряжения (амплитудным значением). Этот процесс приводит к появлению собственных высокочастотных колебаний подвижной системы (как в любой системе, имеющей упругие элементы).
Кроме того, могут возникать колебания, обусловленные, например, установкой устройства, имеющего в своем составе описываемый оптический дефлектор, на вибрирующее основание (летательный аппарат, корабль и т.п.).
Выполнение упругого подвеса в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, а также установка плоских пружин в каждой паре симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90°±10° друг к другу позволило вынести ось качания зеркала 1 в центр его массы, что привело к увеличению частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора (из-за отсутствия неуравновешенных масс, поскольку основной вклад в эту характеристику вносит момент инерции зеркала с оправой), что позволило повысить чувствительность и виброустойчивость дефлектора.
Кроме того, сама конструкция подвеса в виде двух пар плоских пружин, образующих с основанием 3 треугольную фигуру с углом 90°±10° при его вершине, является устойчивой к возмущающим колебаниям.
Указанный выше угол, образованный при пересечении плоскостей установки плоских пружин, выбран равным 90°±10°, ограничение допускаемых его отклонений оптимизировано с целью сохранения высокой частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора. Для оптимизации использован метод конечно-элементного анализа.
Основным критерием выбора допусков, ограничивающих угол между плоскостями установки плоских пружин в пределах от 80° до 100°, являлось изменение частоты собственных колебаний дефлектора не более чем на 10%.
Оптический дефлектор, содержащий зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, пьезокерамический биморфный элемент, расположенный параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленный на основании, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента связан с периферийной зоной зеркала, отличающийся тем, что упругий подвес выполнен в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, плоские пружины в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90°±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин совпадает с осью качания и проходит через центр масс зеркала с оправой.
