RU181166U9

RU181166U9 - Two-axis piezoelectric ceramic wavefront tilt corrector

Info

Publication number: RU181166U9
Application number: RU2017143037U
Authority: RU
Inventors: Леонид Владимирович Антошкин; Александр Григорьевич Борзилов
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-09-03
Also published as: RU181166U1

Abstract

Двухкоординатный пьезоэлектрический корректор углов наклона волнового фронта относится к оптике, в частности к оптическим устройствам для управления направлением отклонения оптических лучей и может быть использован для коррекции углов наклона волнового фронта в адаптивных оптических системах в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, управлении лазерном лучом в сканирующих системах. Двухкоординатный пьезоэлектрический корректор углов наклона волнового фронта содержит пьезокерамические актюатуры, установленные на основании в точках вершин равностороннего треугольника, три упругие опоры, зеркало, подвижная платформа, три шаровые опоры, состоящие из гнезд, шариков, фланцев. При этом зеркало через три упругие опоры установлено на подвижной платформе, а платформа через шаровые опоры, шарики которых опираются снизу на плоскую поверхность фланцев, установленных на пьезоактюаторы, а сверху вставлены в гнезда на нижней поверхности подвижной платформы, связана с пьезокерамическими актюаторами и основанием с помощью струны. Технический результат - сохранение плоскостности отражающей поверхности зеркала при любых воздействиях актюаторов на подвижную платформу при изменении ее пространственного положения, исключение при этом линейного перемещения зеркала перпендикулярно своей оси и уменьшение фазовые набеги волнового фронта. 1 ил.The two-axis piezoelectric wavefront tilt corrector refers to optics, in particular, to optical devices for controlling the direction of deviation of optical rays and can be used to correct tilt angles of the wavefront in adaptive optical systems in astronomy, vision systems in a turbulent atmosphere, and controlling the laser beam in scanning systems. The two-axis piezoelectric wavefront angle corrector contains piezoceramic actuators installed on the base at the vertices of the vertices of an equilateral triangle, three elastic supports, a mirror, a movable platform, three ball bearings, consisting of sockets, balls, flanges. In this case, the mirror through three elastic supports is mounted on a movable platform, and the platform through ball bearings, the balls of which are supported from below on a flat surface of flanges mounted on piezoelectric actuators, and inserted into nests on the lower surface of the movable platform from above, is connected to piezoceramic actuators and the base with strings. The technical result is the preservation of the flatness of the reflecting surface of the mirror under any influences of actuators on the moving platform when its spatial position changes, the exception is the linear movement of the mirror perpendicular to its axis and the reduction of phase incursions of the wave front. 1 ill.

Description

Техническое решение относится к оптике, в частности к оптическим устройствам для управления направлением отклонения оптических лучей и может быть использовано для коррекции углов наклона волнового фронта в адаптивных оптических системах в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, управлении лазерном лучом в сканирующих системах.The technical solution relates to optics, in particular to optical devices for controlling the direction of deflection of optical rays and can be used to correct the angles of inclination of the wave front in adaptive optical systems in astronomy, vision systems in a turbulent atmosphere, and controlling the laser beam in scanning systems.

Известен пьезокерамический двухкоординатный однозеркальный оптический дефлектор [Патент РФ №2606520, МПК G02B 26/08, опубл. 10.01.2017 г.], содержащий корпус, зеркало в оправе, два подвеса, среднее основание, исполнительный привод, толкатели. Первый подвес выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен оправе с зеркалом, другой на среднем основании, второй подвес также выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен среднем основании, другой на корпусе. Второй подвес расположен перпендикулярно к первому подвесу.Known piezoceramic two-coordinate single-mirror optical deflector [RF Patent No. 2606520, IPC G02B 26/08, publ. 01/10/2017], comprising a housing, a mirror in the frame, two suspensions, a middle base, an actuator, pushers. The first suspension is made in the form of a flat torsion spring, one end of which is fixed to the frame with a mirror, the other on the middle base, the second suspension is also made in the form of a flat torsion spring, one end of which is fixed to the middle base, the other on the body. The second suspension is perpendicular to the first suspension.

Недостатком аналога является пространственное смешение по трем координатам центральной точки поверхности зеркала относительно и вдоль оси дефлектора при изменении угла наклона, что приводит к изменению длины пути оптического пучка и соответственно к изменению общей фазы волнового фронта оптического пучка, нестабильность положения всего зеркала при изменении пространственного положения дефлектора относительно вертикали, сложность конструкции, высокие требования к технологии изготовления, инерционность.The disadvantage of this analogue is spatial mixing along three coordinates of the central point of the mirror surface relative to and along the axis of the deflector when the angle of inclination changes, which leads to a change in the path length of the optical beam and, accordingly, to a change in the overall phase of the wavefront of the optical beam, instability of the position of the entire mirror when the spatial position of the deflector changes relative to the vertical, design complexity, high requirements for manufacturing technology, inertia.

В качестве прототипа выбран пьезокерамический привод, описанный в статье [Пьезокерамический привод для двух координатного управления угловым положением зеркала. Л.В.Антошкин, Н.Н. Ботыгина, О.Н. Емалеев, П.А. Коняев, В.П. Лукин, А.П. Янков, Приборы и техника эксперимента, 2002, №1, с. 144-146], который содержит три пьезокерамических пакета, клеевым соединением установленных на основании в вершинах равностороннего треугольника с приклеенными к ним упругими опорами, на которых клеевым соединением закреплено зеркало.A piezoceramic drive described in the article [Piezoceramic drive for two coordinate control of the angular position of the mirror is selected as a prototype. L.V. Antoshkin, N.N. Botygina, O.N. Emaleev, P.A. Konyaev, V.P. Lukin, A.P. Yankov, Instruments and experimental equipment, 2002, No. 1, p. 144-146], which contains three piezoelectric packages, with an adhesive joint installed on the base at the vertices of an equilateral triangle with elastic supports glued to them, on which a mirror is fixed with an adhesive joint.

К недостатком прототипа относятся, ухудшение качества поверхности зеркала в местах склейки зеркала и опор. Также имеется отклонение поверхности зеркала от плоскостности, так как все элементы конструкции жестко соединены между собой посредством склейки, что приводит к возникновению механических напряжений на зеркале и его деформации, при изменении длины пьезокерамических пакетов под действием управляющих напряжений, при изменении положения всего привода в пространстве, а также при смене температуры.The disadvantage of the prototype include the deterioration of the quality of the surface of the mirror in the bonding of the mirror and supports. There is also a deviation of the mirror surface from flatness, since all structural elements are rigidly interconnected by gluing, which leads to mechanical stresses on the mirror and its deformation, when the length of the piezoceramic packets under the influence of control stresses changes, when the position of the entire actuator in space changes, as well as when changing temperature.

Задачей технического решения является создание двухкоординатного пьезоэлектрического корректора углов наклона волнового фронта, с минимизацией искажений зеркалом волнового фронта, падающего на зеркало оптического пучка, увеличение частоты поворота зеркала, повышение точности и стабильности отработки управляющих сигналов.The objective of the technical solution is to create a two-axis piezoelectric corrector for the angles of inclination of the wave front, with minimizing distortion by the mirror of the wave front incident on the mirror of the optical beam, increasing the frequency of rotation of the mirror, increasing the accuracy and stability of processing control signals.

Постановленная задача решается благодаря тому, что в двухкоординатном пьезоэлектрическом корректоре углов наклона волнового фронта, содержащем три пьезокерамических актюатора, установленных на основании в точках вершин равностороннего треугольника, три упругие опоры, зеркало, предусмотрена жесткая, облегченная подвижная платформа, струна натяжения, три шаровые опоры, состоящие из гнезд, шариков, фланцев.The stated problem is solved due to the fact that in the two-axis piezoelectric wavefront angle corrector containing three piezoelectric actuators installed on the base at the vertices of the equilateral triangle, three elastic supports, a mirror, a rigid, lightweight movable platform, a tension string, three ball bearings are provided, consisting of nests, balls, flanges.

Кроме того, предложенный двухкоординатный пьезоэлектрический корректор углов наклона волнового фронта имеет повышенную точность передачи отраженного волнового фронта, падающего на зеркало, увеличенную рабочую частоту поворота зеркала (повышенное быстродействие).In addition, the proposed two-axis piezoelectric corrector of the angles of inclination of the wave front has an increased accuracy of transmission of the reflected wave front incident on the mirror, an increased operating frequency of rotation of the mirror (increased speed).

Техническим результатом является повышение точности и стабильности за счет сохранения профиля поверхности зеркала, т.е. уменьшение искажений, вносимых зеркалом в волновой фронт в процессе работы, повышенном быстродействии поворота зеркала по двум координатам, за счет облегчения конструкции.The technical result is to increase the accuracy and stability by maintaining the profile of the surface of the mirror, i.e. reduction of distortions introduced by the mirror into the wave front during operation, increased speed of mirror rotation in two coordinates, due to the simplification of the design.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно следственная связь, а именно пьезоактюаторы, расположенные в вершинах равностороннего треугольника, создают воздействия на подвижную платформу в трех точках, через шарики шаровых опор и делают контакты пьезоактюаторов и платформы точечным, уменьшая силы трения между пьезоактюаторами и платформой, повышая тем самым точность отработки управляющих сигналов и формируя плоскость наклона подвижной платформы.There is a causal relationship between the set of essential features of the claimed object and the technical result achieved, namely, piezo actuators located at the vertices of an equilateral triangle create impacts on the moving platform at three points through the balls of ball bearings and make the contacts of the piezo actuators and the platform point, reducing friction between piezoelectric actuators and platform, thereby increasing the accuracy of working out control signals and forming the plane of inclination of the moving platform.

Жесткая облегченная платформа позволяет снизить массу установленного на ней исполнительного зеркала (за счет уменьшения его толщины) и повысить частоту его механического резонанса. Жесткие, но упругие на изгиб опоры, соединяющие клеевым соединением зеркало с платформой, только в трех точках формируют плоскость крепления зеркала, снижают влияние платформы на профиль поверхности зеркала, в том числе и из-за неравенства коэффициентов температурного расширения, зеркала, платформы и всей конструкции корректора. Крепление зеркала на трех опорах (в трех точках) позволяет сохранять плоскостность отражающей поверхности зеркала при любых воздействиях актюаторов на подвижную платформу и изменении ее пространственного положения, а прижим подвижной платформы, с приклеенным к ее опорам зеркалом, к основанию осуществляется натяжной струной, натянутой между осью подвижной платформы и основанием в точке пересечения медиан равностороннего треугольника, фиксирует положение центра подвижной платформы в пространстве и создает необходимое усилие сжатия пьезоактюаторов, обеспечивающее их работоспособность.A rigid lightweight platform allows to reduce the mass of the executive mirror installed on it (by reducing its thickness) and increase the frequency of its mechanical resonance. Rigid but bending elastic supports connecting the mirror to the platform by gluing, form the mirror attachment plane only at three points, reduce the influence of the platform on the mirror surface profile, including due to the inequality of the coefficients of thermal expansion, the mirror, the platform and the whole structure corrector. Mounting the mirror on three supports (at three points) allows you to maintain the flatness of the reflecting surface of the mirror under any impact of actuators on the moving platform and changing its spatial position, and the clamp of the moving platform, with the mirror glued to its supports, to the base is carried out by a tension string stretched between the axis the moving platform and the base at the intersection of the medians of an equilateral triangle, fixes the position of the center of the moving platform in space and creates the necessary compression force ezoaktyuatorov ensuring their efficiency.

Указанный результат заявляемого технического решения достигается также тем, что в пьезокерамическом дефлекторе, содержащем зеркало и три пьезоактюатора, установленных на основании корпуса в вершинах равностороннего треугольника, пьезоактюаторы, имеют контакт с нижней поверхностью подвижной платформы через шаровые опоры, шарики которых опираются снизу на плоскую поверхность фланцев, установленных на пьезоактюаторы, а сверху вставлены в гнезда на нижней поверхности подвижной платформы.The indicated result of the claimed technical solution is also achieved by the fact that in a piezoceramic deflector containing a mirror and three piezoelectric actuators installed on the base of the casing at the vertices of an equilateral triangle, the piezo actuators have contact with the lower surface of the moving platform through ball bearings, the balls of which are supported from below on the flat surface of the flanges mounted on piezoelectric actuators, and on top inserted into slots on the bottom surface of the moving platform.

Техническое решение позволяет сохранять плоскостность отражающей поверхности зеркала при любых воздействиях актюаторов на подвижную платформу при изменении ее пространственного положения, исключает при этом линейное перемещение зеркала перпендикулярно своей оси и уменьшает фазовые набеги волнового фронта, жесткая облегченная платформа снижает массу установленного на ней исполнительного зеркала и повышает его быстродействие. Шаровые опоры повышают быстродействие и точность позиционирования.The technical solution allows preserving the flatness of the reflecting surface of the mirror under any impact of actuators on the moving platform when its spatial position changes, it eliminates the linear movement of the mirror perpendicular to its axis and reduces the phase incursions of the wave front, the rigid lightweight platform reduces the mass of the installed executive mirror and increases it performance. Ball joints increase speed and positioning accuracy.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом фигура I.The technical essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawing of figure I.

Предложенный двухкоординатный пьезоэлектрический корректор углов наклона волнового фронта содержит зеркало 1, закрепленное клеевым соединением на опорах 2, установленных на подвижной платформе 3. В гнездах 4, установленных на подвижную платформу точно в точках, соответствующих вершинам равностороннего треугольника, помещены с минимальным зазором стальные шарики 5, опирающиеся на плоскую поверхность фланцев 6, надетых на пьезоактюаторы 7, установленные в обойме 8 на основании 9. Струна 10 обеспечивает прижим платформы 3 к шарикам 5 и к основанию 9.The proposed two-coordinate piezoelectric corrector of the angles of inclination of the wave front contains a mirror 1, fixed by gluing to the supports 2 mounted on the movable platform 3. In the sockets 4 mounted on the movable platform exactly at the points corresponding to the vertices of an equilateral triangle, steel balls 5 are placed with a minimum clearance. based on the flat surface of the flanges 6, worn on piezo actuators 7, mounted in a holder 8 on the base 9. The string 10 provides a clamp platform 3 to the balls 5 and to the base Niyu 9.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На основании (9), в вершинах равностороннего треугольника в обоймы (8) установлены пьезоактюаторы (7), на них через шаровые опоры (4, 5, 6) устанавливается подвижная платформа (3). Точность и стабильность расположения точек контакта и пьезоактюаторов с платформой обеспечивается тем, что шарики (5) с минимальным зазором помещены в гнездах (4), точно установленных на подвижную платформу в точках, соответствующих вершинам равностороннего треугольника, и опираются на плоскую поверхность фланцев (6), выполненных из твердосплавной стали и надетых на пьезоактюаторы (7). Таким образом, благодаря совокупности указанных существенных признаков заявляемого двухкоординатного пьезоэлектрического корректора углов наклона волнового фронта достигается высокая точность и стабильность отработки угла поворота зеркала и передачи волнового фронта оптического излучения. При подаче управляющих напряжений на пьезоактюаторы происходит изменение их линейных размеров, пропорциональное приложенному напряжению и формируется заданный угол наклона плоскости подвижной платформы таким образом, что пространственное положение центра платформы, точка (11), является точкой, относительно которой происходит поворот платформы, при этом координата этой точки остается неизменной в пространстве при любых управляющих сигналах, исключая тем самом возможность линейного смещения зеркала перпендикулярно его оси и образования фазовых набегов в отраженном волновом фронте.On the basis of (9), piezo actuators (7) are installed in the cages (8) at the vertices of an equilateral triangle, and a movable platform (3) is mounted on them through ball bearings (4, 5, 6). The accuracy and stability of the location of the contact points and piezoelectric actuators with the platform is ensured by the fact that the balls (5) with a minimum clearance are placed in the sockets (4) precisely mounted on the moving platform at the points corresponding to the vertices of an equilateral triangle and rest on the flat surface of the flanges (6) made of carbide steel and worn on piezo actuators (7). Thus, due to the combination of these essential features of the inventive two-coordinate piezoelectric corrector of the angles of inclination of the wave front, high accuracy and stability of working out the angle of rotation of the mirror and the transmission of the wave front of optical radiation are achieved. When control voltages are applied to the piezo actuators, their linear dimensions change proportional to the applied voltage and a given angle of inclination of the plane of the movable platform is formed in such a way that the spatial position of the center of the platform, point (11), is the point relative to which the platform rotates, and this coordinate the point remains unchanged in space for any control signals, thereby eliminating the possibility of linear displacement of the mirror perpendicular to its axis and Ia phase shifts in the reflected wavefront.

Подвижная платформа выполнена из дюралюминия типа Д16Т. Опоры изготовлены из фосфористой бронзы. В качестве пьезоактюаторов были использованы актюаторы АПМ2-11 выпускаемые ОАО «ЭЛПА» (Россия).The mobile platform is made of duralumin type D16T. The supports are made of phosphor bronze. The actuators APM2-11 manufactured by ELPA OJSC (Russia) were used as piezo actuators.

При реализации заявляемой полезной модели для коррекции углов наклона оптического пучка в адаптивной системе Большого вакуумного солнечного телескопа в Байкальской обсерватории ИСЗФ СО РАН, максимальный угол отклонения корректирующего зеркала диаметром 100 мм и толщиной 10 мм составил +- 65 угловых секунд со временем установки зеркала в новое угловое положение, составило менее 1 мсек. Частота механического резонанса зеркала корректора 1 кГц.When implementing the claimed utility model for correcting the tilt angles of an optical beam in the adaptive system of the Large Vacuum Solar Telescope at the Baikal Observatory of the Institute of Physics and Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, the maximum deflection angle of the correcting mirror with a diameter of 100 mm and a thickness of 10 mm was + - 65 arc seconds with the time the mirror was installed in a new angle position was less than 1 ms. The frequency of the mechanical resonance of the corrector mirror is 1 kHz.

Claims

A two-axis piezoelectric wavefront tilt corrector containing piezoceramic actuators installed on the base at the vertices of an equilateral triangle, three elastic supports, a mirror, a moving platform, three ball bearings, consisting of sockets, balls, flanges, characterized in that the mirror is through three elastic the supports are mounted on a movable platform, and the platform through ball bearings, the balls of which are supported from below on the flat surface of the flanges mounted on the piezo actuators, and are inserted into zda on the lower surface of the movable platform associated with piezoceramic actuators and the base via the string.