RU202985U1

RU202985U1 - VARIABLE CURVE MIRROR

Info

Publication number: RU202985U1
Application number: RU2020126222U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Тимаев; Сергей Григорьевич Гаранин; Владимир Григорьевич Рогачев; Евгений Александрович Кудряшов; Григорий Николаевич Качалин; Александр Сергеевич Мокеев; Виталий Михайлович Ямщиков
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2021-03-17

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к оптическим отражающим системам, и может быть использована в качестве управляемого зеркала с изменяемой кривизной поверхности, например, устройства для концентрации лучистой энергии, телескопа, прожекторной установки и т.п.В зеркале с изменяемой кривизной, содержащем корпус, отражающий элемент, герметично прикрепленный нерабочей поверхностью к корпусу с образованием камеры давления, канал, соединяющий камеру давления с баллоном, заполненным газом при избыточном давлении, новым является то, что отражающий элемент выполнен в виде подложки с нанесенным на него отражающим слоем, и края отражающего элемента свободно оперты на корпус по всей периферии.Формование отражающей поверхности заданной кривизны происходит путем создания перепада давления на поверхности отражающего элемента. Поддержание необходимого перепада давления с одновременным контролированием заданной формы поверхности отражающего элемента может быть произведено по величине остаточного давления в баллоне.Технический результат - увеличение эффективной площади отражающей поверхности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to optical instrumentation, namely to optical reflecting systems, and can be used as a controlled mirror with a variable surface curvature, for example, a device for concentrating radiant energy, a telescope, a searchlight installation, etc. In a mirror with a variable curvature, containing a housing, a reflective element hermetically attached by a non-working surface to the housing to form a pressure chamber, a channel connecting the pressure chamber with a cylinder filled with gas at overpressure, new is that the reflective element is made in the form of a substrate with a reflective layer applied to it, and the edges of the reflective element are freely supported on the body along the entire periphery. The formation of the reflective surface of a given curvature occurs by creating a differential pressure on the surface of the reflective element. Maintaining the required pressure drop with simultaneous control of a given shape of the surface of the reflecting element can be produced by the value of the residual pressure in the cylinder. The technical result is an increase in the effective area of the reflecting surface. 2 c.p. f-ly, 2 dwg.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к оптическим отражающим системам, и может быть использована в качестве управляемого зеркала с изменяемой кривизной поверхности, например, устройства для концентрации лучистой энергии, телескопа, прожекторной установки и т.п.The utility model relates to optical instrumentation, namely to optical reflecting systems, and can be used as a controlled mirror with a variable surface curvature, for example, a device for concentrating radiant energy, a telescope, a searchlight installation, etc.

Существует множество способов получения необходимой кривизны у поверхности, используемой в оптической системе как зеркало, например, путем механической деформации пластины зеркала, при этом деформация может быть вызвана различными устройствами: механическими, пневматическими, гидравлическими, гидростатическими, электрическими / электростатическими и электромеханическими (и др., все эти устройства достаточно сложны и могут обеспечить создание зеркал лишь относительно небольшой площади.There are many ways to obtain the required curvature at a surface used in an optical system as a mirror, for example, by mechanical deformation of the mirror plate, while deformation can be caused by various devices: mechanical, pneumatic, hydraulic, hydrostatic, electrical / electrostatic, and electromechanical (and others. , all these devices are quite complex and can provide the creation of mirrors of only a relatively small area.

Известна конструкция зеркала с пьезоэлектрическими приводами типа сэндвич, описанная в работе [В.Г. Тараненко, О.И. Шанин, Управляемые оптические зеркала. ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Серия «Управление пространственной структурой оптического излучения», т. 2 «Волновой фронт оптического излучения: управление и регистрация» Под редакцией А.П. Сухорукова, Москва, 1991. стр. 13]. Зеркало представляет собой отражающую пластину (подложку), к которой перпендикулярно отражающей поверхности жестко прикреплены пьезоэлектрические приводы (актюаторы), выполненные из пьезокерамики. Каждый привод при приложении управляющего напряжения производит локальную деформацию подложки зеркала.The known design of a mirror with piezoelectric actuators of the sandwich type, described in [V.G. Taranenko, O. I. Shanin, Controlled optical mirrors. VINITI. Results of Science and Technology. Series "Control of the spatial structure of optical radiation", vol. 2 "Wavefront of optical radiation: control and registration" Edited by A.P. Sukhorukova, Moscow, 1991. p. 13]. The mirror is a reflective plate (substrate), to which piezoelectric actuators (actuators) made of piezoceramics are rigidly attached perpendicular to the reflecting surface. Each drive, when a control voltage is applied, produces a local deformation of the mirror substrate.

Пьезокерамика под действием обратного пьезоэффекта либо расширяется, либо сжимается при обратной полярности напряжения. Комбинация локальных деформаций приводит поверхность зеркала к заданной форме. Деформация локальной зоны отражающей поверхности определяется разностью сил: силой, действующей со стороны привода, и силой, обусловленной жесткостью конструкции зеркала. В известной конструкции зеркала пьезоэлектрический привод представляет собой многослойную конструкцию, состоящую из большого числа пьезоэлектрических пластин или слоев, полученных методом напыления. Многослойная пьезокерамика имеет различные механические свойства при сжатии и растяжении, поэтому даже небольшие механические напряжения при растяжении приводят к расслоению и выходу из строя привода. Кроме того, при жестком креплении привода к подложке его замена при выходе из строя не представляется возможной. В силу упомянутых недостатков описанная конструкция на практике не применяется.Piezoceramics under the action of the reverse piezoelectric effect either expands or contracts when the voltage polarity is reversed. The combination of local deformations brings the mirror surface to a given shape. The deformation of the local zone of the reflecting surface is determined by the difference in forces: the force acting from the drive side and the force due to the rigidity of the mirror structure. In the known design of the mirror, the piezoelectric actuator is a multilayer structure consisting of a large number of piezoelectric plates or layers obtained by sputtering. Multilayer piezoelectric ceramics have different mechanical properties in compression and tension, therefore, even small mechanical stresses during tension lead to delamination and failure of the actuator. In addition, when the drive is rigidly attached to the substrate, its replacement in the event of a failure is not possible. Due to the aforementioned disadvantages, the described design is not applied in practice.

Известна конструкция зеркала, снабженного приводом предварительного напряжения [патент US №5357825, опубл. 09.11.1993]. К отражающей пластине жестко прикреплены концевики, натянутые струной к тыльной поверхности основания с помощью резьбовой втулки. Привод (актюатор), в частности, пьезокерамический, прижат упругой струной между концевиком и передней поверхностью основания. Конструкция обеспечивает механическое напряжение актюатора путем предварительного натяжения струны. Усилие при растяжении актюатора передается зеркалу от привода. Усилие при сжатии создается за счет внешней силы, создаваемой пружинящим элементом. Однако, для замены хотя бы одного привода необходимо разбирать все зеркало, что сопровождается потерей оптического качества отражающей поверхности.The known design of a mirror equipped with a prestressing drive [US patent No. 5357825, publ. 09.11.1993]. Limit switches are rigidly attached to the reflecting plate, stretched with a string to the back surface of the base using a threaded sleeve. The actuator (actuator), in particular, piezoceramic, is pressed by an elastic string between the end piece and the front surface of the base. The design provides mechanical stress to the actuator by pre-tensioning the string. The tensile force of the actuator is transferred to the mirror from the actuator. The compressive force is generated by the external force generated by the spring element. However, to replace at least one drive, it is necessary to disassemble the entire mirror, which is accompanied by a loss of the optical quality of the reflecting surface.

Известна конструкция адаптивного зеркала с изменяемой кривизной за счет перепада давления [заявка US №2014346156, опубл. 27.11.2014]. Зеркало содержит корпус, камеру давления, отражающей элемент, герметично прикрепленный к корпусу с жесткой заделкой краев.The known design of an adaptive mirror with variable curvature due to pressure drop [application US No. 2014346156, publ. 11/27/2014]. The mirror contains a body, a pressure chamber, a reflecting element, hermetically attached to the body with rigid edges.

Существенным недостатком данного изобретения является меньшая эффективная площадь отражающей поверхности. Указанный недостаток обусловлен тем, что отражающей элемент, герметично прикрепляется к корпусу с жесткой заделкой краев.A significant disadvantage of this invention is the smaller effective area of the reflective surface. This disadvantage is due to the fact that the reflective element is hermetically attached to the body with rigid sealing of the edges.

Другим недостатком является меньший динамический диапазон изменения радиуса кривизны поверхности зеркала. Указанный недостаток также обусловлен тем, что используется закрепление отражающего элемента с жесткой заделкой краев.Another disadvantage is the smaller dynamic range of changes in the radius of curvature of the mirror surface. The indicated disadvantage is also due to the fact that the fixing of the reflective element with rigid sealing of the edges is used.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является зеркало с изменяемой кривизной по патенту [RU №2073268, опубл. 10.02.1997]. Известное зеркало содержит корпус, зеркальную пленку, герметично прикрепленную нерабочей поверхностью к корпусу с образованием камеры давления, канал, соединяющий камеру давления с баллоном, заполненным газом при избыточном давлении. Баллон размещен в камере давления и выполнен из упругого материала.Closest to the claimed utility model is a mirror with variable curvature according to the patent [RU No. 2073268, publ. 02/10/1997]. The known mirror contains a body, a mirror film, hermetically attached by a non-working surface to the body to form a pressure chamber, a channel connecting the pressure chamber with a cylinder filled with gas at overpressure. The balloon is placed in a pressure chamber and is made of an elastic material.

Существенным недостатком данного изобретения является меньшая эффективная площадь отражающей поверхности. Указанный недостаток обусловлен тем, что используется закрепление края пленки посредством его защемления.A significant disadvantage of this invention is the smaller effective area of the reflective surface. This drawback is due to the fact that the edge of the film is fixed by pinching it.

Другим недостатком является малый динамический диапазон изменения радиуса кривизны поверхности. Указанный недостаток также обусловлен тем, что используется закрепление края пленки посредством его защемления.Another disadvantage is the small dynamic range of variation of the radius of curvature of the surface. This disadvantage is also due to the fact that the edge of the film is secured by pinching it.

Таким образом, известное устройство, выбранное за прототип, не позволяет обеспечить требуемую эффективную площадь отражающей поверхности. Область отражающей поверхности зеркала, при попадании и отражении излучение концентрируется на требуемом расстоянии от зеркала.Thus, the known device, selected as a prototype, does not provide the required effective area of the reflecting surface. The area of the reflecting surface of the mirror, when hit and reflected, the radiation is concentrated at the required distance from the mirror.

Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является создание зеркала с большой эффективной площадью отражающей поверхности.The problem to be solved by the claimed utility model is to create a mirror with a large effective area of the reflecting surface.

Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью -увеличение эффективной площади отражающей поверхности.The technical result achieved by the claimed utility model is an increase in the effective area of the reflecting surface.

Другим техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым устройством является увеличение динамического диапазона изменения радиуса кривизны поверхности.Another technical result provided by the inventive device is to increase the dynamic range of changes in the radius of curvature of the surface.

Данный технический результат достигается тем, что в зеркале с изменяемой кривизной, включающем корпус, отражающий элемент, герметично прикрепленный нерабочей поверхностью к корпусу с образованием камеры давления, канал, соединяющий камеру давления с баллоном, заполненным газом при избыточном давлении, новым является то, что отражающий элемент выполнен в виде подложки с нанесенным на него отражающим слоем, и края отражающего элемента свободно оперты на корпус по всей периферии.This technical result is achieved by the fact that in a mirror with variable curvature, including a housing, a reflective element, hermetically attached by a non-working surface to the housing to form a pressure chamber, a channel connecting the pressure chamber with a cylinder filled with gas at overpressure, the new thing is that the reflective the element is made in the form of a substrate with a reflective layer applied to it, and the edges of the reflective element are freely supported on the body along the entire periphery.

Кроме того, добавлен дополнительный буферный объем, соединенный каналом с камерой давления.In addition, an additional buffer volume has been added, connected by a channel to the pressure chamber.

Используется подложка из оптического материала.An optical substrate is used.

В качестве оптического материала используется кварц, или ситалл, или кремний.Quartz, or sitall, or silicon is used as an optical material.

Тот факт, что края отражающего элемента свободно оперты на корпус по всей периферии обеспечивает дополнительные степени свободы перемещения относительно корпуса [С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер Пластины и оболочки - Москва: Издательство «Наука», 1966.]. Данный тип закрепления согласно расчетам, позволяет увеличить эффективную площадь отражающей поверхности зеркала и динамический диапазон изменения радиуса кривизны поверхности по сравнению с типом краевого закрепления защемленный край, используемый в прототипе. Улучшение эффективной площади обеспечивается тем, что при опертом крае получаемая поверхность зеркала практически совпадает с поверхностью параболического зеркала с таким же фокусным расстоянием. Увеличение динамического диапазона достигается в силу того, что для получения одинакового прогиба в центре зеркала в случае опертого края требуется перепад давлений в 2,5 раза меньше, чем для защемленного.The fact that the edges of the reflective element are freely supported on the body along the entire periphery provides additional degrees of freedom of movement relative to the body [S.P. Timoshenko, S. Voinovsky-Krieger Plates and shells - Moscow: Publishing house "Nauka", 1966.]. This type of fixation, according to calculations, makes it possible to increase the effective area of the reflecting surface of the mirror and the dynamic range of variation of the radius of curvature of the surface in comparison with the type of edge fixing the clamped edge used in the prototype. An improvement in the effective area is ensured by the fact that, with the abutment edge, the resulting mirror surface practically coincides with the surface of a parabolic mirror with the same focal length. The increase in the dynamic range is achieved due to the fact that in order to obtain the same deflection in the center of the mirror in the case of a supported edge, a pressure drop is required 2.5 times less than for a clamped one.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает достижение заявленного технического результата.Thus, the claimed device ensures the achievement of the claimed technical result.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 приведен разрез зеркала с изменяемой кривизной.FIG. 1 shows a section of a mirror with variable curvature.

На Фиг. 2 приведена расчетная зависимость прогиба поверхности зеркала для случаев с защемленным и опертым краем.FIG. 2 shows the calculated dependence of the deflection of the mirror surface for cases with a pinched and supported edge.

Зеркало с изменяемой кривизной (см. фиг. 1) состоит из газового баллона с избыточным давлением 1, датчика измерения давления 2, отражающего элемента 7, камеры давления 8, буферного объема 3 для откачивания избыточного давления из камеры давления, клапана стравливания избыточного давления 4, корпуса 5, упругого кольцевого уплотнительного элемента 6 для осуществления закрепления оптического элемента требуемым образом.A mirror with variable curvature (see Fig. 1) consists of a gas cylinder with overpressure 1, a pressure measurement sensor 2, a reflective element 7, a pressure chamber 8, a buffer volume 3 for pumping out overpressure from the pressure chamber, an overpressure relief valve 4, housing 5, an elastic annular sealing element 6 for securing the optical element in the required manner.

Работает заявляемое устройство следующим образом.The claimed device works as follows.

Снимая показания с датчика измерения давления 2 идет либо подкачка давления в камеру давления 8 из баллона с избыточным давлением 1, либо стравливания давления в буферный объем 3 с использованием клапана стравливания избыточного давления 4 для получения нужного перепада давления между поверхностями отражающего элемента 7. Необходимый перепад давления выбирается исходя из требуемого значения прогиба отражающего элемента 7 и радиусов кривизны согласно формулам:By taking readings from the pressure measurement sensor 2, either pressure is pumped into the pressure chamber 8 from a cylinder with an overpressure 1, or the pressure is released into the buffer volume 3 using the overpressure relief valve 4 to obtain the desired pressure difference between the surfaces of the reflective element 7. The required pressure drop is selected based on the required deflection of the reflecting element 7 and the radii of curvature according to the formulas:

где ξ - стрела прогиба отражающего элемента 7, Е - модуль Юнга отражающего элемента 7, σ - коэффициент Пуассона отражающего элемента 7; q - перепад давлений между поверхностями отражающего элемента 7, Па; D - коэффициент отражающего элемента 7, R - радиус отражающего элемента 7, h - толщина отражающего элемента 7, r_n - нормальный радиус кривизны отражающего элемента 7, r_t - тангенциальный радиус кривизны отражающего элемента 7.where ξ is the deflection arrow of the reflecting element 7, E is the Young's modulus of the reflecting element 7, σ is the Poisson's ratio of the reflecting element 7; q is the pressure drop between the surfaces of the reflecting element 7, Pa; D is the coefficient of the reflecting element 7, R is the radius of the reflecting element 7, h is the thickness of the reflecting element 7, r _n is the normal radius of curvature of the reflecting element 7, r _t is the tangential radius of curvature of the reflecting element 7.

Корпус 5 и упругий кольцевой уплотнительный элемент 6 служат для герметизации внутреннего объема конструкции зеркала с изменяемой кривизной. Использование упругого кольцевого уплотнительного элемента 6 позволяет реализовать закрепление отражающего элемента 7 типа «опертый край» и улучшить эффективную площадь отражающей поверхности. На фиг. 2 приведено сравнение типов закрепления отражающего элемента 7. В прототипе использовалось закрепление типа «защемленный край».The housing 5 and the elastic annular sealing element 6 serve to seal the internal volume of the mirror structure with variable curvature. The use of an elastic annular sealing element 6 makes it possible to realize the fastening of the "abutted edge" type reflective element 7 and to improve the effective area of the reflective surface. FIG. 2 shows a comparison of the types of fastening of the reflective element 7. In the prototype, the fastening of the "pinched edge" type was used.

Таким образом заявляемое устройство позволяет обеспечить требуемый технический результат.Thus, the claimed device can provide the required technical result.

Осуществление полезной модели.Implementation of the utility model.

Из оптического ситалла СО115М диаметром 10 см и толщиной 1 см формируют оптическую поверхность, представляющую собой отражающее покрытие с коэффициентом отражения 99,9%. Покрытие напыляют на поверхность ситалла. Устанавливают оптический элемент в корпус. К корпусу подсоединяется баллон, заполненный газом при избыточном давлении и выполненным из упругого материала, например, из резины. Герметично закрепляют оптический элемент при помощи упругого кольцевого уплотнительного элемента, например, из вакуум уплотнительной резины. Подсоединяют датчик измерения давления и клапан стравливания с буферным объемом.From optical glass SO115M with a diameter of 10 cm and a thickness of 1 cm, an optical surface is formed, which is a reflective coating with a reflectance of 99.9%. The coating is sprayed onto the sitall surface. Install the optical element into the housing. A cylinder filled with gas at overpressure and made of an elastic material, for example, rubber, is connected to the body. The optical element is hermetically fixed by means of an elastic annular sealing element, for example, made of vacuum sealing rubber. Connect a pressure measuring transducer and a bleed valve with a buffer volume.

Полезная модель позволяет обеспечить качественно новые технические и эксплуатационные характеристики (например, увеличение динамического диапазона изменения радиуса кривизны поверхности) по сравнению с наиболее прогрессивными отечественными и зарубежными аналогами.The utility model makes it possible to provide qualitatively new technical and operational characteristics (for example, an increase in the dynamic range of variation in the radius of curvature of the surface) in comparison with the most progressive domestic and foreign counterparts.

Claims

1. Mirror with variable curvature, containing a body, a reflecting element, the non-working surface of which forms a sealed pressure chamber with the body, a channel connecting the pressure chamber with a cylinder filled with gas at overpressure, characterized in that it additionally contains a buffer volume connected by a channel to the chamber pressure, the reflecting element is made in the form of a substrate with a reflective layer applied to it, and the edges of the reflecting element are freely supported on the body along the entire periphery by means of an elastic annular sealing element.

2. A mirror according to claim 1, characterized in that the mirror substrate is made of an optical material.

3. A mirror according to claim 2, characterized in that quartz or sitall or silicon is used as the optical material.