Оптический шарнир

Оптический шарнир

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано для управления излучением при повьшении эффективности использования апертуры, исключении фокусировки внутри устройства, малых потерях на отражение и упрощении изготовления. Оптический шарнир содержит положительные линзы 1 и 2, отрицательные линзы 3 и 4, а также установленную в шарнирном сочленении как минимум одну пару оптических элементов 5 и 6. Линзы 1 и 3 , установленные в неподвижном светозащитном корпусе, образуют входную телескопическую систему, а линзы 4 и 2, установленные в подвижном светозащитном корпусе, выходную телескопическую систему. Элементы 5 и 6 механически жестко связаны соответственно с подвижным и неподвижным корпусами и обеспечивают отклонение оптического пучка при повороте подвижного корпуса относительно неподвижного . Элемент 5 выполнен плосковогнутым , а элемент 6- плосковыпуклым. Элементы 5 и 6 соприкасаются неплоскими поверхностями, а центры кривизны этих поверхностей совпадают с центром шарнирного сочленения.Сферическая форма соприкасающихся поверхностей элементов 5 и 6 обеспечивает поворот в любой плоскости, т.е. устройство имеет две степени свободы. Приведена математическая зависимость, связывающая показатели преломления оптических элементов с заданной погрешностью устройства и увеличением выходной телескопической системы. Между соприкасакяцш-шся поверхностями элементов 5 и 6 может быть введена иммерсионная жидкость, а телескопические системы могут быть выполнены в виде телескопических линз. 1 э.п. ф-ль1, 6 ил. с (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

)3 """ "

) " - лй

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ВНИДЕ 07Ящ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO.ÄÅËÀM ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4208239/24-10 (22) 09.03.87 (46) 23. 10.88. Бюл. В 39 (72) Ю.Л.Береговский, С.А.Кузьменко и П.Н.Струк (53) 535.8(088.8) (56) Справочник конструктора оптикомеханических приборов./Под ред.

М.Я.Kpyrepa и В.А.Панова. Л.: Машиностроение, 1968, с. 305.

Авторское свидетельство СССР

)1i 112332, кл. С 02 В 27/00,15.08.83. (54) ОПТИЧЕСКИЙ ШАРНИР (57) Изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано для управления излучением при повышении эффективности использования апертуры, исключении фокусировки внутри устройства, малых потерях на отражение и упрощении изготовления, Оптический шарнир содержит положитель ные линзы 1 и 2, отрицательные линзы

3 и 4, а также установленную в шарнирном сочленении как минимум одну пару оптических элементов 5 и 6. Линзы 1 и 3, установленные в неподвижном светозащитном корпусе, образуют входную телескопическую систему, а

„„SU„„3432442 A 1 линзы 4 и .2, установленные в подвижном светозащитном корпусе, выходную телескопическую систему. Элементы 5 „ и 6 механически жестко связаны соответственно с подвижным и неподвижным корпусами и обеспечивают отклонение оптического пучка при повороте подвижного корпуса относительно неподвижного. Элемент 5 выполнен плосковогнутым, а элемент 6 — плосковыпуклым. Элементы 5 и 6 соприкасаются неплоскими поверхностями, а центры кривизны этих поверхностей совпадают с центром шарнирного сочленения.Сферическая форма соприкасающихся по" верхностей элементов 5 и 6 обеспечивает поворот в любой плоскости, т.е. устройство имеет две степени свободы.

Приведена математическая зависимость, связывающая показатели преломления оптических. элементов с заданной погрешностью устройства и увеличением выходной телескопической системы.

Между соприкасающимися поверхностями элементов 5 и 6 может быть введена иммерсионная жидкость, а телескопические системы могут быть выполнены в виде телескопических линз. 1 s. и. ф-лы, 6 ил.

1432442

Изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано в медицинских и технологических лазерных установках, осветительных системах, в устройствах управления излучением импульсных и непрерывных лазеров.

Цель изобретения — повышение эф- 10 феКтивности использования апертуры и исключение фокусировки излучения внут1

i,ðH шарнира, а также уменьшение по1 терь на отражение и упрощение изготовления. 1»

На фиг. 1 изображены оптическая схема шарнира с одной парой оптичес, ких элементов, а также ход лучей при

1 повороте подвижного корпуса;на фиг.2 и 3 — то же, с двумя и тремя парами 20

; оптических элементов соответственно; на фиг. 4 — оптический шарнир; на фиг. 5 и 6 — графики зависимости, погрешности шарнира от угла поворота подвижного светозащитного корпуса.

Оптический шарнир (фиг. 4) содер,жит положительные 1 и 2 и отрицатель1 ! ные 3 и 4 линзы а также установлен9 ные в шарнирном сочленении оптичес1 кие элементы 5 и 6. Положительная 1

:и отрицательная 3 линзы установлены в неподвижном светоэащитном корпусе последовательно по ходу оптического пучка и образуют входную телескопическую систему. Отрицательная 4 и 3» положительная 2 линзы установлены последовательно по ходу оптического пучка в подвижном корпусе и образуют выходную телескопическую систему. Onveeecrcze элементы 5 и 6, расположенные последовательно по ходу оптического пучка в шарнирном сочленении и механически жестко связанные соот,ветственно с подвижньи и неподвижным корпусами (не показаны), обеспечи- 4» вают отклонение оптического пучка при повороте подвижного корпуса относительно неподвижного. Прн этом один из элементов пары 5 выполнен плосковогнутым, другой 6 — плоско- »О выпуклым, элементы пары соприкасаются неплоскими поверхностями, а центры кривизны этих поверхностей совпадают с центром шарнирного сочленения. Сферическая форма соприкасающихся поверх- »» ностей оптических элементов 5 и 6 обеспечивает поворот в любой плоскости, следовательно, шарнир имеет две степени свободы.

Кроме того, возможен вариант оптической схемы (фиг ° 2 и 4), в котором в шарнирном сочленении дополнительно установлены оптические элементы 7 и 8, симметричные соответственно элементам 6 и 7 относительно центра шарнирного сочленения. Оптические элементы 6 и 8 механически жестко связаны с неподвижным светоэащитньи корпусом 9, а оптические элементы

5 и 7 — с подвижным светоэащитным корпусом 10 при помощи кронштейнов 11 и 12 соответственно.

Показатели преломления оптических элементов 5-8 удовлетворяют соотношению

Z (+(в„-1)) = 1-3,2 )0 (- ) - + ЬЧ) (к(1,„„ (1) где К вЂ” порядковый номер нары оптических элементов;

N — число пар оптических элементов (в предыдущем варианте исполнения оптического шарнира на фиг. 1 К = N = 1) .

Знак "+" перед круглой скобкой в левой части соотношения соответствует парам оптических элементов, в которых первый по ходу оптического пучка оптический элемент механически жестко связан с подвижным корпусом; знак "-" перед скобкой соответствует парам оптических элементов, в которых первый по ходу оптического пучка оптический элемент механически жестко связан с неподвижным светозащитным корпусом.

n — показатель преломления оптических элементов К-й пары;

Ь(— заданная максимальная погрешность шарнира в угловых секундах;

Г„„ „„ — увеличение телескопической системы 4 и 2, расположенной в подвижном светозащитном корпусе 10.

Показатели преломления n(находятся в диапазоне 1,3-1,7, что дает воэможность выбирать широко распространенные и технологические оптические материалы в широком спектральном диапазоне.

Возможен также вариант оптической схемы (фиг. 3), в котором в шарнирном сочленении дополнительно установлены оптические элементы 13 и 14, 3

1432442

Ц „= sccsin (sing(cosy)) (2) где n, — показатель преломления оптических элементов 5 и 6.

Для схемы с 4 оптическими элементами (фиг. 2 и 4) оптический пучок на выходе оптического элемента 8 образует с его плоской гранью угол (зь Равный агс$1п (sing пг $1п (Q Q) со8 p $1п(Я + )> (3) где n — показатель преломления опг тических элементов 7 и 8; аналогичные соответственно оптическим элементам 7 и 8. Оптические элементы 5,8 и 13 механически жестко связаны с подвижным корпусом, а оптические элементы 6,7 и 14 — с неподвижным корпусом (корпусы не показаны). Данная схема при выполнении условия (1) позволяет компенсировать дисперсию угла отклонения в широком спектральном диапазоне при использовании известных оптических материалов с показателями преломления 1,71,8 для оптических элементов 5,6,13, 14 и 1,4-1,6 для оптических элементов 7 и 8. Следовательно, данная схема является предпочтительной для применения в системах с лазерами, излучающими на нескольких длинах волн, а также в осветительных системах.

Между соприкасающимися поверхностями оптических элементов 5-8 и 13,14 может быть введена иммерсионная жидкость, а телескопические системы 1,3 и 4,2 в каждом светозащитном корпусе могут быть выполнены в виде телескопических линз.

Шарнир работает следующим образом.

При повороте подвижного корпуса относительно неподвижного корпуса на угол 1р плоская грань оптического элемента 5 образует угол, равный углу q, с осью L неподвижного корпуса. Плоская грань оптического элемента 6 образует такой же угол с осью

Ь, подвижного корпуса (фиг. 1).

Оптический пучок на выходе оптического элемента 6 составляет с его плоской гранью угол Ч,„, который-определяется по формуле — угол между плоской гранью оптического элемента 6 и осью оптического пучка на

5 выходе указанного элемента, равный

P = arcsin sin 1 (n, — sin г г

cosg)) (4), 10 где и — показатель преломления оптических элементов 5 и 6.

С точностью до членов порядка Cf

f которыми можно пренебречь при углах о н отклонения до 20, уголь „„ прн и, 15 = и = 1,5 (для оптической схемы по фиг. 2 и 4) равен

24 (5) где углы q u q „„ выражены в радианной мере.

Погрешности оптического шарнира по схеме фиг. 2 и 4 при n, = и, 1,5, следовательно, равны

5

24 Геь к (6) где Г „„ — увеличение выходной телескопической системы, состоящей нз отрицательной 4

30 и положительной 2 линз.

Следовательно, максимальный угол поворота при n < = n = 1,5 и максимальной погрешности (для схем по фиг. 2 и 3) равен

24 >On (7)

51 вь|х

Дополнительное расширение диапазона углов поворота в 1,5 раза при за40 данной максимальной погрешности возможно путем изменения характера зависимости погрешности шарнира от угла поворота подвижного корпуса. Это достигается путем выбора показателей

45 преломления оптических элементов отличными от значений, полученных в приближении малых углов (т.е. в приближении линейной зависимости угла отклонения пучка от угла поворота подвижного корпуса). С учетом членов порядка (показатели преломления оптических элементов должны быть выбраны по формуле (1), в которой погрешность ц выражена в угловых секундах.

На фиг. 5 и 6 изображены графики зависимости погрешности шарнира (по схемам фиг. 2 и 4) от угла поворота подвижного корпуса 10 для случая

1432442

< вы, 0,2" „и п, = n рассчитанные по формулам (3) и (4) . Кривая 15 (фиг. 5) соответствует и, + по = 3, кривая 16 (фиг. 5) — n, + п = 2,998; кривая 17 .(фиг. 5) — n< + n = 2,996;

Э ,кривая 18 (фиг. 6) — и„+ и = 3; ,кривая 19 (фиг. 6) — n„+ и. = 2,99; кривая 20 (фиг. 6) — и, + nz = 2,98.

Горизонтальные пунктирные линии

21 и 22 (фиг. 5) проведены,соответств, венно на уровнях — ЬЦ„„= -9 и+а =

= +9, соответс-.вующих максимальной погрешности шарнира с п, + п = 2,996.

Точки пересечения пунктирной линии 22 с кривыми 15 и 17 определяют максимальный угол поворота подвижного корпуса соответственно при и, + по = 3 и n, + п = 2,996. B последнем слу чае максимальный угол поворота в 20

,1,57 раза больше, чем в первом, и сос,тавляет 9,2 . Линии 23 и 24 (фиг. 6) аналогичны соответственно линиям 21, и 22 (фиг. 5) и проведены на уровне ihg /f1 40 /для случая n, + n = 25

2 98. Максимальный угол поворота

) о, в этом случае составляет 20,4 и мо1 ! жет быть достигнут при заполнении ,:практически всей входной апертуры оп::тическим пучком. ЗО (Поскольку погрешность предлагаемого шарнира приводит только к отклонению оптического пучка от оси подвижного корпуса и не ухудшает парамет.ров самого пучка, для большинства применений допустимым значением nort решности является величина 5 . При этом максимальный угол поцорота подвижного корпуса достигает 30 . Укао занная погрешность может быть легко .учтена и скомпенсирована как при руч)

< ном, так и при автоматическом управ-. лении, поскольку в предлагаемом шарнире применяются жесткие механические связи и, следовательно, отсутствует мертвый ход.

Формула изобретения

1. Оптический шарнир, содержащий неподвижный и подвижный светозащитные корпуса с шарнирным сочленением и установленные соответственно в корпусах две положительные линзы, о тл и ч а ю шийся тем, что, с це лью повышения эффективности использования апертуры и исключения фокусировки излучения внутри шарнира, между положительньвги линзами и mapнирным сочленением соответственно ус3 тансвлены две отрицательные линзы, образующие с положительными линзами две телескопические системы, а в шарнирном сочленении установлена как минимум одна пара оптических элементов, один иэ которых механически жестко связан с неподвижным светозащитным корпусом, а другой — с подвижным светозащитным корпусом, причем один из оптических элементов в паре выполнен плосковогнутым, другой — плосковыпуклым, оптические элементы в паре соприкасаются неплоскими поверхностями, центры кривизны этих поверхностей совпадают с центром шарнирного сочленения, а показатели преломления оптических элементов удовлетворяют соотношению где К вЂ” порядковый номер пары оптических элементов; . N — число пар оптических элементов, Знак "+" перед круглой скобкой в левой части соотношения соответствует парам оптических элементов, в которых первый по ходу оптического пучка оптический элемент механически жестко связан с подвижным светоэащитным коопусом знак "-" перед скобкой соответствует парам оптических элементов, в которых первый по ходу оптического пучка оптический элемент механически жестко сзяэан " неподвижным светозащитным корпусом;

n — показатель преломления оптических элементов К-й пары;

Ац „„ — заданная максимальная погрешность шарнира в угловых секундах; в „ — увеличение телескопической системы, расположенной в подвижном светозащитном корпусе.

2. Шарнир по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью уменьшения потерь на отражение и упрощения изготовления, между соприкасающимися поверхностями указанных оптических элементов введена иммерснонная жидкость, а телескопические системы в каждом светозащитном корпусе выполнены в виде телескопических линз.

1432442

1432442

Составитель В.Кравченко

Техред Л.Олийнык

Редактор А.Козориэ

Корректор М.Пожо

Заказ 5436/38

Тираж 533

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб °, д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4