Устройство для юстировки оптических элементов
Владельцы патента RU 2394259:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ - ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может быть использовано для прецизионной юстировки зеркал оптических резонаторов оптических квантовых генераторов (ОКГ). Изобретение направлено на повышение точности и чувствительности юстировки, уменьшение габаритов устройства, что обеспечивается за счет того, что устройство содержит корпус, основание для закрепления оптического элемента и регулировочные винты для его углового перемещения, установленные в корпусе. Согласно изобретению основание выполнено в виде винтовой пары, состоящей из обоймы и оправки, в последней размещен оптический элемент, винтовая пара кинематически установлена в корпусе через соосное ей промежуточное кольцо на радиальных опорах, выполненных в виде двух взаимно перпендикулярных пар, при этом одна пара упомянутых опор размещена одновременно в кольце и в обойме, а вторая пара - в корпусе и упирается во внешнюю поверхность кольца. При этом регулировочные винты установлены в корпусе в зонах, диаметрально противоположных имеющимся подпружиненным опорам, которые также расположены в корпусе и торцом упираются на поверхность кольца, а оптический элемент имеет возможность перемещения относительно основания, снабженного компенсатором положения, при помощи которого оптический элемент имеет возможность фиксации в отрегулированном положении. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может быть использовано для прецизионной юстировки зеркал оптических резонаторов оптических квантовых генераторов (ОКГ).
Известен аналог «Котировочное устройство». АС SU 337747, МПК G02B 7/18, 14.07.69 г., бюл. №15, 05.06.72 г. Юстировочное устройство-аналог для зеркал квантовых генераторов содержит рычажно-винтовой механизм с винтами грубой и тонкой регулировки положения подпружиненного основания относительно неподвижного корпуса. С целью повышения чувствительности юстировки основание шарнирно связано, по крайней мере, с одним дополнительным рычагом с резьбовыми отверстиями для винтов грубой и тонкой регулировки, установленных с возможностью проскальзывания их сферических торцов соответственно по опорным поверхностям корпуса и основания. К недостатку можно отнести сложность конструкции.
Наиболее близким является «Устройство для юстировки оптических элементов» АС SU №1138780, МПК G02B 7/18, 21.04.83, бюл. №5, 07.02.85 г. Устройство-прототип содержит основание для закрепления на нем оптического элемента, неподвижный корпус, промежуточный элемент, регулировочные винты поступательного перемещения и регулировочные винты углового перемещения. С целью уменьшения габаритов устройства промежуточный элемент выполнен в виде крестовины, где попарно установлены регулировочные винты. Конструкция проста в изготовлении и малогабаритна. Недостатками известного устройства является неудобное расположение регулировок, так как находится за юстируемым зеркалом и имеет ограниченный диапазон перемещений, что сужает область применения.
Задачей изобретения является создание надежного устройства, обеспечивающего прецизионную юстировку зеркал оптических резонаторов ОКГ с повышенной точностью и стабильностью юстировки оптических элементов, уменьшение габаритов устройства.
Техническим результатом заявленного устройства является создание надежной простой конструкции юстировочной оправы, обеспечивающей повышенную точность юстировки зеркал резонатора ОКГ при малых диапазонах перемещений и стабильной во времени. При этом:
1) диапазон угловой юстировки в вертикальной и горизонтальной плоскостях ±5 градусов;
2) чувствительность юстировки - 10 секунд;
3) диапазон перемещения зеркала в горизонтальном направлении вдоль оси резонатора ±15 мм;
4) точность перемещения вдоль оси резонатора - 1 мм/об оправки;
5) компактное объединение подвижек.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для юстировки оптического элемента, содержащем корпус, основание для закрепления оптического элемента, регулировочные винты для углового перемещения оптического элемента, установленные в корпусе, основание выполнено в виде винтовой пары, состоящей из обоймы и оправки, в последней размещен оптический элемент, винтовая пара кинематически установлена в корпусе через соосное ей промежуточное кольцо на радиальных опорах, выполненных в виде двух взаимно перпендикулярных пар, при этом одна пара упомянутых опор размещена одновременно в кольце и в обойме, а вторая пара - в корпусе и упирается во внешнюю поверхность кольца, при этом регулировочные винты установлены в корпусе в зонах, диаметрально противоположных имеющимся подпружиненным опорам, которые также расположены в корпусе и торцом упираются на поверхность кольца, а оптический элемент имеет возможность перемещения относительно основания, снабженного компенсатором положения, при помощи которого оптический элемент имеет возможность фиксации в отрегулированном положении. Обойма может иметь паз для возможности установки компенсатора положения. Компенсатор может быть выполнен в виде набора упругих пластин. Регулировочные винты могут быть выполнены в виде дифференциальной пары с расчетным шагом микрометрического хода подвижки. Оправка может быть снабжена отсчетным устройством. Отсчетное устройство может быть выполнено в виде линейной шкалы и указателя в виде риски.
Технические характеристики материала компенсатора, а именно фторопласта 4, следующие: предел прочности при растяжении 140-200 кгс/см2; при сжатии не менее 200 кг/см2; относительное удлинение 250-500%; плотность 2.1-2.3 г/см2 ТУ 6-05-810-76, что обеспечивает поддержку температурного перепада не более 2 градусов С, при этом повышается точность настройки оптической системы с возможностью мягкой и плавной доводки перемещения оправки до достижения стабильной во времени оптической длины резонатора с одновременной фиксацией положения оправки после юстировки.
Регулировочные винты установлены на основании корпуса в зонах, диаметрально противоположных имеющимся подпружиненным опорам, которые также расположены на основании корпуса и торцом упираются на поверхность, при этом основание корпуса кинематически связано с винтовой парой. Новое расположение регулировочно-юстировочных механизмов углового перемещения и винтовой пары непосредственно на основании корпуса позволяет уменьшить габариты юстировочного устройства.
Компактное объединение в одной конструкции юстировочного устройства указанных подвижек делает возможным проведение одновременной юстировки во взаимно перпендикулярных направлениях как угловых, так и прямолинейных вдоль оси резонатора перемещений юстируемой оптики, при этом обеспечивается надежная с повышенной точностью и чувствительностью фокусировка и фиксированная настройка оптических зеркал оптических резонаторов ОКГ в условиях перепадов температур и внешних воздействий.
Наличие в конструкции винтовой пары в виде обоймы и оправки с установленным юстируемым оптическим элементом обеспечивает продвижение с минимальным трением скольжения по образующим контактирующим поверхностям компенсатора, установленного в пазу обоймы, перемещая в горизонтальном направлении вдоль оси резонатора в полном диапазоне микрометрического хода с шагом h=1 мм/об оправки, плавно осуществляя прецизионную юстировку оптического зеркала, при этом сохраняя стабильность оптической длины установки резонатора. Для удобства считывания контрольная точность юстировки оправки измеряется на отсчетной шкале, нанесенной на барабане оправки в виде контрастных штрихов.
Отсчет делений производится по положению риски на оси корпуса обоймы и совмещению со штрихом шкалы на барабане оправки с оценкой доли деления визуально. Цена деления составляет 1,44 мм.
Точность регулировки диапазона угловой юстировки во взаимно перпендикулярных плоскостях осуществляется двумя регулировочными винтами с подпружиненными опорами, что конструктивно просто, удобно и надежно. Повышенная точность и плавность подвижек регулировочных винтов обеспечивается дифференциальной винтовой парой.
На фиг.1 показан разрез А-А устройства, на фиг.2 - вид сверху, на фиг.3 - разрез Б-Б, где
1 - корпус;
2 - обойма;
3 - оправка;
4 - кольцо;
5 - подпружиненная опора;
6 - регулировочный винт;
7 - радиальная опора;
8 - оптический элемент;
9 - компенсатор;
10 - фиксатор;
11 - гайка;
12 - винт;
13 - прокладка;
14 - цанговый зажим;
15 - стержень.
Резонатор состоит из двух плоских параллельных зеркал, находящихся на определенном расстоянии одно от другого и соединенных посредством стержней 15. Стабилизатор может быть выполнен в виде 4-х стержней из сплава с небольшим коэффициентом линейного расширения К=1,6·10-6 1/°C, расположенных вдоль оптической оси резонатора, тем самым обеспечивается стабильность длины резонатора в пределах 0,015 мм и поддержка температурного перепада не более 2 градусов С, при этом сохраняется повышенная точность настройки оптической системы задающего генератора (ЗГ).
Устройство для юстировки оптических элементов резонатора базируется на оптической скамье, обеспечивая прочность и устойчивость от воздействия внешних факторов и перепадов температур при эксплуатации.
Устройство для юстировки оптических элементов (фиг.1) содержит корпус поз.1 из конструкционной стали 45 для монтажа на нем коаксиально с осью резонатора винтовой пары, состоящей из обоймы поз.2 и оправки поз.3. Через промежуточное кольцо поз.4 винтовая пара поз.2 и поз.3 кинематически связана с корпусом поз.1 юстируемого устройства и установлена на радиальных взаимно перпендикулярных опорах поз.7. В оправку поз.3 на упругую кольцевую прокладку поз.13 устанавливается юстируемый оптический элемент поз.8 и упруго поджимается до упора в прокладку гайкой поз.11. Наличие в конструкции винтовой пары в виде обоймы поз.2 и расположенной в ней оправки поз.3 с установленным в ней юстируемым оптическим элементом поз.8 обеспечивает продвижение с минимальным трением скольжения вдоль корпуса обоймы и контактирующих поверхностей компенсатора поз.9, позволяет выполнить их относительное перемещение в горизонтальном направлении в полном диапазоне микрометрического хода с шагом h=l мм/об, плавно, без рывков, осуществить прецизионную юстировку оптического зеркала, и достичь определенное положение оптического элемента поз.8 в оптической схеме резонаторной установки. Регулировку усилия вращения осуществляют поджимом винтов поз.10, 7, при этом люфты в местах контакта винтов не допускаются.
Регулировочные винты поз.6 установлены во взаимно перпендикулярных плоскостях относительно оправки поз.3. Юстировку углового положения оптического элемента поз.8 по двум взаимно перпендикулярным плоскостям в пределах диапазона угловой юстировки производят путем попеременного вращения регулировочных винтов поз.6, расположенных в корпусе поз.1 в местах, диаметрально противоположных имеющимся подпружиненным опорам поз.5, торцом упирающихся на поверхность кольца поз.4 и обоймы поз.2 с оправкой поз.3. соответственно, при этом поворот оправки поз.3 происходит вокруг радиальных взаимно перпендикулярных радиальных опор поз.7. соответственно. Выставленное угловое положение оптического элемента поз.8 стопорится фиксатором поз.10, обеспечивая жесткое соединение. При этом чувствительность угловой юстировки составляет ~10 секунд. Все резьбовые соединения предохраняются от самоотвинчивания и проворачивания. Достигается это использованием набора упругих компенсирующих деталей поз.9, фиксатором поз.10 и цанговым зажимом поз.14 в регулировочных винтах поз.6, что позволяет работать юстировочной системе стабильно, предохраняя от разъюстировки оптической системы при эксплуатации и сохраняя при этом плавность и точность регулировок.
Поджатие с помощью подпружиненной опоры поз.5 дополнительно используется для получения в резьбовых соединениях дополнительных сил трения во избежание перекосов в направляющих винтовой пары при их перемещении относительно друг друга. Малые линейные перемещения достигаются применением резьбы в регулировочных винтах поз.6 треугольного профиля с мелким шагом h=0,5 мм и дифференциального резьбового механизма, необходимые для плавной высокочувствительной юстировки оптического элемента поз.8 резонаторной установки.
Устройство работает следующим образом.
В оправку поз.3 на прокладке поз.13 устанавливается юстируемый оптический элемент поз.8 и упруго поджимается гайкой поз.11. Винтовая пара, состоящая из оправки поз.3 с оптическим элементом поз.8, установленная в обойму поз.2, крепится к корпусу поз.1 через промежуточное кольцо поз.4 посредством радиальных взаимно перпендикулярных осевых опор поз.7. Управление угловыми поворотами оптического элемента поз.8 осуществляется вручную путем плавного вращения регулировочных винтов поз.6 по двум взаимно перпендикулярным направлениям, совершая винтовое регулировочное движение, разворачивая в заданном угловом направлении обойму поз.2 с оправкой поз.3 вокруг радиальных взаимно перпендикулярных опор поз.7 относительно оси резонатора до определенного положения. Выставленное положение стопорится цанговым зажимом поз.14. Регулировка усилия вращения регулировочных винтов поз.6 осуществляется вручную, плавно, без резкого возрастания усилия, люфтов и заклинивания на контактирующих поверхностях. Точность регулировки углового поворота осуществляется в пределах микрометрического хода регулировочных винтов с шагом h=0,5 мм и составляет ~10 секунд. Регулировка усилия вращения винтов поз.6, достаточного для разворота оптики вокруг радиальных опор поз.7, осуществляется подпружиненными опорами поз.5 с одновременной выборкой зазора в местах контактирующих поверхностей за счет упругой деформации пружинок в опорах поз.5.
Юстировка положения вдоль оси резонатора оптического элемента поз.8 осуществляется поступательным движением оправки поз.3 в обойме поз.2 посредством ее одновременного вращения. Регулировка усилия вращения осуществляется вручную фланцем оправки с прямым рифлением, без рывков и заеданий контактирующих поверхностей. Отсутствие заклинивания на смазанных поверхностях направляющих движения поз.3, 6, 9 и выбор материалов для их изготовления, а именно с одинаковым коэффициентом линейного расширения для конструкционной стали 45, делают юстировочное устройство износостойким. А возможность поджатия оправки поз.3 и компенсатора поз.9 относительно друг друга и выборка возможного зазора обеспечивают стабильность настройки и устойчивость оптической системы резонатора в отъюстированном положении.
Данное юстировочное устройство для юстировки оптических зеркал оптического резонатора конструктивно обеспечивает повышение точности в малых угловых диапазонах настройки зеркал. Конструкция компактна, проста в управлении и безопасна в работе. Все резьбовые соединения устройства предохраняются от самоотвинчивания и проворачивания, что позволяет работать юстировочной системе стабильно при нагрузках. Поджатия с помощью подпружиненных опор поз.5 используются для устранения люфтов и получения в резьбовых соединениях дополнительных сил трения во избежание перекосов и заклинивания при юстировке.
Компактное объединение в одной конструкции юстировочной оправы указанных подвижек делает возможным совмещение юстировок, обеспечивая прецизионную регулировку во взаимно перпендикулярных угловых поворотах юстируемой оптики и прямолинейных перемещений вдоль оси резонатора, при этом обеспечивается надежная с повышенной точностью фокусировка и настройка оптических зеркал оптического резонатора ОКГ.
Такая конструкции юстировочного устройства позволяет скомпенсировать и сглаживать все оптико-механические и конструктивные неточности, некачественность обработки и сборки, температурные перепады окружающей среды. Конструкция надежна, исключает разъюстировку оптической системы, износостойка и безопасна при эксплуатации.
Конструкция компактна, имеет сравнительно небольшие габариты за счет внешнего расположения регулировочных механизмов и возможность регулировки в труднодоступных местах, удобна в работе.
Предлагаемое устройство для юстировки промышленно применимо. В настоящее время уже изготовлен опытный образец, который выдержал испытания в соответствии с установленными требованиями.
1. Устройство для юстировки оптического элемента, содержащее корпус, основание для закрепления оптического элемента, регулировочные винты для углового перемещения оптического элемента, установленные в корпусе, отличающееся тем, что основание выполнено в виде винтовой пары, состоящей из обоймы и оправки, в последней размещен оптический элемент, винтовая пара кинематически установлена в корпусе через соосное ей промежуточное кольцо на радиальных опорах, выполненных в виде двух взаимно перпендикулярных пар, при этом одна пара упомянутых опор размещена одновременно в кольце и в обойме, а вторая пара - в корпусе и упирается во внешнюю поверхность кольца, при этом регулировочные винты установлены в корпусе в зонах, диаметрально противоположных имеющимся подпружиненным опорам, которые также расположены в корпусе и торцом упираются на поверхность кольца, а оптический элемент имеет возможность перемещения относительно основания, снабженного компенсатором положения, при помощи которого оптический элемент имеет возможность фиксации в отрегулированном положении.
2. Устройство для юстировки оптического элемента по п.1, отличающееся тем, что обойма имеет паз для возможности установки компенсатора положения.
3. Устройство для юстировки оптического элемента по п.1, отличающееся тем, что компенсатор выполнен в виде набора упругих пластин.
4. Устройство для юстировки оптического элемента по п.1, отличающееся тем, что регулировочные винты выполнены в виде дифференциальной пары с расчетным шагом микрометрического хода подвижки.
5. Устройство для юстировки оптического элемента по п.1, отличающееся тем, что оправка снабжена отсчетным устройством.
6. Устройство для юстировки оптического элемента по п.5, отличающееся тем, что отсчетное устройство выполнено в виде линейной шкалы и указателя в виде риски.
