Привод подвижного зеркала интерферометра

ОПИ Е ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советскик Социалистическик Республик(72) Авторы изобретения Г. К. Кладов и Д, А. Шакуля Физико-технический институт низких температур АН Украинской ССР(54) ПРИВОД ПОДВИЖНОГО ЗЕРКАЛА ИНТЕРФЕРОМЕТРА Позиционирование деталей с точностью выше 0,1 мкм, которое необходимо 10для обеспечения работоспособности таких приборов, как лазеры, интерферометры Фабри-Перо, двухлучевые интерферометры, очень трудно обеспечитьпассивными средствами эа счет стабильных геометрических размеров,особенно в условиях вибраций. Этазадача особенно усложняется, еслиточное позиционирование необходимоосуществлять на большом расстоянии 20при каждом шаге перемещения подвижной детали.Такая задача возникает в Фурьеспектрометрии, когда подвижный отражатель должен перемещаться строго 25плоско-параллельно с минимальнымшагом Л 2.к и позиционироваться с точностьюЛ 2 О К,где Л - наименьшая длина волны в исследуемом излучении; 30 Изобретение относится к следящим системам с обратной связью, и может быть применено для плоско-параллельного перемещения и точного позиционирования подвижного зеркала интерферометра. К в коэффициент, зависящий отконструкции прибора, обычноК - 2,4.Полное перемещение зеркала зависит от разрешения прибора и можетсоставлять в современных приборах1-2 м,Известно электромагнитное устройство с магнитным перемещением, содержащее подвижной сердечник, вокругкоторого намотана катушка управления,пересекающая магнитное поле в прямолинейном Воздушном зазоре, образованном внутренним и внешним параллельными полюсными элементами противоположной полярности 1. Для обеспечения продольного перемещения сердечник поддерживается подшипниками испиральной пружиной,Устройство предназначено для небольших линейных перемещений, однако оно не обеспечивает достаточной точности перемещения и позиционирования, особенно в условиях вибрации.Достаточная точность позиционирования может быть обеспечена устройством, являющимся наиболее близким к изобретению 2, Привод подвижного зеркала интерферометра разделенна два канала: грубый, перемещающийкаретку, на которой закреплен подвижный отражатель (кошачийглазт)и точный, осуществляющий перемещение малого зеркала, кошачьего гла.заэ, либо. вспомогательного зеркала .введенного в одно из плеч интерферометра. Точный канал выполнен найьыезоэлементах. Сигнал рассогласования (разность между Фактическим положением зеркала и заданным) поступаетпараллельно на грубый и точный каналы-В мбмент стабилиэацйи оптическойразности хода.Устройство имеет сложную конструкцию: грубый канал регулирования выполнен в витде линейного двигателя,перемещение каретки которого происходит на масляной подушке, точный канал регулирования выполнен на пьезоэлементах, для работы его требуетсявысокое (порядка нескольких киловольт) напряжение, Это вызываеттрудности в управлении, особенно вусловиях вакуумирования, так как эточасто требуется для Фурье-спектрометров. Для демпфирования точного каналаиспользуется силиконовое масло, чтоприводит к сильной зависимости степени демпфирования от температуры.Кроме того, устройство имеет низкое общее быстродействие, обусловленное большой массой привода, а такжетем, что быстродействие точного канала не используется для быстрого пеФемещения,"так как все временные па раметры ойределяются работой грубогопрйвода.Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение быстродействия устройства.Это достигается тем, что устройст.во содержит пороговый элемент и закрепленный внутри корпуса полый цилиндр, внутри которого расположено подвижное зеркало интерферометра, а на периферийных участках цилиндрическойповерхности установлены постоянные магниты и входящие в их зазорысиловая катушка и катушка обратнойсвязи, соединенные между собой черезусилитель цепи обратной связии суммирующий усилитель, выход которогочерен порогоный элемент додклечен к - "Прйэеду йедеикнайКэреетккке оторавммеиенным на ней корпусом полого цилиндра.С целью повышения точности позици-онирования полый цилиндр подвешенвнутри корпуса на гибких элементах -диаФрагмах.На фиг. 1 изображена схема предлагаемого привода на фиг. 2 - конструкция магнитоэлектрической головки.Предлагаемый привод содержит неподвеижное зеркало 1, светоделитель 2,точный канал регулирования, магнитоэлектрическую головку 3, обеспечивающую точное регулирование положения подвижногоызеркала 4, и привод подвижной каретки - электродвигатель 5,обеспечивающий грубое регулированиеположения подвижного зеркала 4. Выходной сигнал интерферометра, поступающий со светоделителя 2, регистрируется блоком б Фотоэлектронных умножителей, выходы которого соединены через аналоговь(й ключ 7, управляемый от блока 8 управления, с корректирующим усилителем 9. Выход усилителя через суммирующий усилитель10 соединен с силовой катушкой 11магнитоэлектрической головки 3 и через пороговый элемент 12 и усилитель 113 - с электродвигателем 5 осущест 5 вляющим посредством пары винт 14 -гайка 15 грубое перемещение подвижного зеркала 4. Блок б, ключ 7,блок 8 и усилители 9, 10 и 16 входятодновременно в точный и в грубый ка налы.СущкируЮщий усилитель 10 вместе сусилителем 16 цепи обратной связиобразует цель обратной связи силовойкатушки 11 и катушки 17 обратной свя зи, Магнитоэлектрическая головка содержит полый цилиндр 18, подвешенный в корпусе 19 на упругой подвеске (например, диафрагмах 20), который допускает перемещение цилиндра18 только в продольном направленииНа периферийных участках цилиндра18 расположены две катушки - силовая11 и обратной связи 17, входящие вкольцевые зазорыпостоянных магнитов 21.Работа привода осуществляется следующим образом.По сигналу блока 8 управления корректирующий усилитель 9 вырабатываетпилообразное напряжение, поступающее40 затем на вход суммирующего усилителя 10, После соответствующего усиления зто напряжение прикладывается ксиловой катушке 11 магнитоэлектричес-кой головки 3.В зависимости от сигнала катушка11 втягивается или выталкивается иззазора магнита 21, перемещая полыйцилиндр 18 и вместе с ним подвижноезеркало 4. В зависимости от направ О ления перемещения катушка 17 такженачинает втягиваться или выталкивать=ся иэ зазора магнита 21 и в ней бу-,дет Наводиться ЭДС самоиндукции Е,величина которой пропорциональна скорости перемещения катушки 17 относительно корпуса устройства 19 магнитоэлектрической головки 3, т. е.сЗ(М-ХЫеЮйй 0 где Х - положение зеркала 4 вдольоптической оси прибора;Х 2 - положение корпуса вдоль оптической оси прибора.Корпус 19 магнитоэлектрической 65 головки 3, как правило, жестко соединен с основанием, например, парой винт 14-гайка 15, и имеет существенно большую по сравнению с зеркалом массу, поэтому колебания его вдоль оптической осн незначительны. Конструкция подвесок 20 обеспечивает 5 только одну степень свободы подвижного зеркала - перемещение вдоль оптической оси, Обеспечить большую жест-кость крепленуя подвижного зеркала невозможно, так как точный привод должен быть быстродействующим, безлюфтовым и безынерционным. В силу этих причинся с 3 х 4 - с 1 т, е, а а+15производная от перемещения зеркала относительно корпуса прибора пропорциональна производной от перемещения зеркала вдоль оптической оси прибо ра, и ее можно использовать цля стабилизации систеж управления приводом.Сигнал на выходе катушки обратной связи усиливается усилителем 16 и поступает на суммирующий усилитель 10. 25 Изменяя коэффициент усиления усилителя 16, можно в широких пределах Изменять степень демпфирования возникающих в магнитоэлектрической головке 3 колебаний. 34Сигналом для включения грубого канала регулирования является выходное напряжение суммирующего усилителя 10 точного привода, которое предварительно подается на пороговый элемент ц 12. Такое включение позволяет мак - симально испольэовать быстродействие точного канала для перемещения подвижного зеркала и существенно снизить требования к грубому каналу, задачей которого является следить, чтобы напряжение на выходе усилителя 10 находилось внутри эоны нечувствительнос" ти порогового элемента 12.По достижении заданной оптической разности хода усилитель 9 переводится 45 в режим фильтра низких частот и открывается аналоговый ключ 7. Этим включается обратная связь, и схема переходит в режим стабилизации оптической разности хода. 50Испытания опытного образца показали, что подбирая коэффициент усиления усилителя 16 (т. е. степень демпфи - рования колебаний), можно обеспечить высокий запас устойчивости и высокое 55 быстродействие привода.Выполнение привода подвижного зеркала интерферометра в соответствии с предлагаемой схемой позволит значительно (по сравнению с известным) ц улучшить параметры привода, Для его изготовления не требуется прецизионного оборудования и точной обработки,детали-недорогие,Осуществление точного регулирования с помощью магнитоэлектрическойголовки позволяет улучшить характеристики. привода". рабочая скорость увеличена с 40 мкм/сек до 100 мкм/сек,коэффициент передачи точного каналаь 2 10мкм/В до 3 мкм/В.упрощение грубого канала сталоаозможным благодаря тому, что длягочного перемещения используетсябыстродействующий точный канал, агрубый - лишь для возвращения с невысокой точностью (около 5 мкм) магнитоэлектрической головки в центрзоны работы точного канала. В опытном образце зона работы точного канала составляла 120 мкм от нейтрального положения. формула изобретения1. Привод подвижного зеркала интерферометра, содержащий грубый канал регулирования с приводом подвижной каретки и точный канал регулирования положения подвижного зеркала ин . терферометра, вход каналов регулирования соединен с выходом,интерферо- метра, а суммирующий усилитель каналов регулирования соединен с цепью обратной связи, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью упрощения и повышения быстродействия привода, он содержит пороговый элемент и закрепленный внутри корпуса полый цилиндр, внутри которого расположено подвижное зеркало интерферометра, а на периферийных участках цилиндрической поверхности установлены постоянные магниты и входящие в их зазоры силовая катушка и катушка обратной связи, соединенные между собой через усилитель цепи обратной связи и суммирующий усилитель, выход которого через пороговый элемент подключен к приводу подвижной каретки с размещенным на ней корпусом полого цилиндра.2, Привод по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности привода, полый цилиндр закреплен внутри корпуса на гибких элементах.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Заявка ФРГ 9 2147432,кл. Н 02 К 41/00, опубл. 1973.2. Жижин Г. Н. Инфракрасная аппаратура высокого разрешения. М., Мир,1972, с, 88 (прототип).