Оптический шарнир

ЗОБРЕТ ЛЬСТ СССР15.08.83. ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ С(56) Справочник конструктора оптикомеханических приборов,/Под ред. М.Я,Кругера и В.А.Панова. Л,: Машиностроение, 1968, с. 305.Авторское свидетельство У 112332, кл. С 02 В 27/00,(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 линзы 4 и .2, установленные в подвижном светозащитном корпусе, выходную телескопическую систему. Элементы 5и 6 механически жестко связаны соответственно с подвижным и неподвижным корпусами и обеспечивают отклонение оптического пучка при повороте подвижного корпуса относительно неподвижного, Элемент 5 выполнен плоско- вогнутым, 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"й верхностей элементов 5 и 6 обеспечи- э вает поворот в любой плоскости, т.е.устройство имеет две степени свободы.Приведена математическая зависимость, С связывающая показатели преломления оптических. элементов с заданной пог- ф ревностью устройства и увеличением выходной телескопической системы.Между соприкасающимися поверхностями элементов 5 и 6 может быть введена иммерсионная жидкость, а телескопические системы могут быть выполнены Вф в виде телескопических линз. 1 з.п.вф ф-лы, 6 ил.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 Офективности использования апертуры иисключение фокусировки излучения внут,ри шарнира, а также уменьшение потерь на отражение и упрощение изготовления. 1На фиг. 1 изображены оптическаясхема шарнира с одной парой оптичес, ких элементов, а также ход лучей приповороте подвижного корпуса;на. Фиг,2и 3 - то же, с двумя и тремя парщи 2 О ; оптических элементов соответственно;на фиг. 4 - оптический шарнир; на фиг. 5 и 6 - графики зависимости , погрешности шарнира от угла поворотаподвижного светозащитного корпуса.Оптический шарнир (фиг. 1) содер,жит положительные 1 и 2 и отрицатель ные 3 и 4 линзы а также установлен 9ные в шарнирном сочленении оптичес кие элементы 5 и 6. Положительная 1 3 О 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.Оптические 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 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 (Фиг2 и 4), в котором в шарнирном сочленении дополнительно установлены оптические элементы 7 и 8, симметричные соответственно элементам 6 и 7 относительно цент- ра 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 соотно- шению Е+Ь) = 1-з, 10 ,-юФ ДЦ)кГе , ф(1)где К - порядковый номер нары оптических элементов;М - число пар оптических элементов (в предыдущем варианте исполнения оптического шарнира на Фиг. 1 К =М = 1).Знак "+" перед круглой скобкой в левой части соотношения соответствует парам оптических элементов, в которых первый по ходу оптического пучка оптический элемент механическижестко 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.п - показатель преломления оп"тических элементов К-йпары;Ь - заданная максимальная погрешность шарнира в угловыхсекундах;ь- увеличение телескопическойсистемы 4 и 2, расположенной в подвижном светозащитном корпусе 10.Показатели преломления п 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( + - (24 5) и где углы уной мере. Погрешипо схеме1,5, сл25Щ ого шарнирап,=п,авны ости оптичефиг, 2 и 4 п овательно,30 1Цаа = аасааа ааавыхсозе)1,(2) Длтамина выхразуе1ЧВьх хсхемы иг. 2 оде оп с егоравный вьх агся 1 п сояядп(Я где пг - покатиче 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 1,7- 1,8 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, элучающими 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 уголплоская грань оптического элемента 5 образует угол, равный углу у , с осью Ь неподвижного корпуса. Плоская грань оптического элемен та 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 Чвь,х, который определяется по формуле показатель преломления оп тических элементов 5 и 6. 4 оптическими элемен) оптический пучокческого элемента 8 облоской гранью угол я 1 п ц -) (3) атель преломления опких элементов 7 и 8; угол между плоской граньюоптического элемента 6 и осью оптического пучка на 5 выходе указанного элемента,равный= агсяпядп ( и, - яьп Ч -гсоя), (4), 1 О где п - показатель преломления оптических элементов 5 и 6, С точностью до членов порядка ЧУ которыми можно пренебречь при углахо н отклонения до 20., уголеь,прн и, = пг = 1,5 (для оптической схемы по фиг. 2 и 4) равен Ивыражены в радиан 524 Ч Геых ) (6) где Г- увеличение выходной телескопической системы, состоящей нз отрицательной 4 и положительной 2 линз.Следовательно, максимальный угол поворота при и= пг = 1,5 и максимальной погрешности (для схем по фиг. 2 и 3) равен24 М3(75 Т вьхДополнительное расширение диапазона углов поворота в 1,5 раза при за данной максимальной погрешности возможно путем изменения характера зависимости погрешности шарнира от углаповорота подвижного корпуса, Это достигается путем выбора показателей 45 преломления оптических элементов отличными от значений, полученных вприближении малых углов (т.е. в приближении линейной зависимости углаотклонения пучка от угла поворота подвижного корпуса). С учетом членовпорядка ц показатели преломленияоптических элементов должны быть вы"браны по формуле (1), в которой погрешность ц выражена в угловых се кундах.На фиг. 5 и 6 изображены графикизависимости погрешности шарнира (посхемам фиг. 2 и 4) от угла поворотаподвижного корпуса 10 для случаяы 0,2" и и, = и рассчитанные по формулам (3) и (4). Кривая 15 (фиг. 5) соответствует и, + и = 3, кривая 16 (Фиг, 5) - и + и = 2,998; кривая 17 .(Фиг, 5) - и + и = 2,996;Ф ;кривая 18 (Фиг. 6) - и и = 3; ,кривая 19 (Фиг. 6) - и + и. = 2,99; кривая 20 (Фиг. 6) - и, + и = 2,98.Горизонтальные пунктирные линии 21 и 22 (Фиг. 5) проведены.соответст ,венно на уровнях - ЬЦ= -9 и+а(О = = +9 , соответствующих максимальной погрешности шарнира с и, + и = 2,996. Точки пересечения пунктирной линии 22 с кривыми 15 и 17 определяют максимальный угол поворота подвижного корпуса соответственно при и, + и = 3 и и, + и = 2,996. В последнем случае максимальный угол поворота в 20 ,1,57 раза. больше, чем в первом, и сос,тавляет 9,2 О. Линии 23 и 24 (Фиг, 6) аналогичны соответственно линиям 21 ,и 22 (фиг. 5) и проведены на уровне ,бац,11 40/для случая и, + и = 252 98. Максимальный угол поворота)о ,в этом случае составляет 20,4 и может быть достигнут при заполнении :,практически всей входной апертуры оптическим 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 погрешности является величина 5 . При этом максимальный угол поцорота подвижного корпуса достигает 30 . Укао занная погрешность может быть легко учтена и скомпенсирована как при ручном, так и при автоматическом управ-. лении, поскольку в предлагаемом шарнире применяются жесткие механические связи и, следовательо, отсутствует мертвый ход. Формула изобретения1. 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 щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности использования апертуры и исключения Фокусировки излучения внутри шарнира, между положительньнги линзами и шарнирным сочленением соответственно установлены 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 - плоско- выпуклым, оптические элементы в паре соприкасаются неплоскими поверхностями, центры кривизны этих поверхностей совпадают с центром шарнирного сочленения, а показатели преломления оптических элементов удовлетворяют соотношениюИ)к: вылгде К - порядковый номер пары оптических элементов;. И - число пар оптических элементов,Знак "е" 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 корпусом;знак "-" перед скобкой соответствует парам оптических элементов, в которых первый по ходу оптического пучка оптический элемент механически жестко связан с неподвижным свето- защитным корпусом;и - показатель преломления оптических элементов К-йпары;Ац - заданная максимальная погрешность шарнира в угловыхсекундах;Гщ - увеличение телескопическойсистемы, расположенной в подвижном светозащитном корпусе.2, Шарнир по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я 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 тель В.КРЛ Олиинык Сост енко ор М,По К ех Заказ 5436/3 одписно ВНИИПИ Г по дела113035, Москв графическое предприятие, г водственно роектная,род,Редактор А,Козори Тираж 533 рствеиного зобретений Ж, Рауш комитета СССи открытийкая наб, д.