отражатель

Формула изобретения

1. Отражатель, содержащий установленные в ряды плоские отражающие элементы, соединенные между собой с возможностью придания отражателю заданной криволинейной формы посредством сгибания мест соединения элементов в рядах и размещенные на поддерживающем устройстве с возможностью фокусировки излучения, падающего на каждый элемент, в общем фокусе отражателя, отличающийся тем, что он выполнен вогнутым в едином исполнении со всеми составляющими его отражающими элементами, при этом места соединения элементов выполнены в виде двух несоприкасающихся углублений, размещенных на противоположных поверхностях, а поддерживающее устройство выполнено в виде подложки с базовой поверхностью заданной вогнутой формы.

2. Отражатель по п.1, отличающийся тем, что отражающие элементы выполнены прямоугольной или шестиугольной формы, при этом один из элементов расположен в центральной зоне отражателя и его центральная ось совмещена с центральной осью отражателя.

3. Отражатель по п.1, отличающийся тем, что в случае выпрямления поверхности отражателя до плоской углубления выполнены прямоугольной формы, при этом углубления на отражающей поверхности имеют меньшую ширину, чем углубления на противоположной отражающей поверхности.

4. Отражатель по п.1, отличающийся тем, что отражающие элементы прикреплены к базовой поверхности посредством адгезионного средства.

5. Отражатель по п.4, отличающийся тем, что адгезионное средство выполнено термостойким.

6. Отражатель по п.1, отличающийся тем, что отражающие элементы прикреплены к базовой поверхности герметично посредством герметизирующего средства, подложка выполнена с каналом и в него введено устройство создания вакуума в пространстве между отражающими элементами и базовой поверхностью, соединенное с вакуумируемым пространством через канал посредством трубопровода с регулирующими клапанами.

7. Отражатель по п.1 или 6, отличающийся тем, что в него введено по крайней мере одно корректирующее устройство, установленное в подложке с возможностью фиксации момента контакта отражающих элементов с базовой поверхностью.

8. Отражатель по п.5, отличающийся тем, что в качестве адгезионного средства использована вакуумная смазка.

9. Отражатель по п.6, отличающийся тем, что в качестве герметизирующего средства использована вакуумная смазка.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, гелиотехнике и светотехнике и может быть использовано в фокусирующих оптических системах при изготовлении криволинейных отражающих поверхностей, например при изготовлении оптических поверхностей зеркал, элементов адаптивной оптики, телескопов фацет гелиоконцентратора и т. д.

В настоящее время проблема создания относительно дешевых и быстро изготавливаемых фокусирующих оптических систем с криволинейной отражающей поверхностью встала достаточно остро.

Связано это с тем, что существующие фокусирующие оптические системы с криволинейной отражающей поверхностью предполагают выполнение такой поверхности либо посредством использования дорогостоящей, трудоемкой и длительной по времени технологии посредством ее предварительного формообразования одним из известных методов, например точением, и последующего шлифования, полирования и доводки формообразованной криволинейной поверхности, требующих специального высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования для обработки криволинейных поверхностей, а также высококвалифицированного персонала, специально обученного для работы с криволинейными поверхностями на таком оборудовании, либо, в случае использования плоских оптических элементов (фацет) для образования криволинейной поверхности, каждое из них выполняют с устройством регулировки положения соответствующих отражающих поверхностей этих оптических элементов (фацет) для образования криволинейной поверхности заданной формы, обеспечивающей фокусирование падающего на отражающую поверхность излучения в строго заданном участке пространства, что значительно удорожает и усложняет конструкцию фокусирующих оптических систем в целом.

Формообразование криволинейной отражающей поверхности с использованием плоских оптических элементов (фацет) посредством их наклеивания на формообразованную базовую поверхность является крайне трудоемким и не позволяет обеспечивать высокоточное размещение оптических элементов (фацет) друг относительно друга и относительно базовой поверхности, что значительно ухудшает фокусировку с их помощью падающего излучения в строго заданном участке пространства.

Известен гелиостат, содержащий основание, выполненное в виде азимутально-поворотной платформы с установленными на ней горизонтальными поворотными валами, и установленные на ней рядами зенитально-поворотные плоские фацеты, образующие круглое в плане зеркало, при этом фацеты каждого ряда закреплены на соответствующем валу с образованием фокусирующей зеркальной полосы, а полосы размещены с образованием зеркала Френеля (М. Кл. F 24 J 2/16, авт. свид. СССР N 1603151, 1988).

Недостатком известного технического решения является то, что в нем плоские фацеты выполняют с устройствами регулировки положения их соответствующих отражающих поверхностей для образования криволинейной поверхности заданной формы, обеспечивающей фокусирование падающего на отражающую поверхность излучения в строго заданном участке пространства, что значительно удорожает и усложняет конструкцию гелиостата в целом.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является концентрирующий отражатель в виде блюда, выполненный разборным из трехсторонних секций, размещенных на поддерживающем устройстве, и содержащий средство для подвешивания, установленное с возможностью стационарного размещения на нем нагреваемого предмета в фокусе отражателя, при этом каждая трехсторонняя секция выполнена из установленных в ряды плоских одинаковых треугольных или ромбовидной формы отражающих элементов, два из которых в каждом из последовательных рядов соединены основаниями своих треугольников между собой с возможностью придания секции плоской или заданной криволинейной формы в виде части сферы посредством сгибания- разгибания мест соединения рядов (М. Кл. G 02 В 5/10, F 24 J 2/10, патент Великобритании N 2264790, 1993).

Недостатком известного технического решения является то, что в нем для образования криволинейной поверхности необходимо наличие нескольких трехсторонних секций, выполненных из установленных в ряды плоских оптических элементов, причем придание заданной криволинейной формы каждой из секций может быть обеспечено только в случае отделения оптических элементов в каждом из рядов от оптических элементов другого прилегающего к нему ряда при сохранении связи между последовательными рядами в виде места сгиба-разгиба только между основаниями двух соседних треугольных оптических элементов в каждом из последовательных рядов. Такое техническое решение не позволяет получать криволинейные поверхности достаточно большой площади и с высокой кривизной поверхности с использованием только одного листа, составленного из плоских оптических элементов, а крепление отдельных рядов оптических элементов, составляющих трехстороннюю секцию, в месте сгиба-разгиба только между основаниями двух соседних треугольных оптических элементов в каждом из последовательных рядов, как и постоянное использование для придания формы плоской или сферической формы этих (одних и тех же) мест сгиба-разгиба делает всю конструкцию в целом мало прочной и недолговечной. Кроме того, придание заданной криволинейной (в рабочем состоянии) или плоской (в случае транспортировки) формы поверхности трехсторонней секции посредством сгибания-разгибания отдельных участков поверхности секции может быть достигнуто только при использовании тонколистовых материалов, легко деформируемых и обладающих высокой гибкостью. А использование тонких высокогибких материалов для создания отражающих поверхностей не может обеспечивать стабильную во времени и высокоточную фокусировку падающего излучения от таких отражающих поверхностей особенно при наличии возмущающих факторов (например ветровой нагрузки), причем сам тонкий высокогибкий материал плохо поддается высококачественной оптической обработке рабочей поверхности.

Еще одним существенным недостатком прототипа является то, что, как известно из практики, наиболее эффективное использование падающего на отражатель излучения при сведении его в единый фокус с обеспечением равномерного распределения плотности сфокусированного излучения по всей полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна может быть достигнуто только в случае использования в качестве элементов отражателя шестигранных или квадратных элементов. В то время как в случае использования в отражателе трехгранных отражающих элементов (как по прототипу) не обеспечивается достижение равномерного распределения плотности сфокусированного излучения по всей полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна. В случае использования в отражателе трехгранных отражающих элементов распределение плотности сфокусированного излучения по полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна представляет собой гауссовый тип распределения плотности излучения с наличием достаточно острого центрального пика и двух с разной пологостью склонов относительно центрального пика. Последнее не позволяет использовать отражатель по прототипу для различных типов лазерной обработки, особенно металлов, где требуется достижение равномерного распределения плотности сфокусированного излучения по всей полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна в виде верхнего основания трапеции.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение жесткости отражателя, а также качества и точности фокусировки его отражающей поверхности при повышении эффективности использования падающего излучения.

Новый технический результат достигается тем, что в отражателе, содержащем установленные в ряды плоские отражающие элементы, соединенные между собой с возможностью придания отражателю заданной криволинейной формы посредством сгибания мест соединения элементов в рядах и размещенных на поддерживающем устройстве с возможностью фокусировки излучения, падающего на каждый элемент, в общем фокусе отражателя, отражатель выполнен вогнутым в едином исполнении со всеми составляющими его отражающими элементами, при этом места соединения элементов выполнены в виде двух несоприкасающихся углублений, размещенных на противоположных поверхностях соответствующих мест соединения элементов с возможностью сгибания по ним мест соединения, а поддерживающее устройство выполнено в виде подложки с базовой поверхностью заданной вогнутой формы.

Отражатель может быть прикреплен к базовой поверхности посредством адгезионного средства.

Адгезионное средство может быть выполнено термостойким.

Отражающие элементы могут быть прикреплены к базовой поверхности герметично посредством герметизирующего средства, подложка выполнена с каналом, и в него введено устройство создания вакуума в пространстве между отражающими элементами и базовой поверхностью, соединенное с вакуумируемым пространством через канал посредством трубопровода с регулирующими клапанами.

В отражатель может быть введено по крайней мере одно корректирующее устройство, установленное в подложке с возможностью фиксации момента контакта отражающих элементов с базовой поверхностью.

В качестве адгезионного или/и герметизирующего средства может быть использована вакуумная смазка.

На фиг. 1 (в случае формирования вогнутой поверхности отражателя посредством избыточного давления), фиг. 2 (в случае формирования вогнутой поверхности отражателя посредством создания перепада давлений на его поверхностях) и фиг. 3 (первоначальный вид мест соединений плоских отражающих элементов в отражателе) представлены принципиальные схемы отражателя.

Отражатель 1 содержит установленные в ряды 2 плоские отражающие элементы 3, выполненные с ним в едином исполнении, соединенные между собой с возможностью придания отражателю 1 вогнутой формы 4 посредством сгибания мест соединения 5 элементов 3 прямоугольной или шестиугольной формы в рядах 2 и размещенные на подложке 6 с базовой поверхностью 7 заданной вогнутой формы с возможностью фокусировки излучения, падающего на каждый элемент, в общем фокусе F, при этом места соединения 5 элементов 3 выполнены в виде двух размещенных на противоположных поверхностях 8, 9 соответствующих мест соединения 5 элементов 3 с возможностью сгибания по ним мест соединения 5 несоприкасающихся углублений 10, 11, при этом отражающие элементы 3 прикреплены к базовой поверхности 7 посредством термостойкого адгезионного средства 12, причем один из элементов 3 расположен в центральной зоне отражателя и его центральная ось совмещена с центральной осью О" отражателя 1 (фиг. 1).

Отражатель 1 может быть прикреплен к базовой поверхности 7 герметично, подложка 6 выполнена с каналом 13, и в него введено устройство создания вакуума 14 в пространстве 15 между отражательными элементами 3 и базовой поверхностью 7, соединенное с вакуумируемым пространством 15 через канал 13 посредством трубопровода 16 с регулирующими клапанами 17, при этом в отражатель может быть введено по крайней мере одно корректирующее устройство 18, установленное в подложке 6 с возможностью фиксации момента контакта отражателя 1 с базовой поверхностью 7, а в качестве герметизирующего средства использована вакуумная смазка 19 (фиг. 2).

В случае выпрямления поверхности отражателя 1 до плоской поверхности 20 углубления 10, 11 могут быть выполнены прямоугольной формы 21, при этом углубления 10 на отражающей поверхности 22 имеют меньшую ширину, чем углубления 11 на противоположной отражающей поверхности 23 (фиг. 3).

Технология изготовления отражателя 1 является следующей.

По первому варианту (фиг. 1) одним из известных способов вырезают плоскую пластину с габаритными размерами, необходимыми для получения отражателя 1 заданной вогнутой формы 4, и выполненную из материала с высокими отражающими и гибкими свойствами, например из алюминия, меди, стали и т. д. или иного материала с высокоотражающим покрытием. Затем, одним из известных методов, например посредством токарной обработки, на обеих поверхностях 8, 9 пластины выполняют взаимно несоприкасающиеся углубления 10, 11, отделенные друг от друга перемычкой, достаточно тонкой для осуществления процесса прогибания пластины при прикладывании к ней необходимого избыточного давления. Причем на каждой из сторон пластины углубления 10, 11 наносят в виде сетки, например с взаимно перпендикулярными расположенными на одной стороне углублениями 10, 11, образующими одинаковые плоские отражающие элементы 3 в виде прямоугольников (частным случаем которого является квадрат), причем один из элементов 3 расположен в центральной зоне отражателя и его центральная ось совмещена с центральной осью O" отражателя 1. Форма элементов 3 может быть и иной в зависимости от взаимного расположения углублений на каждой из сторон, например в виде шестиугольника, ромба, треугольника, иного многоугольника и т. д. В соответствии с формой элементов 3 углубления 10, 11 в образованной ими сетке могут на каждой из сторон иметь отличное от взаимно перпендикулярного расположение, например взаимно наклонное в случае выполнения элементов 3 в виде шестиугольников, треугольников или ромбов. Однако задаче создания равномерного распределения плотности сфокусированного излучения по всей полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна, что является крайне необходимым при лазерной обработке, особенно металлов, отвечают отражающие элементы 3 преимущественно прямоугольной (квадратной) или шестиугольной формы.

Также, плоские отражающие элементы 3 могут иметь как одинаковые размеры, например, в случае, когда отражатель 1 изготавливают в виде части сферической формы поверхности, так и различные размеры, например, в случае, когда отражатель 1 изготавливают в виде части эллиптической или параболической формы поверхности. В последнем случае на участках поверхности отражателя 1 с меньшим радиусом кривизны поверхности размеры элементов 3 также желательно выполнять меньшего размера для обеспечения возможности более точной фокусировки падающего на их плоскую поверхность излучения в общем фокусе F и, наоборот, на участках поверхности отражателя 3 с большим радиусом кривизны размеры элементов 3 можно увеличивать без боязни сколько-нибудь заметного ухудшения точности фокусировки падающего на их плоскую поверхность излучения в общем фокусе F.

После чего, одним из известных методов шлифуют и полируют плоскую поверхность пластины до заданного класса оптической чистоты.

Параллельно готовят подложку 6 заданного под отражатель 1 габаритного размера с базовой поверхностью 7 заданной вогнутой формы 4 одним из известных методов, например посредством точения.

Перед операцией прогиба отражателя 1 на базовую поверхность 7 подложки 6 наносят адгезионное средство 12, например клей, преимущественно термостойкий, скрепляющий металлы. Затем отполированную пластину накладывают противоположной отражающей поверхности 23 стороной 22 на базовую поверхность 7 подложки 6, закрепляют их относительно друг друга и саму подложку 6, например с помощью специальной оправы, и прикладывают к отражающей поверхности 23 осесимметричную нагрузку, например в виде пуассона, рабочая поверхность которого имеет форму поверхности, ответную форме поверхности базовой поверхности 7 подложки 6, и которая в данном случае выступает в качестве матрицы. Осесимметричную нагрузку к отражающей поверхности 23 прикладывают до соприкосновения противоположной отражающей поверхности 23 стороны 22 с базовой поверхностью 7 подложки 6 и удерживают ее до затверждения адгезионного средства 12. При этом при соприкосновении отражателя 1 и базовой поверхности 7, а также в процессе затвердевания, адгезионное средство 12 заполняет деформированные в результате прикладываемой нагрузки углубления 11 на противоположной отражающей поверхности 23 стороне 22.

После чего пуассон отводят от отражателя 1, последний извлекают из оправы и используют по назначению.

С целью исключения повреждения отражающей поверхности 23 отражателя 1 при воздействии на нее осесимметричной нагрузки рабочую поверхность пуассона изготавливают с классом оптической чистоты и точностью изготовления не хуже класса оптической чистоты и точности изготовления отражающей поверхности 23 или предварительно перед прикладыванием осесимметричной нагрузки на отражающую поверхность 23 наносят последовательные слои из папиросной бумаги и обладающего демпфирующими свойствами материала, более мягкого, чем материал отражателя, например вакуумную резину, обеспечивающего сохранность оптических параметров отражающей поверхности 23 в течение всего времени воздействия осесимметричной нагрузки.

По второму варианту (фиг. 2) аналогичным описанному по первому варианту образом готовят отражатель 1 заданной вогнутой формы 4.

Параллельно готовят подложку 6 заданного под отражатель 1 габаритного размера с базовой поверхностью 7 заданной вогнутой формы 4 одним из известных методов, например посредством точения. В подложке протачивают сообщающийся канал 13, в котором устанавливают трубопровод 16 с регулирующими клапанами 17.

На базовую поверхность 7 может быть выведено по крайней мере одно корректирующее устройство 18, установленное с возможностью фиксации момента контакта отражателя 1 с базовой поверхностью 7.

Перед операцией прогиба отражателя 1 на базовую поверхность 7 подложки 6 наносят герметизирующее средство, преимущественно вакуумную смазку 19, хотя могут использоваться и другие широко известные вакуумуплотняющие материалы.

Затем отполированную пластину накладывают противоположной отражающей поверхности 23 стороной 22 на базовую поверхность 7 подложки 6, закрепляют их относительно друг друга и саму подложку 6, например с помощью специальной оправы, обеспечивающей поддержание герметичности в пространстве 15.

После чего к трубопроводу 16 подсоединяют устройство создания вакуума 14 и посредством регулирующего клапана 17 осуществляют вакуумирование пространства 15 между отражателем 1 и базовой поверхностью 7. Формообразование вогнутой поверхности заданной формы 4 отражателя 1 происходит за счет перепада давлений на поверхностях 22 и 23 отражателя 1 при таком вакуумировании пространства 15 между отражателем 1 и базовой поверхностью 7. По фиксации момента контакта отражателя 1 с базовой поверхностью 7, определяемого с помощью, например корректирующего устройства 18, осуществляют отключение устройства создания вакуума 14 непосредственно самого или с помощью, например, регулирующего клапана 17 и последующее отсоединение устройства создания вакуума 14 от трубопровода 16. После чего отражатель 1 с подложкой 6 извлекают из оправы и используют по назначению.

Удержание заданной формы 4 отражателя 1 после отключения и отсоединения устройства создания вакуума 14 осуществляют за счет поддержания герметичности в пространстве 15 между отражателем 1 и базовой поверхностью 7 посредством регулирующего клапана 17 или/и за счет затвердевания адгезионного (герметизирующего) средства 12, 19.

Фиксацию момента контакта отражателя 1 с базовой поверхностью 7 могут определять с помощью корректирующего устройства 18 и в случае изготовления отражателя 1 и по первому варианту (фиг. 1).

В качестве регулирующего клапана 17 используют, например, клапаны, представляющие собой электромагниты постоянного тока реверсивного действия (U = 12 В) ГОСТ 19264-82, открывающиеся и закрывающиеся по электрическому сигналу с корректирующего устройства 18. Могут быть использованы также клапаны с пневматическим или гидравлическим принципом действия.

Корректирующее устройство 18 может представлять собой, например, сигнальные контактные датчики типа КД.4-010 с чувствительностью срабатывания не хуже 10 Мг, либо сигнальные датчики, срабатывающие при замыкании электрической цепи в случае использования токопроводящего покрытия на противоположной отражающей поверхности 23 стороне 22 отражателя 1 при касании ее датчиками. Количество корректирующих устройств 18 может быть и большим чем одно, если необходимо обеспечить повышение точности заданной формы 4 отражателя 1 за счет более полного и точного прилегания всей поверхности отражателя 1 к базовой поверхности 7 подложки 6.

На фиг. 3 представлена конструкция плоского отражателя 1 до придания ему вогнутой формы одним из вышеописанных образом. При этом углубления 10, 11 преимущественно выполняют прямоугольной формы 21 таким образом, что углубления 10 на отражающей поверхности 22 имеют меньшую ширину в поперечном сечении, чем углубления 11 на противоположной отражающей поверхности 23. Следует отметить, что, когда в процессе изготовления отражатель 1 принимает вогнутую форму 4, углубления 10, 11 принимают форму, близкую к трапеции с меньшим основанием в сторону отражающей поверхности 22 отражателя 1. Однако, следует отметить, что форма углублений 10, 11 может быть и иная, чем прямоугольная, так же как могут быть и иными соотношения по ширине в поперечном сечении, чем приведенные выше, между углублениями 10, 11, лишь бы эти углубления 10, 11 обеспечивали необходимую степень прогиба и точность выполнения заданной формы 4 для отражателя 1.

Отражатель работает следующим образом.

Как видно из предложенной конструкции отражателя 1, его вогнутая в целом поверхность заданной формы 4 представляет собой множество плоских отражающих элементов 3, размещенных по вогнутой поверхности отражателя 1 таким образом, что отраженное от каждого из них падающее на отражатель 1 излучение переотражается в область F, представляющую собой общий фокус отражателя 1 для всех плоских отражающих элементов 3, равный половине радиуса отражателя 1 (или примерно половине радиуса базовой поверхности 7 подложки 2) в соответствии с заданным радиусом кривизны их формообразованной вогнутой поверхности.

Таким образом, за счет предложенного выше технического решения обеспечивается возможность с помощью плоских отражающих поверхностей (плоских отражающих элементов 3) обеспечивать сведение в единый фокус F всего потока излучения, падающего на отражатель 1, что значительно повышает технологичность и удешевляет процесс изготовления вогнутых поверхностей отражателей с их последующей шлифовкой, полировкой и финишной доводкой в вогнутом состоянии без сколько-нибудь заметного снижения их эффективности, которое за счет наличия на отражающей поверхности 22 отражателя 1 углублений 10 составляет не более 1%.

Предложенный отражатель позволяет обеспечивать равномерное распределение плотности сфокусированного излучения по всей полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна в виде верхнего основания трапеции за счет использования шестигранных или прямоугольных (квадратных) отражающих элементов, что в свою очередь позволяет также использовать его для различных типов лазерной обработки, особенно металлов, где в качестве непременного условия требуется создание именно равномерного распределения плотности сфокусированного излучения по всей полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна.

На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является:

1. Повышение жесткости отражателя не менее чем в 2 раза за счет выполнения отражателя в едином исполнении со всеми составляющими его отражающими элементами в виде жесткой конструкции, требующей для своего прогиба приложения значительной нагрузки или создания значительного перепада давлений на поверхностях отражателя.

2. Повышение качества и точности фокусировки отражающей поверхности отражателя не менее чем на 50% за счет выполнения отражателя в едином исполнении со всеми составляющими его отражающими элементами в виде жесткой конструкции и за счет придания отражателю на весь период его эксплуатации строго заданной формы вогнутой поверхности в соответствии с заданной формой базовой поверхности и, как следствие, за счет обеспечения возможности равномерного распределения плотности сфокусированного излучения по всей полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна.

3. Повышение равномерности распределения плотности сфокусированного излучения по всей полезной площади создаваемого отражателем фокусного пятна не менее чем на 50% за счет придания отражателю на весь период его эксплуатации строго заданной формы вогнутой поверхности в соответствии с заданной формой базовой поверхности и за счет использования шестигранных или прямоугольных (квадратных) отражающих элементов.

4. Повышение технологичности при удешевлении процесса изготовления вогнутых отражателей без сколько-нибудь заметного снижения их эффективности за счет обеспечения возможности с помощью плоских отражающих поверхностей обеспечивать сведение в единый фокус всего потока излучения, падающего на отражатель, без необходимости проведения работ по изготовлению одним из известных трудоемких методов, требующих очень высокой квалификации, вогнутых поверхностей отражателей с их последующей шлифовкой, полировкой и финишной доводкой в вогнутом состоянии.

В настоящее время в ГП "НПО АСТРОФИЗИКА" выпущена конструкторская документация на предложенный отражатель и изготовлены образцы таких отражателей в соответствии с предложенным выше техническим решением.