ITTO20090640A1 - Dispositivo di trasporto ottico preferibilmente miniaturizzato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO DI TRASPORTO OTTICO PREFERIBILMENTE MINIATURIZZATOâ€

La presente invenzione à ̈ relativa a un dispositivo ottico preferibilmente miniaturizzato per applicazioni spaziali o terrestri.

In applicazioni spaziali, come ad esempio per missioni di esplorazione sul pianeta Marte, sono impiegati dispositivi ottici ad esempio per eseguire analisi stratigrafiche del sottosuolo. Un dispositivo adatto a svolgere tali analisi e ad essere inviato sul pianeta deve essere sia compatto per aumentare lo sfruttamento del vano di trasporto nel vettore spaziale che integrato in modo che le analisi stratigrafiche siano facilmente e completamente automatizzabili e comandati a distanza.

In applicazioni terrestri, un dispositivo di trasporto ottico può essere impiegato per svolgere analisi sia stratigrafiche che più in generale spettrometriche in numerosi siti. In particolare, à ̈ possibile prevedere applicazioni nell’analisi stratigrafica spettrometrica per ricercare idrocarburi oppure per verificare la presenza nel sottosuolo di minerali dannosi, come l’amianto, durante scavi preliminari di grandi opere, ad esempio di trafori stradali o ferroviari. Alternativamente, à ̈ possibile applicare teste ottiche per l’analisi spettrometrica delle acque e/o delle discariche per verificare, specialmente in quest’ultimo caso, se sono presenti materiali tossici indebitamente accumulati anche dopo che la discarica à ̈ stata chiusa e coperta.

Per le applicazioni terrestri à ̈ requisito importante la miniaturizzazione dei dispositivi, che consente l’integrazioni in sonde o utensili di trivellazioni in modo che gli interventi siano poco invasivi. Pertanto à ̈ possibile sia ridurre i costi che l’impatto ambientale degli interventi di analisi e verifica. E’ inoltre importante che i componenti che trasportano il fronte d’onda ottico siano montabili in modo particolarmente preciso in modo da ridurre le aberrazioni.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ di realizzare un dispositivo di trasporto ottico in grado di soddisfare almeno parzialmente le esigenze sopra specificate.

Lo scopo della presente invenzione viene realizzato tramite un dispositivo di trasporto ottico secondo la rivendicazione 1.

L’invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano degli esempi di attuazione non limitativi, in cui:

- le figure da 1 a 3 sono rispettivi schemi ottici implementati in una testa ottica secondo la presente invenzione;

- le figure 4 e 5 sono viste prospettiche di due componenti di una testa ottica secondo la presente invenzione; e

- la figura 6 Ã ̈ una vista prospettica dei due componenti delle figure 4 e 5 assemblati.

In figura 1, à ̈ illustrato lo schema un circuito ottico atto ad essere realizzato in un dispositivo di trasporto ottico montato all’interno di un utensile di trivellazione, ad esempio una testa di trivellazione.

In particolare, il dispositivo ottico definisce un percorso ottico di illuminazione che riceve un fascio di raggi aventi una frequenza preferibilmente ma non esclusivamente nel visibile e vicino infrarosso, e un percorso ottico di ricezione che restituisce un segnale atto ad essere processato ad esempio da uno spettrometro (non illustrato) per eseguire un’analisi stratigrafica.

Ciascun percorso ottico definisce una coppia di punti coniugati e in particolare, nel punto oggetto del percorso di illuminazione viene disposta una fibra ottica che guida il fascio di raggi luminosi e un punto immagine esterno all’utensile di trivellazione. Corrispondentemente, il punto oggetto del percorso di ricezione si trova all’esterno dell’utensile di trivellazione e preferibilmente in prossimità del punto immagine del circuito di illuminazione, e il punto immagine del percorso di ricezione si trova all’interno dell’utensile di trivellazione e viene prelevato da una seconda fibra ottica collegata allo spettrometro.

La figura 1 illustra lo schema del percorso ottico di illuminazione 1, il quale definisce un punto oggetto 2 illuminato preferibilmente ma non esclusivamente tramite una fibra ottica (non illustrata), un semi-specchio primario 3 concavo, uno specchio secondario 4 convesso, un semi-specchio primario 5 disposto in serie allo specchio secondario 4 e uno specchio di deviazione 6 disposto per proiettare un punto immagine 7 oltre una finestra 8 preferibilmente realizzata di vetro zaffiro.

In particolare, a partire dal punto oggetto 2, il semi-specchio primario 3, lo specchio secondario 4, il semi-specchio primario 5 e lo specchio di deviazione 6 sono in serie e un asse ottico A del semi-specchio primario 3 e dello specchio secondario 4 coincidono.

L’asse ottico A interseca il semi-specchio primario 3 in un punto 9, detto vertice e la distanza lungo una direzione parallela all’asse ottico A, detta braccio, del punto immagine 7 in combinazione con l’ingrandimento dipendono dal braccio del punto oggetto 2 e dal semispecchio primario 5.

In particolare, allo scopo di ottenere un percorso ottico realizzato in un dispositivo particolarmente compatto, cioà ̈ avente specchi ravvicinati fra loro, e allo stesso tempo mantenere sia ingrandimenti vicini e preferibilmente inferiori all’unità che un braccio relativamente elevato del punto immagine 7 allo scopo di poter illuminare un punto all’esterno dell’utensile di trivellazione, del semi-specchio primario 5 à ̈ uno specchio concavo e presenta un raggio di curvatura inferiore a quello del semi-specchio primario 3 in valore assoluto. Inoltre, lo specchio secondario 4 presenta un valore assoluto del raggio di curvatura inferiore sia a quello del semi-specchio primario 3 che a quello del semi-specchio primario 5.

Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il semi-specchio primario 3 e il semispecchio primario 5 sono realizzati su un medesimo supporto 10 (figura 5) e presentano entrambi un raggio di curvatura costante, gli specchi sono pertanto porzioni di una superficie sferica e presentano un piano tangente in comune passante per il vertice 9. Inoltre, l’area di interfaccia fra il semi-specchio primario 3 e il semi-specchio primario 5 presenta un opportuno raccordo per ridurre al minimo fenomeni di diffusione del fascio luminoso quando i raggi sono riflessi.

L’elemento di deviazione 6 modifica la posizione spaziale del punto immagine 7, nell’esempio illustrato in modo che la distanza del punto immagine 7 dall’asse ottico A sia maggiore rispetto a quella del punto oggetto 2. Preferibilmente, il punto immagine 7 si trova all’esterno oppure sulla superficie esterna della finestra 8 quando viene considerato un piano perpendicolare all’asse ottico A e contenente il punto immagine 7. La finestra 8 presenta un contributo di aberrazione cromatica trascurabile e viene prevista in applicazioni dove agenti contaminanti possono danneggiare il dispositivo che realizza il percorso ottico 1. In particolare, lo specchio di deviazione 6 à ̈ piano e svolge la funzione di deviare la luce attraverso la finestra 8, la quale viene supportata da una parete laterale dell’utensile di trivellazione.

La figura 2 illustra schematicamente un percorso di ricezione 11 avente un punto oggetto 12 prossimo al punto immagine 7 all’esterno dell’utensile di trivellazione, e comprendente, in serie a partire dal punto oggetto 12, un elemento ottico attivo 13, un semi-specchio primario 14 concavo e uno specchio secondario 15 convesso. il semispecchio primario 14 e lo specchio secondario 15 sono preferibilmente sferici e presentano un medesimo asse ottico B parallelo all’asse ottico A del percorso di illuminazione 1. Nella presente descrizione e nelle rivendicazioni l’espressione †̃elemento ottico attivo’ si riferisce a uno specchio avente una curvatura tale da modificare la forma del fronte d’onda della radiazione riflessa.

In particolare, lo specchio secondario 15 presenta un valore assoluto del raggio di curvatura inferiore a quello del semi-specchio primario 14. Inoltre, sia il semispecchio primario 14 che quello secondario 15 sono preferibilmente sferici e i raggi riflessi dallo specchio secondario 15 sono raccolti da uno semi-specchio primario 16 che definisce un punto immagine 17 in corrispondenza del quale viene preferibilmente ma non esclusivamente disposta un’estremità di una fibra ottica (non illustrata) per prelevare il segnale e guidarlo verso un dispositivo di elaborazione, ad esempio uno spettrometro. il semi-specchio primario 16 presenta lo stesso raggio di curvatura e lo stesso asse ottico B del semi-specchio primario 14.

Preferibilmente, sia il percorso ottico di illuminazione 1 che quello di ricezione 11 sono realizzati tramite specchi in modo da non presentare alcuna aberrazione cromatica, cioà ̈ in modo da poter impiegare sui percorsi ottici raggi aventi frequenze differenti con impatti trascurabili sulla precisione del posizionamento del punto immagine in funzione della frequenza dei raggi incidenti.

La figura 3 illustra schematicamente l’inviluppo delle traiettorie dei raggi luminosi lungo i percorsi ottici 1 e 11. In particolare, il percorso di illuminazione 1 à ̈ accoppiato a una fibra ottica avente un diametro superiore a quello della fibra ottica accoppiata al percorso di ricezione 11 in modo da definire un’area illuminata avente una dimensione maggiore rispetto all’area rilevata dal punto oggetto del percorso di ricezione. Inoltre, allo scopo di concentrare maggiormente l’energia per illuminare l’area che circonda il punto oggetto 12, il rapporto di ingrandimento del percorso di illuminazione à ̈ inferiore all’unità, cioà ̈ i raggi di illuminazione sono concentrati nell’area circostante al punto oggetto 12. Preferibilmente, la posizione del punto oggetto 12 giace su una superficie S interna del foro realizzato mentre l’utensile di perforazione avanza all’interno di un terreno da analizzare. In particolare, l’utensile di perforazione presenta un asse di rotazione C preferibilmente distanziato dagli assi ottici A, B. Teoricamente, la superficie S coincide con la superficie cilindrica individuata dal diametro massimo di taglienti 18 dell’utensile di trivellazione, il cui involucro esterno à ̈ indicato con il numero 19 e viene illustrato schematicamente sempre in figura 3.

Le figure 4, 5 e 6 e illustrano un dispositivo di trasporto ottico 20 di incorporante i percorsi ottici 1 e 11 e due componenti di quest’ultimo.

In particolare, gli specchi 3, 4, 5, 6, 13, 14, 15, 16 sono realizzati in modo monolitico su un relativo supporto, cioà ̈ un blocco viene lavorato direttamente per asportazione di materiale, ad esempio per asportazione di truciolo con una macchina a diamante a singolo punto, per conformare e ottenere le superfici pronte all’uso degli specchi sopra descritti a bordo di un’unica macchina. In questo modo la posizione degli specchi à ̈ fissa e precisa quando i supporti sono collegati fra loro e ciò mantiene una elevata fedeltà delle immagini analizzabili tramite il dispositivo ottico 20 e compatibilmente malgrado le ridotte dimensioni. Inoltre, ciascun supporto può essere realizzato di materiali aventi un coefficiente di espansione termica sostanzialmente uguale oppure da una combinazione di materiali aventi coefficienti di dilatazione termica differenti ma in grado di compensarsi reciprocamente in modo che il dispositivo ottico 20 presenti complessivamente una dilatazione termica uniforme nelle tre direzioni ortogonali e tale da impattare in modo minimo sulla posizione reciproca degli specchi.

La figura 4 mostra un corpo monolitico 21 realizzato preferibilmente di alluminio e definente l’elemento di deviazione 6, il semi-specchio primario 16 e gli specchi secondari 4, 15. Il corpo monolitico 21 comprende una testa 22 e una parete di riferimento 23 definente una superficie piana 24 rispetto alla quale la testa 22 à ̈ aggettante. Il corpo monolitico 21 definisce un foro 25 che attraversa la testa 22 e presenta un asse D parallelo alla superficie piana 24. In particolare, il foro 25 prosegue anche lungo la parete di riferimento 23 sulla quale definisce un’impronta 26 rettilinea avente una sezione trasversale ad arco di circonferenza.

La testa 22 presenta un ingombro sostanzialmente parallelepipedo e definisce una superficie 27 perpendicolare all’asse D e adiacente alla superficie piana 24, un recesso 28 delimitato da superfici rettilinee aventi generatrici perpendicolari all’asse D e una superficie piana 29 contrapposta alla superficie 27 rispetto al recesso 28.

Rispetto alla superficie 27 sono aggettanti le superfici convesse che definiscono gli specchi secondari 4, 15. All’interno del recesso 28 sono aggettanti due elementi definenti l’elemento di deviazione 6 e il semi-specchio primario 16.

La testa 22 definisce inoltre una primo e un secondo foro passante 30, 31 aventi rispettivi assi paralleli all’asse D e giacenti sui punti oggetto 2 e immagine 17. Gli assi ottici A, B, i rispettivi centri attorno ai quali sono ruotate nello spazio le superfici che definiscono l’elemento di deviazione 6 e il semi-specchio primario 16 e gli assi dei fori 30, 31 sono complanari a rispettivi piani preferibilmente paralleli fra loro.

In figura 5 viene illustrata una base 35 comprendente una flangia 36 di fissaggio e un supporto 37 uscente perpendicolarmente dalla flangia 36 e avente una sezione trasversale sostanzialmente parallelepipeda. Il supporto 37 presenta un’impronta 38 rettilinea perpendicolare alla flangia 36 e avente una sezione trasversale ad arco di circonferenza. Inoltre, la flangia 36 delimita una faccia 39 aggettante rispetto a una superficie piana 40 del supporto 37 sulla quale à ̈ ricavata l’impronta 38. La flangia 36 definisce inoltre un foro passante 41 coassiale all’impronte 38.

Da parte longitudinale opposta della flangia 36, il supporto 37 definisce il semi-specchio primario 3, l’elemento ottico attivo 6, il semi-specchio primario 14 e il semi-specchio primario 16. La figura 6 illustra il gruppo monolitico 21 e la base 35 assemblate assieme. In particolare, le superfici piane 24 e 40 definiscono un riscontro calibrato che definisce la posizione relativa fra gli specchi in 3 gradi di libertà. Inoltre, le impronte rettilinee 25 e 38 sono accoppiabili a una spina (non illustrata) configurate in modo tale da bloccare i rimanenti 3 gradi di libertà. In particolare, due gradi di libertà sono bloccati per l’accoppiamento di forma fra la spina, il foro 25, il foro 41 e le impronte rettilinee 25 e 38. L’ultimo grado di libertà, quello cioà ̈ dalla traslazione parallelamente agli assi A, B, D à ̈ bloccato grazie ad opportune viti di fissaggio fra la parete di riferimento 24 e il supporto 37. Il riscontro per definire in modo preciso la posizione relativa della corpo monolitico 21 sulla base 35 à ̈ definito dalla battuta fra la faccia 39 e una porzione libera di estremità della parete di riferimento 23.

Il gruppo del corpo monolitico 21 con la base 35 definisce un dispositivo ottico particolarmente compatto avente una dimensione maggiore, cioà ̈ la dimensione misurata lungo l’asse D, inferiore a 40mm.

I vantaggi del dispositivo di trasporto ottico 20 qui descritto e illustrato sono i seguenti.

Quando sono realizzati monoliticamente su un medesimo supporto, gli specchi dei percorsi ottici 1, 11 sono posizionati reciprocamente con una precisione massima. Infatti, gli assi ottici sono definiti dalla geometria delle superfici che sono lavorate successivamente sul medesimo supporto definiti dalla testa 21 e dalla base 35. Preferibilmente, gli specchi 3, 4, 5, 6, 13, 14, 15, 16 sono realizzati in successione su una macchina per asportazione di truciolo su cui il semilavorato viene bloccato e successivamente sbloccato solamente dopo che tutti gli specchi sono stati realizzati. In questo modo, gli errori di allineamento possono essere ridotti al minimo perché non à ̈ necessario montare i singoli specchi e poi doverne registrare la posizione reciproca.

Inoltre, la conformazione dei supporti 21, 35 à ̈ tale che gli specchi possano essere realizzati su una macchina di elevata precisione, come una macchina a diamante a singolo punto, senza che questi siano smontati dal dispositivo di aggraffaggio di quest’ultima che fissa la posizione del semilavorato durante la lavorazione per asportazione di truciolo. In particolare, la forma del semilavorato non deve presentare sottosquadri o altre forme che impediscano all’utensile di accedere alla superficie da lavorare. Ad esempio una forma adatta à ̈ quella convessa del supporto, in particolare illustrata della base 35. Il corpo monolitico 21 presenta una porzione convessa, aggettante dalla parete di riferimento 24.

I bracci differenti consentono di poter applicare il dispositivo di trasporto all’interno di un utensile in modo da integrare in una sonda/utensile anche un rilevatore per eseguire analisi spettrografiche.

L’impiego di specchi consente di trasportare otticamente con elevati gradi di precisione spettri di onde molto ampi, dall’ultravioletto all’infrarosso.

Inoltre, la realizzazione su supporti realizzati in un unico materiale consente di ridurre al minimo la distorsione degli specchi dovuta alle dilatazioni termiche. In particolare, la dilatazione termica à ̈ omogenea e ciò consente di compensare almeno parzialmente i contributi in modo che le distanze relative fra gli specchi si mantengano all’interno di intervalli molto ristretti al variare della temperatura.

Ciascun supporto viene inoltre montato in un modo preciso nonostante le ridotte dimensioni tramite accoppiamenti rigidi di forma, preferibilmente tramite accoppiamenti a spina.

Risulta infine chiaro che al dispositivo di trasporto ottico 20 qui descritto e illustrato à ̈ possibile apportare modifiche o varianti senza per questo uscire dall’ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni allegate.

Dipendentemente dalle applicazioni la finestra 18 di vetro zaffiro può essere rimossa, ad esempio se à ̈ necessario ispezionare dei tubi o più in generale se l’ambiente da ispezionare non presenta agenti contaminanti.

Inoltre, Ã ̈ possibile che solo uno dei due percorsi sia realizzato nel dispositivo di trasporto ottico 20 dipendentemente dagli scopi di utilizzo.

I rapporti fra i raggi di curvatura possono essere diversi da quelli descritti. Le superfici sferiche presentano una maggiore semplicità realizzativa. In ogni caso, le superfici degli specchi e degli elementi ottici attivi sono superfici di rotazione generate da coniche. Ciascuna conica à ̈ definita da una equazione che, in forma canonica, presenta una pluralità di coefficienti e un termine costante. Gli specchi che realizzano i percorsi di ricezione 1 e illuminazione 11 sono diversi fra loro in modo che almeno uno fra i coefficienti e il termine costante delle equazioni in forma canonica sia differente in modo da definire una differenza fra i bracci dei punti coniugati relativi a ciascun percorso ottico. In altre parole, le superfici degli specchi sono possono essere superfici sia sferiche che asferiche diverse fra loro (ottenute per rotazione di una conica attorno ad uno o più assi).

Il rapporto di ingrandimento sia del percorso di ricezione 1 che di quello di illuminazione 11 può essere variato dipendentemente delle applicazioni nell’intorno di 1, preferibilmente fra 0.5 e 2, ancor più preferibilmente fra 0.7 e 1.5.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di trasporto ottico (20) comprendente almeno tre specchi (3, 4, 5) due dei quali cooperanti fra loro per modificare il fronte d’onda di una radiazione elettromagnetica caratterizzato dal fatto che i detti almeno due dei detti specchi sono realizzati monoliticamente su un singolo supporto (35, 21).
2. 2. Dispositivo di trasporto ottico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i detti tre specchi comprendono almeno uno specchio concavo (3) e uno convesso (4) e dal fatto che il detto terzo specchio (5) Ã ̈ realizzato monoliticamente al detto specchio convesso (4).
3. 3. Dispositivo di trasporto ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che i detti supporti (35, 21) sono collegabili rigidamente tramite un accoppiamento di forma.
4. 4. Dispositivo di trasporto ottico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i detti supporti (35, 21) sono realizzati dello stesso materiale.
5. 5. Dispositivo di trasporto ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un percorso ottico di ricezione (11) e un percorso ottico di illuminazione (1) almeno uno dei quali comprenda i detti tre specchi (3, 4, 5).
6. 6. Dispositivo di trasporto ottico secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che almeno uno dei detti percorso ottico di illuminazione (1) e di ricezione (11) presenta un rapporto di ingrandimento compreso fra 0.5 e 2.
7. 7. Gruppo comprendente un involucro (19) e un dispositivo di trasporto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui un punto coniugato si trova all’interno del detto involucro (19) e l’altro punto coniugato si trova all’esterno del detto involucro (19).