CN102354050B - 柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜 - Google Patents

Abstract

柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜属于光束控制装置；包括镜架组件、柔性辅助臂跟随偏转机构、驱动机构、以及控制系统，镜架组件固定于柔性辅助臂跟随偏转机构的刚性横梁上，入射光束经镜架组件中的反射镜后出射，控制系统控制驱动机构推动刚性横梁，使反射镜发生角度偏转，实现出射光束的方向控制；位移传感器将反射镜转角信息反馈给控制系统；在靠近压电陶瓷驱动点的位置增加柔性辅助臂，并通过支点铰链与刚性横梁相连，支点铰链保证刚性横梁在偏转时不发生变形，实现超高角灵敏度，柔性辅助臂在偏转时对刚性横梁提供一个大的辅助回复力，提高动态响应速度；本发明具有角灵敏度高、动态跟踪响应速度快的特点。

Description

柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜

技术领域

本发明属于光束控制技术领域，主要涉及一种柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜。

背景技术

微角摆控制反射镜常用于光学系统中，控制光束的快速角度偏转，实现光束的方向校正与稳定。如自适应光学系统中用于校正光束波前的整体倾斜；无线光通信技术领域中用于实现光束的对准与稳定；激光雷达中用于激光光束的大范围扫描以及对目标的快速瞄准与跟踪；高能激光以及精密准直领域中用于实现光束方向的稳定。在这些光学系统的应用中，为了提高光束控制精度，获得良好的补偿、跟踪和控制效果，要求光束快速偏转控制装置必须具有高的角偏转灵敏度以及快速响应的能力，即高角灵敏度与高频响，并且在激光雷达等一些场合要求同时具有较大的角度扫描范围。

目前，光束的快速偏转控制方法包括有机械式光束偏转器，传统的机械式光束偏转器主要是基于万向节或柔性铰链结构实现的，是目前应用较多的一种光束偏转方式。

万向支架结构是将反射镜安装在万向支架上，通过万向支架的旋转带动反射镜实现出射光束任意角度的偏转，万向支架结构的优点是可实现极大空间角度的光束偏转，但用这种万向支架结构进行光束的偏转控制，均需操作整个机架，由于机架结构惯量大，频带窄，响应慢，要达到高的精度是较困难的，只适合作中等精度或低速情况下的光束偏转控制。

基于柔性铰链结构的微角摆控制反射镜具有结构紧凑、无摩擦损耗等特点，利用压电陶瓷或音圈电机驱动器推动柔性铰链或直接推动反射镜实现角度偏转，由于采用高位移灵敏度的压电陶瓷或音圈电机驱动器，可以实现非常高的光束偏转灵敏度，但是其快速偏转时的响应速度常受到柔性铰链自身的谐振频率限制，随着实际应用中对光束偏转灵敏度要求的提高，在压电陶瓷驱动器输出的位移分辨力一定的情况下，为了增加柔性铰链结构的角度偏转灵敏度，一方面要求柔性铰链的柔性要尽可能好，另一方面需要增加柔性铰链转臂的长度，这两方面都会降低其自身的谐振频率，使得基于柔性铰链结构的微角摆控制反射镜在角度偏转灵敏度与动态响应速度之间存在矛盾。

中国科学院光电技术研究所李新阳等人制作了单点柔性支撑非对称结构的二维高速倾斜镜，根据测量数据建立了高速倾斜反射镜机械谐振的动态数学模型，提出采用网络滤波技术来减小倾斜反射镜的机械谐振，使得高速倾斜反射镜的控制稳定性和控制带宽都得到了较大改善。但是该方法并没有从系统结构上解决机械谐振的问题，并且该方法中的动态数学模型直接会影响到网络滤波的效果，建立准确的动态数学模型比较困难，限制了控制稳定性和带宽的进一步提高。

中国科学院光电技术研究所朱衡等人提出一种基于薄板径向支撑的高速压电倾斜镜，在镜片与驱动器连接处添加了薄板径向支撑，用以限制径向偏移，同时增大轴向刚度，有效改进了倾斜镜的整体刚度分布，提高了原结构倾斜镜的谐振频率。但结构较复杂，对安装要求较高，并且驱动点距反射镜转动中心的距离较小，限制了系统的角度分辨力。

国防科学技术大学范大鹏等人在2010年申请的发明专利“基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置”(申请号：CN 101794020.A)中，提出一种采用分辨率倍增杠杆结构，利用倍增杠杆的两端位移量成比例变化的特点来提高系统的角度分辨力，具有结构紧凑、定位精度高、角度分辨力高等特点，但由于平行导向柔顺机构和分辨率倍增杠杆的柔性铰链均为弹簧片结构，系统的响应速度较低，无法在需要快速响应的情况下使用。

新型的机械式光束偏转器主要有偏心透镜式、旋转棱镜式、偏心微透镜阵列式、可控微棱镜阵列式。

美国Dayton大学J.Gibson等人提出的偏心透镜式光束偏转器，将前后两个透镜共焦面放置，前一个透镜固定，通过后一个透镜相对于前一透镜的横向平移实现出射光束的角度偏转，与传统的机械式偏转结构相比，具有无旋转光轴、偏转角大(可达到45°)等特点；前苏联建立的用于直线度平面度测量的国家专用基准装置中用到一种同样的结构，通过后一个透镜的平移将入射光束相对于光轴的角度变化转换为出射光束的平移，实现出射光束相对于入射光束的角度偏转，以达到校正光束角漂移量的目的；J.Gibson等人还提出一种旋转楔形棱镜式光束偏转器，将两个双胶合消色散楔形棱镜相对放置，两个楔形棱镜以入射光束为旋转轴作圆周旋转运动，实现出射光束方向的偏转；以上两种光束偏转器均能达到分辨力1mrad、偏转速度1rad/s以及大于45°的二维角度偏转范围。由于装置中采用透镜、楔形棱镜的运动实现光束偏转，体积、质量和功耗没有得到改善，光束偏转响应速度难以得到提高，并且透镜的二维平移容易产生耦合，两个楔形棱镜的旋转运动控制过程较复杂。

土耳其Koc大学的A.Akatay和H.Urey提出一种采用二元光学制作的高分辨力微透镜阵列光束偏转器，由一对间距为几微米的微透镜阵列组成，前组为正透镜，后组为负透镜，准直光经正透镜后聚焦，然后经负透镜再变为准直光，当正负透镜阵列之间产生横向相对运动时，出射准直光束的方向就会发生偏转。利用微光学元件代替传统光学元件，可以有效地减小光束偏转系统的体积、质量和功耗，这种透镜只需很小的相对位移输出光束就会产生很大的角度偏转，透镜阵列越小，达到相同的偏转所需的相对位移就越小，因此这种扫描器的扫描速率能达到很高，但扫描角度相对较小(能够达到几度)，透过率低，微光学元件的制作工艺是决定其性能的关键因素，目前工程应用中尚不成熟。

美国Cincinnati大学N.R.Smith等人提出一种电润湿微楔形棱镜(EMPs)的光束偏转装置，在微空腔中装入一定折射率的液体材料，液体接地，空腔的两侧为两个电极板，当对两极板施以不同的电压时，空腔中的液体上表面将随极板电压不同而呈现出不同角度的斜面，与液体底面构成楔角，成为一个楔角可控的微楔形棱镜，通过控制空腔两侧的极板电压改变微楔形棱镜的楔角，实现对光束出射角度的偏转控制。此方法中光束的最大偏转角度与所用液体材料的折射率有关，所实现的光束偏转范围可以达到30°，响应速度为毫秒级，该方法中由于空腔壁的存在使得光束通过时存在一定程度的损失，使用时空腔壁两侧电极板之间的电压需要达到几十伏，并且为了增大光束偏转角，需要增加电极板之间的电压差以增大液体微楔形棱镜的楔角，而电极板之间的间距为微米至毫米量级，从而在空腔内形成非常强的电场，容易造成击穿，并且该器件的制作过程比较复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的不足，提供一种柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜，达到具有角位移灵敏度高、动态响应速度快的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜，在固定件上安装反射镜，构成镜架组件；柔性辅助臂跟随偏转机构由底座、中心柔性铰链、柔性辅助臂、支点铰链及刚性横梁构成，其中中心柔性铰链固定在底座中间部位上，在底座上位于中心柔性铰链两侧对称部位处分别固装柔性辅助臂，刚性横梁通过中心柔性铰链与底座连接，两根柔性辅助臂的外侧悬臂端通过支点铰链与刚性横梁两外侧端相连；反射镜通过固定件安装在刚性横梁上成一体；压电陶瓷驱动器、压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷紧固件构成驱动机构，其中两个压电陶瓷驱动器对称安装在底座两侧部位上，且位于刚性横梁下方，与刚性横梁接触配合，导线将两个压电陶瓷驱动器分别于压电陶瓷驱动电源连通；控制系统由计算机系统和位移传感器构成，两个位移传感器相对于中心柔性铰链对称配装在底座上，且与刚性横梁接触配合，导线将两个位移传感器分别与计算机系统主机连通，导线将计算机系统主机与压电陶瓷驱动电源连通。

所述的柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜中压电陶瓷驱动器及压电陶瓷驱动电源分别为电致伸缩驱动器及其驱动源、或者磁致伸缩驱动器及其驱动源、或者音圈电机驱动器及其驱动源。

所述的柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜中位移传感器为电容传感器、或者电感传感器、或者电涡流传感器。

本发明的显著特点与优势在于：

1、本发明中通过压电陶瓷推动刚性横梁发生角度偏转，在靠近压电陶瓷驱动点的位置增加短的柔性辅助臂，柔性辅助臂通过支点铰链与刚性横梁相连，支点铰链的作用可保证刚性横梁在偏转的过程中不产生弯曲变形，从而可以形成较长的刚性转臂，进而配合压电陶瓷驱动器的高位移分辨力，可以实现超高角位移灵敏度；

2、本发明中由于柔性辅助臂较短，并且柔性辅助臂的悬臂端在靠近压电陶瓷驱动点的位置与刚性横梁相连，刚性横梁在转动过程中偏离中心位置时，柔性辅助臂通过支点铰链在靠近压电陶瓷驱动点的位置对刚性横梁产生一个较大的辅助回复力，使刚性横梁在转动过程中无滞后地快速跟随压电陶瓷的输出端，保证机构的快速动态跟踪响应能力。

附图说明

图1是本发明总体装配结构示意图；

图2是本发明总体拆解结构示意图；

图3是图1中底座与刚性横梁、中心柔性铰链、柔性辅助臂、支点铰链装配连接结构示意图；

图中件号说明：1、反射镜，2、固定件，3、刚性横梁，4、中心柔性铰链，5、柔性辅助臂，6、支点铰链，7、底座，8、压电陶瓷驱动器，9、压电陶瓷驱动电源，10、计算机系统，11、位移传感器，12、压电陶瓷紧固件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方案进行详细描述。

如图1和图2所示，本发明的柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜包括：镜架组件、柔性辅助臂跟随偏转机构、驱动机构、控制系统。

镜架组件：包括反射镜1、固定件2，固定件2将反射镜1固定于柔性辅助臂跟随偏转机构上，随柔性辅助臂跟随偏转机构的偏转而发生角度偏转，入射光束经反射镜1反射后出射，通过控制柔性辅助臂跟随偏转机构来控制反射镜1的角度偏转，实现出射光束的方向控制；

柔性辅助臂跟随偏转机构：包括底座7、固定于底座7上的中心柔性铰链4、固定于底座7上相对于中心柔性铰链4对称的两个短的柔性辅助臂5、以及刚性横梁3，刚性横梁3通过中心柔性铰链4与底座7相连，柔性辅助臂5的外侧悬臂端靠近刚性横梁3的两端，柔性辅助臂5的外侧悬臂端通过支点铰链6与刚性横梁3相连，由于支点铰链6的作用，可保证刚性横梁3在偏转的过程中不产生弯曲变形，从而可以形成较长的刚性转臂，配合压电陶瓷驱动器8的高位移分辨力，可以实现超高角位移灵敏度；同时刚性横梁3在转动过程中偏离中心位置时，柔性辅助臂5的悬臂端通过支点铰链6在靠近压电陶瓷驱动点的位置对刚性横梁3产生一个较大的辅助回复力，使刚性横梁3在转动过程中无滞后地快速跟随压电陶瓷的输出端，保证机构的快速动态跟踪响应能力；镜架组件中反射镜固定件2将反射镜1固定于刚性横梁3上，位于刚性横梁3的中间位置，反射镜1随刚性横梁3发生角度偏转；

驱动机构：包括两个固定于底座7上直接作用于刚性横梁3两端的压电陶瓷驱动器8、相应的压电陶瓷驱动电源9、以及压电陶瓷紧固件12，压电陶瓷驱动器8相对于中心柔性铰链4对称布置于刚性横梁3下方两侧，以差动的方式驱动刚性横梁3发生角度偏转；

控制系统：包括计算机系统10以及位移传感器11，根据所需要的光束偏转角度控制驱动机构，推动刚性横梁3使反射镜1发生角度偏转，控制系统根据位移传感器11反馈的转角信息通过计算机系统10实时调整反射镜1的偏转角度，实现光束方向的精确控制；两个位移传感器11相对于中心柔性铰链4对称放置，以差动的方式工作，将刚性横梁3的转角信息实时反馈给计算机系统10。

作业时，当需要出射光束偏转某一角度α时，则反射镜1应偏转角度为α/2，计算机系统10控制压电陶瓷驱动电源9的输出电压，分别驱动两个压电陶瓷驱动器8，压电陶瓷驱动器8在刚性横梁3上的驱动点距刚性横梁3中心的距离为L，两个压电陶瓷驱动器8以差动的方式工作，即一个发生正向位移，另一个发生负向位移，二者位移量相同，方向相反，压电陶瓷驱动器8输出的位移量大小为：s＝L×tan(α/2)，压电陶瓷驱动器8推动刚性横梁3使反射镜1绕中心柔性铰链4发生角度偏转，两个位移传感器11以差动的方式工作，将刚性横梁3的转角信息反馈给计算机系统10，计算机系统10根据位移传感器11反馈的转角信息实时控制压电陶瓷驱动器8输出的位移量，从而精确调整反射镜1的偏转角度。刚性横梁3转动的同时，通过支点铰链6带动两个柔性辅助臂5分别向相反的方向发生偏转，从而柔性辅助臂5通过支点铰链6在靠近压电陶瓷驱动点的位置对刚性横梁3产生一个较大的辅助回复力，刚性横梁3转动时受到的回复力包括：中心柔性铰链4的回复力和两个柔性辅助臂5的回复力之和，由于增加了两个柔性辅助臂5的回复力，使得刚性横梁3转动时受到的回复力得到增强，使刚性横梁3在转动过程中无滞后地快速跟随压电陶瓷驱动器8的输出端，从而大幅度提高了系统的动态跟踪响应能力。

Claims (2)

1.一种柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜，其特征在于在固定件(2)上安装反射镜(1)，构成镜架组件；柔性辅助臂跟随偏转机构由底座(7)、中心柔性铰链(4)、柔性辅助臂(5)、支点铰链(6)及刚性横梁(3)构成，其中中心柔性铰链(4)固定在底座(7)中间部位上，在底座(7)上位于中心柔性铰链(4)两侧对称部位处分别固装柔性辅助臂(5)，刚性横梁(3)通过中心柔性铰链(4)与底座(7)连接，两根柔性辅助臂(5)的外侧悬臂端通过支点铰链(6)与刚性横梁(3)两外侧端相连；反射镜(1)通过固定件(2)安装在刚性横梁(3)上成一体；压电陶瓷驱动器(8)、压电陶瓷驱动电源(9)、压电陶瓷紧固件(12)构成驱动机构，其中两个压电陶瓷驱动器(8)对称安装在底座(7)两侧部位上，且位于刚性横梁(3)下方，与刚性横梁(3)接触配合，导线将两个压电陶瓷驱动器(8)分别与压电陶瓷驱动电源(9)连通；控制系统由计算机系统(10)和位移传感器(11)构成，两个位移传感器(11)相对于中心柔性铰链(4)对称配装在底座(7)上，且与刚性横梁(3)接触配合，导线将两个位移传感器(11)分别与计算机系统(10)主机连通，导线将计算机系统(10)主机与压电陶瓷驱动电源(9)连通。

2.根据权利要求1所述的柔性辅助臂跟随超高角灵敏度高频响微角摆控制反射镜，其特征在于所述的位移传感器(11)为电容传感器、或者电感传感器、或者电涡流传感器。

Images