CN104849858B - 旋转中心处于反射面的快速偏转反射镜控制机构及方法 - Google Patents
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Abstract
旋转中心处于反射面的快速偏转反射镜控制机构及方法，该控制机构包括位于X偏转轴两端并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构和第三驱动机构，位于Y偏转轴两端并关于X偏转轴对称的第二驱动机构和第四驱动机构；第一驱动机构通过与其垂直的第一柔性铰链与镜面支撑结构相连接；第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构的结构及尺寸与第一驱动机构相同，并分别通过第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链与镜面支撑结构相连接，反射镜侧面固定于镜面支撑机构上；反射镜的镜面与X偏转轴和Y偏转轴位于同一平面内；本发明还提供该控制机构的控制方法；该控制机构具备较大偏转范围，同时还具有响应速度快，体积小，重量轻的特点。
Description
技术领域
本发明属于光束控制技术领域，具体涉及旋转中心处于反射面的快速偏转反射镜控制机构及方法。
背景技术
近年来随着微电子技术、生物工程、航天工程等学科的迅速发展，二维快速偏转反射镜在天文望远镜、图像稳定、复合轴精密跟踪、瞄准光学系统中有着日益重要而广泛的应用。在上述应用系统中，为了获得良好的补偿、跟踪和控制效果，要求光束的快速偏转控制机构必须具有较高的角偏转灵敏度及快速响应能力。压电材料具备位移输出精度高，体积小，能耗低的特点，但是由于其位移输出范围过小，目前的压电材料的二维快速偏转反射镜控制机构普遍存在偏转范围过小的缺点，而且反射镜的旋转中心与反射镜的上表面(反射面)之前往往存在间距，这将引起光学系统的误差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供旋转中心处于反射面的快速偏转反射镜控制机构及方法，该控制机构具备较大偏转范围，并且反射镜的旋转中心与反射镜的(上表面)反射面重合，同时还具有响应速度快，体积小，重量轻的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
旋转中心处于反射面的快速偏转反射镜控制机构及方法，包括位于X偏转轴两端并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构1和第三驱动机构3，位于Y偏转轴两端并关于X偏转轴对称的第二驱动机构2和第四驱动机构4，所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动机构1包括长轴与X偏转轴垂直的杆式位移放大机构6，设置在杆式位移放大机构6长轴内的压电驱动器5以及设置在杆式位移放大机构6上的角位移输出机构7；所述角位移输出机构7包括刚性偏转板10，位于刚性偏转板10两端非对称分布的第一偏转柔性铰链8和第二偏转柔性铰链9，所述第一偏转柔性铰链8和第二偏转柔性铰链9固定在杆式位移放大机构6的长轴上，第一驱动机构1通过与第一驱动机构1垂直的第一柔性铰链11与镜面支撑结构15相连接；所述第二驱动机构2、第三驱动机构3和第四驱动机构4的结构及尺寸与第一驱动机构1相同，并分别通过第二柔性铰链12、第三柔性铰链13和第四柔性铰链14与镜面支撑结构15相连接，反射镜16的侧面固定于镜面支撑机构15上；所述反射镜16的镜面与X偏转轴和Y偏转轴位于同一平面内。
上述所述反射镜控制机构的控制方法，压电驱动器5安装于杆式位移放大机构6内部，工作时压电驱动器5通电伸长δ，推动杆式位移放大机构6产生运动，从而拉动角位移输出机构7的第一偏转柔性铰链8及第二偏转柔性铰链9分别向两个相反方向运动其中K为杆式位移放大机构的放大比；由于角位移输出机构7的第一偏转柔性铰链8及第二偏转柔性铰链9呈非对称布置，因此在杆式位移放大机构6的拉动作用下将促使刚性偏转板10产生偏转从而对外输出偏转角θ；该偏转角θ与杆式位移放大机构6的放大比K以及第一偏转柔性铰链8及第二偏转柔性铰链9间的纵向间距D有关：
同样方法，能够使得第二驱动机构2、第三驱动机构3和第四驱动机构4同时输出偏转角θ；第一驱动机构1与第三驱动机构3位于同一轴线上，两者同时输出偏转角θ分别作用于第一柔性铰链11以及第三柔性铰链13，促使镜面支撑结构15及反射镜16绕X轴产生偏转角θ；第二驱动机构2与第四驱动机构4位于同一轴线上，两者同时输出偏转角θ分别作用于第二柔性铰链12以及第四柔性铰链14，促使镜面支撑结构15及反射镜16绕Y轴产生偏转角θ。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明中，驱动机构直接输出偏转角并作用于镜面支撑结构及反射镜的侧面，因此反射镜的旋转轴与反射镜的反射面位于同一平面内，这将有助于提高反射镜对激光束的控制精度，降低光学系统误差。又由于两个偏转轴相互垂直，这使反射镜实现二维正交方向的微角度偏转且在两个偏转方向上不产生角度耦合和干扰，可产生准确的微角位移。
2.本发明中，对作用于角位移输出机构的位移通过杆式位移放大机构进行了放大，这大大增加了角位移输出机构的偏转角，使得反射镜具备较大的偏转范围。
3.本发明采用压电驱动器驱动偏转机构产生偏转，由于压电驱动器具有能耗低，响应速度快，刚度大的优点，因此该二维快速偏转反射镜控制机构也具备了能耗低，响应速度快，刚度大的优点。
附图说明
图1为本发明控制机构结构示意图。
图2为驱动机构结构示意图。
图3为驱动机构角位移输出原理示意图。
图4为角位移输出机构偏转原理示意图。
图5为二维快速偏转反射镜控制机构偏转方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明旋转中心处于反射面的快速偏转反射镜控制机构及方法，包括位于X偏转轴两端并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构1和第三驱动机构3，位于Y偏转轴两端并关于X偏转轴对称的第二驱动机构2和第四驱动机构4，所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动机构1包括长轴与X偏转轴垂直的杆式位移放大机构6，设置在杆式位移放大机构6长轴内的压电驱动器5以及设置在杆式位移放大机构6上的角位移输出机构7；所述角位移输出机构7包括刚性偏转板10，位于刚性偏转板10两端非对称分布的第一偏转柔性铰链8和第二偏转柔性铰链9，所述第一偏转柔性铰链8和第二偏转柔性铰链9固定在杆式位移放大机构6的长轴上，第一驱动机构1通过与第一驱动机构1垂直的第一柔性铰链11与镜面支撑结构15相连接；所述第二驱动机构2、第三驱动机构3和第四驱动机构4的结构及尺寸与第一驱动机构1相同，并分别通过第二柔性铰链12、第三柔性铰链13和第四柔性铰链14与镜面支撑结构15相连接，反射镜16的侧面固定于镜面支撑机构15上；所述反射镜16的镜面与X偏转轴和Y偏转轴位于同一平面内。
如图2所示，所述第一驱动机构1包括杆式位移放大机构6，设置在杆式位移放大机构6长轴内的压电驱动器5以及设置在杆式位移放大机构6上的角位移输出机构7；所述角位移输出机构7包括刚性偏转板10，位于刚性偏转板10两端非对称分布的第一偏转柔性铰链8和第二偏转柔性铰链9，所述第一偏转柔性铰链8和第二偏转柔性铰链9固定在杆式位移放大机构6的长轴上。所述第二驱动机构2、第三驱动机构3和第四驱动机构4的结构及尺寸与第一驱动机构1相同。
第一驱动机构1的工作原理如图3所示，工作时压电驱动器5通电伸长δ，推动杆式位移放大机构6产生运动，从而拉动角位移输出机构7的第一偏转柔性铰链8及第二偏转柔性铰链9分别向两个相反方向运动其中K为杆式位移放大机构的放大比。由于角位移输出机构7的第一偏转柔性铰链8及第二偏转柔性铰链9呈非对称布置，因此在杆式位移放大机构6的拉动作用下将促使刚性偏转板10产生偏转从而对外输出偏转角θ。
第一驱动机构1对外输出偏转角如图4所示，第一驱动机构1输出偏转角θ与杆式位移放大机构6的放大比K以及第一偏转柔性铰链8及第二偏转柔性铰链9间的纵向间距D有关：
本发明一种旋转中心处于反射面的快速偏转反射镜控制机构的偏转方式如图5所示，使得第一驱动机构1、第二驱动机构2、第三驱动机构3和第四驱动机构4同时输出偏转角θ。第一驱动机构1与第三驱动机构3位于同一轴线上，两者同时输出偏转角θ分别作用于第一柔性铰链11以及第三柔性铰链13，促使镜面支撑结构15及反射镜16绕X轴产生偏转角θ。第二驱动机构2与第四驱动机构4位于同一轴线上，两者同时输出偏转角θ分别作用于第二柔性铰链12以及第四柔性铰链14，促使镜面支撑结构15及反射镜16绕Y轴产生偏转角θ。
Claims (2)
1.旋转中心处于反射面的快速偏转反射镜控制机构，其特征在于：包括位于X偏转轴两端并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构(1)和第三驱动机构(3)，位于Y偏转轴两端并关于X偏转轴对称的第二驱动机构(2)和第四驱动机构(4)，所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动机构(1)包括长轴与X偏转轴垂直的杆式位移放大机构(6)，设置在杆式位移放大机构(6)长轴内的压电驱动器(5)以及设置在杆式位移放大机构(6)上的角位移输出机构(7)；所述角位移输出机构(7)包括刚性偏转板(10)，位于刚性偏转板(10)两端非对称分布的第一偏转柔性铰链(8)和第二偏转柔性铰链(9)，所述第一偏转柔性铰链(8)和第二偏转柔性铰链(9)固定在杆式位移放大机构(6)的长轴上，第一驱动机构(1)通过与第一驱动机构(1)垂直的第一柔性铰链(11)与镜面支撑结构(15)相连接；所述第二驱动机构(2)、第三驱动机构(3)和第四驱动机构(4)的结构及尺寸与第一驱动机构(1)相同，并分别通过第二柔性铰链(12)、第三柔性铰链(13)和第四柔性铰链(14)与镜面支撑结构(15)相连接，反射镜(16)的侧面固定于镜面支撑结构(15)上；所述反射镜(16)的镜面与X偏转轴和Y偏转轴位于同一平面内。
2.权利要求1所述反射镜控制机构的控制方法，其特征在于：压电驱动器(5)安装于杆式位移放大机构(6)内部，工作时压电驱动器(5)通电伸长δ，推动杆式位移放大机构(6)产生运动，从而拉动角位移输出机构(7)的第一偏转柔性铰链(8)及第二偏转柔性铰链(9)分别向两个相反方向运动其中K为杆式位移放大机构的放大比；由于角位移输出机构(7)的第一偏转柔性铰链(8)及第二偏转柔性铰链(9)呈非对称布置，因此在杆式位移放大机构(6)的拉动作用下将促使刚性偏转板(10)产生偏转从而对外输出偏转角θ； 该偏转角θ与杆式位移放大机构(6)的放大比K以及第一偏转柔性铰链(8)及第二偏转柔性铰链(9)间的纵向间距D有关：
同样方法，能够使得第二驱动机构(2)、第三驱动机构(3)和第四驱动机构(4)同时输出偏转角θ；第一驱动机构(1)与第三驱动机构(3)位于同一轴线上，两者同时输出偏转角θ分别作用于第一柔性铰链(11)以及第三柔性铰链(13)，促使镜面支撑结构(15)及反射镜(16)绕X轴产生偏转角θ；第二驱动机构(2)与第四驱动机构(4)位于同一轴线上，两者同时输出偏转角θ分别作用于第二柔性铰链(12)以及第四柔性铰链(14)，促使镜面支撑结构(15)及反射镜(16)绕Y轴产生偏转角θ。
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