CN108873320B - 一种二维快速控制反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维快速控制反射镜，包括安装座、中心柔性铰、镜架、反射镜片、相同的四个驱动组件和相同的四个位移传感器，中心柔性铰的下端固定在安装座的中心、上端固定连接镜架，反射镜片固定安装在镜架上，四个驱动组件呈“十”字对称布置在安装座与镜架之间；所述驱动组件为音圈执行器，每个音圈执行器包括线圈、呈倒E形的磁钢、两个NS磁铁和间隔固定在安装座上的两个线圈固定座，线圈缠绕在两个线圈固定座上，呈长圆形，两个NS磁铁同向嵌装在磁钢的两侧部的内壁上，磁钢垂直固定在镜架的下表面，且插入线圈中，两个NS磁铁对称的分布在线圈两外侧。该反射镜外形尺寸小、重量轻，有利于在微小移动载体上使用。

Description

一种二维快速控制反射镜

技术领域

本发明属于快速控制反射镜领域，具体涉及一种二维快速控制反射镜。

背景技术

快速控制反射镜（Fast Steering Mirror，FSM）是用在光源与接收端之间进行光束调整的装置，是调整和稳定光学系统视轴或光束指向的关键部件，已在扫描成像、自适应光学、精密跟踪、目标指向、光束控制及光通信等领域得到广泛应用，其优点在于体积小、速度快、精度高、带宽高等。

目前，快速控制反射镜的结构形式主要分为有轴系和无轴系两种结构形式。其中，无轴系结构因采用柔性结构代替传统的机械结构，具有体积小、无摩擦和间隙、灵敏度高、重复性好以及运动平稳等特点，因此已越来越多的为快速控制反射镜所采用。

CN107589515A公开了一种具有双柔性元件的快速反射镜，这种快速反射镜能提升承载能力和环境适应性，但是其仍然存在如下问题：（1）采用圆柱状的音圈电机作为驱动组件，快速反射镜的外形尺寸（即体积）较大，重量较重，不利于在微小移动载体上使用；（2）位移传感器安装在支撑基座上，传感器测量片安装在反射镜的背面，在Z轴方向其尺寸较大，并且反射镜偏转时，在Z轴方向产生的位移会带来测量误差，使反射镜偏转角度的准确度不高；（3）第一、第二位移传感器布置在X轴线的一侧，第三、第四位移传感器布置在Y轴线的一侧，两个相邻的位移传感器之间存在相互干扰，通过对第一、第二位移传感器的测量结果取平均值或者对第三、第四位移传感器的测量结果取平均值的方式来得到反馈控制量，其并不能消除干扰，也不能消除因温度变化带来的测量影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种外形尺寸小、重量轻的二维快速控制反射镜，以实现在微小移动载体上使用。

本发明所述的二维快速控制反射镜，包括安装座、中心柔性铰、镜架、反射镜片、相同的四个驱动组件（用于驱动反射镜片偏转）和相同的四个位移传感器，中心柔性铰的下端固定在安装座的中心、上端固定连接镜架，反射镜片固定安装在镜架上，四个驱动组件呈“十”字对称布置在安装座与镜架之间；所述驱动组件为音圈执行器，每个音圈执行器包括线圈、呈倒E形的磁钢、两个NS磁铁和间隔固定在安装座上的两个线圈固定座，线圈缠绕在两个线圈固定座上，呈长圆形，两个NS磁铁同向嵌装在磁钢的两侧部的内壁上，磁钢垂直固定在镜架的下表面，且插入线圈中，两个NS磁铁对称的分布在线圈两外侧，磁钢与两个NS磁铁构成音圈执行器的运动部分。

所述位移传感器为电容式位移传感器，每个位移传感器包括定极板组件和由磁钢的一侧部构成的动极板，四个定极板组件位于安装座与镜架之间，呈“十”字对称分布且与安装座保持垂直固定，四个定极板组件的定极板与安装座的上表面垂直，且分别与四个磁钢的该侧部的外壁（即动极板的表面）相对，四个磁钢的该侧部的外壁与反射镜片垂直。这种结构的电容式位移传感器有效利用了结构空间，减小了二维快速控制反射镜在Z轴方向的尺寸，减轻了重量，同时也避免了反射镜片在偏转过程因产生Z轴方向的位移而带来的测量误差；另外，两组正对分布的两个电容式位移传感器采用差动的方式测量，消除了干扰，消除了温度变化带来的测量影响，也消除了相应的误差，从而提高了反射镜片偏转角度的准确度。

优选的，每个音圈执行器还包括两个线圈保护罩，两个线圈保护罩分别套在线圈的两端部，与两个线圈固定座对应固定连接，线圈、两个线圈固定座和两个线圈保护罩构成音圈执行器的固定部分。线圈保护罩与线圈固定座配合，可以对线圈进行保护，避免线圈运动，并避免线圈受外界环境的影响。

优选的，所述安装座的中部固定连接有正方体形的传感器安装支架，传感器安装支架的中心开设有避让孔，所述中心柔性铰位于该避让孔内，四个定极板组件分别安装在传感器安装支架的四个竖直壁面上，其充分利用了空间资源，缩减了整个反射镜的体积。

优选的，所述安装座与线圈固定座通过一体加工的方式成型，避免了部分组装件的装配误差，提高了系统的精度。

优选的，所述反射镜片、镜架、中心柔性铰和安装座均采用相同的金属材料加工而成，降低了由温度变化带来的结构变形和应力分布变化。另外，反射镜片也可采用碳化硅或者熔石英加工而成。

优选的，所述反射镜片的一侧设置有两个连接头、另一侧也对称设置有两个连接头，反射镜片通过四个连接头固定在镜架的上表面。这种连接方式不仅通过减小装配接触面大小的方式降低了加工成本，提高了系统的平面度，同时也防止了在组装反射镜片与镜架时，由于四个螺纹的预紧作用力大小不同而导致反射镜片的平衡位置发生一定角度的倾斜，导致系统误差。

优选的，所述定极板组件的定极板由PCB工艺加工获得，引线可以采用PCB的焊接工艺，增强了可靠性，而且结构尺寸小、重量轻。

优选的，与所述电容式位移传感器电连接的前置放大模块安装在安装座的底部，电容式位移传感器与前置放大模块之间的距离较近，从而提高了抗干扰能力，相应地提高了系统性能。

本发明将磁钢设计成倒E形结构，将线圈缠绕成长圆形，从而使音圈执行器的结构更紧凑，充分利用了空间资源，与现有的圆柱形音圈电机相比，缩减了整个反射镜的外形尺寸，减轻了重量，有利于在微小的移动载体上使用；另外，倒E形的磁钢更方便形成定极板，也保证了磁钢与两个NS磁铁在驱动下的运动状态与反射镜片偏转的运动状态一一对应。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的爆炸图。

图3为本发明的全剖示意图。

图4为本发明中的中心柔性铰、驱动组件、位移传感器与安装座的装配示意图。

图5为本发明中的定极板组件与传感器安装支架的装配示意图。

图6为本发明中的中心柔性铰的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图6所示的二维快速控制反射镜，包括安装座4、中心柔性铰3、镜架2、反射镜片1、正方体形的传感器安装支架10、相同的四个驱动组件和相同的四个位移传感器，驱动组件采用音圈执行器，位移传感器采用电容式位移传感器。反射镜片1、镜架2、中心柔性铰3和安装座4均采用相同的金属材料加工而成，中心柔性铰3呈圆柱形，体积较大，包含了两个圆直型柔性铰，在X轴与Y轴上各占一个，且两个铰的旋转中心处于同一个XY平面（即XY二维偏转面），中心柔性铰3能够为反射镜片1及镜架2提供支撑和绕X轴、Y轴的二维自由度并限制其他方向的自由度，具有大角度转动范围。

传感器安装支架10固定连接在安装座4的中部，传感器安装支架10的中心开设有避让孔，中心柔性铰3位于该避让孔，且下端固定在安装座4的中心、上端固定连接镜架2，反射镜片1的一侧设置有两个连接头13、另一侧也对称设置有两个连接头13，反射镜片1通过四个连接头13配合螺栓、螺母固定在镜架2的上表面，四个音圈执行器呈“十”字对称布置（即X轴线上两个音圈执行器、Y轴线上两个音圈执行器）在安装座4与镜架2之间，每个音圈执行器包括线圈7、呈倒E形的磁钢6、两个NS磁铁5、两个线圈保护罩11和间隔固定在安装座4上的两个线圈固定座8，线圈固定座8与安装座4通过一体加工的方式成型，线圈7缠绕在两个线圈固定座8上，呈长圆形，两个线圈保护罩11分别套在线圈7的两端部，与两个线圈固定座8对应并通过螺栓固定连接，两个NS磁铁5同向嵌装在磁钢6的两侧部的内壁上，磁钢6插入线圈7中，两个NS磁铁5对称的分布在线圈7两外侧，磁钢6垂直固定在镜架2的下表面。

每个位移传感器包括定极板组件和由磁钢6的一侧部构成的动极板，四个定极板组件位于安装座4与镜架2之间，分别安装在传感器安装支架10的四个竖直壁面上，呈“十”字对称分布，四个定极板组件的定极板9与安装座4的上表面垂直，且分别与四个磁钢6的一侧部的外壁（即动极板的表面）相对，四个磁钢6的该侧部的外壁与反射镜片1垂直。定极板组件的定极板9由PCB工艺加工获得，引线可以采用PCB的焊接工艺，与电容式位移传感器电连接的前置放大模块安装在安装座的底部。

本发明的工作过程如下：

当需要反射镜片1绕X轴偏转时，只需控制Y轴线上的两个音圈执行器的磁钢6，一个向上运动，一个向下运动，即可实现反射镜片1绕X轴的偏转，具体为：Y轴线上的一个音圈执行器的线圈7在通电条件下产生驱动力，使其磁钢6与两个NS磁铁5向上运动，推动与该磁钢6相连的镜架2的连接处产生向上的位移，Y轴线上的另一个音圈执行器的线圈7在通电条件下产生驱动力，使其磁钢6与两个NS磁铁5向下运动，拉动与该磁钢6相连的镜架2的连接处产生向下的位移，镜架2的中心是固连于中心柔性铰3的上端面，中心柔性铰3的Z轴（即竖直）方向的刚度非常高，其他运动轴的刚度非常低，从而使得反射镜片1绕中心柔性铰3的运动中心旋转（即绕X轴偏转），反射镜片1在偏转过程中，一个磁钢6绕X轴作向上的弧线运动、另一个磁钢6绕X轴作向下的弧线运动，对应的两个定极板组件会实时输出反映磁钢6的侧部的外壁与定极板9之间的距离变化的电信号，经前置放大模块放大，再经差动处理后，转化成反射镜片1的偏转角度的变化量，并反馈给控制系统，从而对Y轴线上的两个音圈执行器的驱动力进行控制和校正，实现对反射镜片1绕X轴偏转角度的闭环控制。

当需要反射镜片1绕Y轴偏转时，只需控制X轴线上的两个音圈执行器的磁钢6，一个向上运动，一个向下运动，即可实现反射镜片1绕Y轴的偏转，具体为：X轴线上的一个音圈执行器的线圈7在通电条件下产生驱动力，使其磁钢6与两个NS磁铁5向上运动，推动与该磁钢6相连的镜架2的连接处产生向上的位移，X轴线上的另一个音圈执行器的线圈7在通电条件下产生驱动力，使其磁钢6与两个NS磁铁5向下运动，推动与该磁钢6相连的镜架2的连接处产生向下的位移，镜架2的中心是固连于中心柔性铰3的上端面，中心柔性铰3的Z轴（即竖直）方向的刚度非常高，其他运动轴的刚度非常低，从而使得反射镜片1绕中心柔性铰3的运动中心旋转（即绕Y轴偏转），反射镜片1在偏转过程中，一个磁钢6绕Y轴作向上的弧线运动、另一个磁钢6绕Y轴作向下的弧线运动，对应的两个定极板组件会实时输出反映磁钢6的侧部的外壁与定极板9之间的距离变化的电信号，经前置放大模块放大，再经差动处理后，转化成反射镜片1的偏转角度的变化量，并反馈给控制系统，从而对X轴线上的两个音圈执行器的驱动力进行控制和校正，实现对反射镜片1绕Y轴偏转角度的闭环控制。

上述实施例中，镜架2、中心柔性铰3和安装座4均采用相同的金属材料加工而成，而反射镜片1也可以采用碳化硅或者熔石英加工而成。

Claims (8)

1.一种二维快速控制反射镜，包括安装座（4）、中心柔性铰（3）、镜架（2）、反射镜片（1）、相同的四个驱动组件和相同的四个位移传感器，中心柔性铰（3）的下端固定在安装座（4）的中心、上端固定连接镜架（2），反射镜片（1）固定安装在镜架（2）上，四个驱动组件呈“十”字对称布置在安装座（4）与镜架（2）之间；其特征在于：所述驱动组件为音圈执行器，每个音圈执行器包括线圈（7）、呈倒E形的磁钢（6）、两个NS磁铁（5）和间隔固定在安装座（4）上的两个线圈固定座（8），线圈（7）缠绕在两个线圈固定座（8）上，呈长圆形，两个NS磁铁（5）同向嵌装在磁钢（6）的两侧部的内壁上，磁钢（6）垂直固定在镜架（2）的下表面，且插入线圈（7）中，两个NS磁铁（5）对称的分布在线圈（7）两外侧；

所述安装座（4）的中部固定连接有正方体形的传感器安装支架（10），传感器安装支架（10）的中心开设有避让孔，所述中心柔性铰（3）位于该避让孔内；

所述位移传感器为电容式位移传感器，每个位移传感器包括定极板组件和由磁钢（6）的一侧部构成的动极板，四个定极板组件分别安装在传感器安装支架（10）的四个竖直壁面上且位于安装座（4）与镜架（2）之间，四个定极板组件呈“十”字对称分布且与安装座（4）保持垂直固定，四个定极板组件的定极板（9）与安装座（4）的上表面垂直，且分别与四个磁钢（6）的该侧部的外壁相对，四个磁钢（6）的该侧部的外壁与反射镜片（1）垂直。

2.根据权利要求1所述的二维快速控制反射镜，其特征在于：每个音圈执行器还包括两个线圈保护罩（11），两个线圈保护罩（11）分别套在线圈（7）的两端部，与两个线圈固定座（8）对应固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的二维快速控制反射镜，其特征在于：所述安装座（4）与线圈固定座（8）通过一体加工的方式成型。

4.根据权利要求1或2所述的二维快速控制反射镜，其特征在于：所述反射镜片（1）、镜架（2）、中心柔性铰（3）和安装座（4）均采用相同的金属材料加工而成。

5.根据权利要求1或2所述的二维快速控制反射镜，其特征在于：所述反射镜片（1）采用碳化硅或者熔石英加工而成。

6.根据权利要求1或2所述的二维快速控制反射镜，其特征在于：所述反射镜片（1）的一侧设置有两个连接头（13）、另一侧也对称设置有两个连接头（13），反射镜片（1）通过四个连接头（13）固定在镜架（2）的上表面。

7.根据权利要求1或2所述的二维快速控制反射镜，其特征在于：所述定极板组件的定极板（9）由PCB工艺加工获得。

8.根据权利要求1或2所述的二维快速控制反射镜，其特征在于：与所述电容式位移传感器电连接的前置放大模块（12）安装在安装座（4）的底部。

Images