CN110058402A - 一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜 - Google Patents

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王琼华
王迪
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Abstract

本发明提出一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜，它由反射镜、磁性底座、上基板、弹性薄膜、中间基板、下基板、液体活塞孔‑1、液体活塞孔‑2、液体活塞孔‑3、液体通道‑1、液体通道‑2、液体通道‑3、注射器‑1、注射器‑2和注射器‑3构成。上基板和中间基板均设计三个液体活塞孔，下基板设计有三个液体通道，液体通道用于改变弹性薄膜贮存液体的体积。当用注射器将液体从液体通道中注入或抽出时，弹性薄膜被驱动，弹性薄膜的形状和高度也随之改变，从而形成液体活塞。因此可通过控制三个液体通道中液体的注入量和抽出量，改变液体活塞高度，推动反射镜向不同方向倾斜。当光束正入射到反射镜表面时，光束会向不同方向偏折实现360°的光束导航功能。

Description

一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜
一、技术领域
本发明涉及光束导航与探测技术，更具体地说，本发明涉及一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜。
二、背景技术
在光学系统中，光束的精确导航和调控至关重要。最常用的方法是基于棱镜和反射镜对光束进行偏折。传统的棱镜具有固定的几何形状，光束偏折角度单一。基于微机电系统(MEMS)的反射镜也备受关注，它具有响应速度快、控制精确、易于集成等优点。然而基于MEMS的反射镜通常需要在微米尺度上制造沟道、孔洞、悬臂梁和空腔等结构，驱动也需要特殊的电子电路，所以大规模生产成本较高。近年来，微流控技术可以自适应控制液体的形状和位置，且不需要笨重和复杂的机械运动部件，因而这项技术给光学元件和光学系统的轻量化和集成化带来了新的启发。研究者研发了多种类型的液体棱镜以实现光束偏折和调控。其中电润湿驱动液体棱镜具有制作简单、功耗低、控制精确等优点。然而电润湿驱动的棱镜其液-液界面在很大程度上受到重力效应的影响，导致入射光的发散。介电泳驱动的液体棱镜具有宽频带和偏振无关等优点，适用于无运动部件的光束偏折。然而器件填充的聚合物之间的边缘会相互作用，光束质量同样会受到影响。液压和气压控制的液体棱镜通常由聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制成，基于这两种驱动方式的液体棱镜可以高度集成在微芯片中，但是这种设计类型经常受到外部环境和机械振动的影响。因此，亟待发明一种机械稳定性高、不影响光束质量和大角度导航的自适应光束导航器件。
三、发明内容
本发明提出了一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜。如附图1所示，该器件包括反射镜、磁性底座、上基板、弹性薄膜、中间基板、下基板、液体活塞孔-1、液体活塞孔-2、液体活塞孔-3、液体通道-1、液体通道-2、液体通道-3、注射器-1、注射器-2和注射器-3。
如附图1(a)所示，本发明的组装方法为：首先将上基板、弹性薄膜、中间基板和下基板依次堆叠后用紫外固化胶粘合；其次将磁性底座安装在上基板中心位置；最后将反射镜放置在磁性底座上。本发明中，上基板和中间基板均设计三个液体活塞孔，下基板设计有三个液体通道，液体通道用于改变弹性薄膜贮存液体的体积。当用注射器将液体从液体通道中注入或抽出时，弹性薄膜被驱动，弹性薄膜的形状和高度也随之改变，从而形成液体活塞。因此可以通过控制三个液体通道中液体的注入量和抽出量，改变液体活塞的高度，推动反射镜向不同的方向倾斜。当光束正入射到反射镜表面时，光束会向不同方向偏折实现360°的光束导航和偏折功能，如附图1(b)、图1(c)和图1(d)所示。
如附图2所示，当注射器1通过液体通道1注入液体时，弹性薄膜的形状会由原来的平面变为凸面，在液体活塞孔-1处形成液体活塞。如图附2(a)所示为未注入任何液体时候弹性薄膜的面型，图附2(b)为注入液体后弹性薄膜的面型。由于弹性薄膜良好的回弹性，在理论计算时可以将该凸面近似为球面，假设注射器-1体积变化为ΔV，液体活塞的曲率半径(R)、液体活塞孔半径(r0)和凸起的高度(h)有以下关系：
当入射光束照射在反射镜上时，若反射镜偏折角度为θ，则光束的偏折角度为2θ，通过附图3所示的几何关系可得光束偏折角度θ和光束在接收屏的扫描距离(l)之间关系，计算公式如下：
l＝L tan2θ (4)
其中，h0为磁性底座的高度，L为反射镜到接收屏之间的距离，D为反射镜直径。
优选地，反射镜为铁磁材料制作且表面镀有一层反射膜。
优选地，上基板和中间基板的三个液体活塞孔直径d1相等，三个液体活塞孔两两夹角为60°，两两间距其中D为反射镜的直径。
优选地，三个液体通道直径d3相等，三个液体通道两两夹角为120°，且d1>d3，上基板和中间基板的三个液体活塞孔和三个液体通道在空间上对准安装。
优选地，磁性底座的高度h0<h1，其中h1为液体活塞的最大凸起高度。
四、附图说明
附图1为一种基于液压驱动360°光束导航反射镜的原理示意图。附图1(a)为初始状态示意图，附图1(b)为液体通道-1注入液体后的光束偏折示意图；附图1(c)为液体通道-2注入液体后的光束偏折示意图；附图1(d)为液体通道-3注入液体后的光束偏折示意图。
附图2为液体通道注入液体前后弹性薄膜面型变化示意图。附图2(a)为注入液体前的弹性薄膜面型示意图；附图2(b)为注入液体后的弹性薄膜面型示意图。
附图3为一种基于液压驱动360°光束导航反射镜光束偏折角度计算原理图。
附图4为一种基于液压驱动360°光束导航反射镜实施例中光导航角度随时间变化示意图。附图4(a)为注入液体时光导航角度随时间变化示意图；附图4(b)为抽出液体时光导航角度随时间变化示意图。
上述各附图中的图示标号为：
1反射镜、2磁性底座、3上基板、4弹性薄膜、5中间基板、6下基板、7液体活塞孔-1、8液体活塞孔-2、9液体活塞孔-3、10液体通道-1、11液体通道-2、12液体通道-3、13注射器-1、14注射器-2、15注射器-3。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的一个实施例为，首先采用软光刻技术在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基底上刻蚀出三个液体通道，下基板的液体通道宽度和深度均为1.0mm，两两通道之间的角度为120°。上基板、中间基板和下基板尺寸均为19.0mm×19.0mm×4.0mm。上基板和中间基板的三个液体活塞孔直径均是2.5毫米。弹性薄膜为PDMS薄膜制成，厚度是200μm(抗拉强度为5.0Mpa；撕裂强度为10.0KN/m；弹性模量为2.3)。其次，在上基板安装磁性基底，磁性基底的高度和直径分别为1.0mm和3.0mm。反射镜为300μm厚的铁箔制成，并在铁箔上镀一层银反射膜。
附图4是实施例中光束导航角度随时间变化的示意图。以液体活塞孔-1为例，注入的液体为去离子水，注入量为0μl-15μl，光束偏折角度为0°到12.7°，时间为2.95s，如附图4(a)所示。当从液体通道-1抽出液体，抽出量为0μl-15μl时，光束回到初始位置，时间为0.90s，如附图4(b)所示。

Claims (5)

1.一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜，包括：反射镜、磁性底座、上基板、弹性薄膜、中间基板、下基板、液体活塞孔-1、液体活塞孔-2、液体活塞孔-3、液体通道-1、液体通道-2、液体通道-3、注射器-1、注射器-2、和注射器-3；上基板和中间基板均匀三个液体活塞孔，下基板有三个液体通道。
2.根据权利要求1所述的一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜，其特征在于，反射镜为铁磁材料制作且表面镀有一层反射膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜，其特征在于，上基板和中间基板的三个液体活塞孔直径d1相等，三个液体活塞孔两两夹角为60°，两两间距其中D为反射镜的直径。
4.根据权利要求1所述的一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜，其特征在于，三个液体通道直径d3相等，三个液体通道两两夹角为120°，且d1>d3，上基板和中间基板的三个液体活塞孔和三个液体通道在空间上对准安装。
5.根据权利要求1所述的一种基于液压驱动的360°光束导航反射镜，其特征在于，磁性底座的高度h0<h1，其中h1为液体活塞的最大凸起高度。
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