CN110955014B

CN110955014B - 一种高精度的大口径快速反射镜系统

Info

Publication number: CN110955014B
Application number: CN201911315400.0A
Authority: CN
Inventors: 吴妙章; 陶坤宇; 董延涛; 都金丹; 田永明; 高天宇
Original assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: CN110955014A

Abstract

本发明公开了一种高精度的大口径快速反射镜系统，其包含：反射镜组件、万向铰链支撑组件、音圈电机、控制电子舱组件、外壳、激光发射模块组件；所述的万向铰链支撑组件和所述的控制电子舱组件分别与所述的外壳固定连接，所述的反射镜组件与所述的万向铰链支撑组件固定连接；所述的控制电子舱组件包含PSD，所述的激光发射模块组件能够发射激光信号并反射到PSD上。本发明采用刚性的、具有固定旋转中心的万向铰链结构作为支撑结构；通过2组共4个正交对称分布的音圈电机实现快速反射镜的二维扫描；通过激光发射模块和PSD进行角度反馈从而实现高精度控制。

Description

一种高精度的大口径快速反射镜系统

技术领域

本发明涉及精密光学机械设计技术领域，具体涉及一种高精度的大口径快速反射镜系统。

背景技术

快速反射镜系统广泛应用于精密跟踪、光束控制等领域，随着激光探测技术的高速发展，亟需研制口径大、精度高的快速反射镜系统。

中国工程物理研究院总体工程研究所的汪宝旭；朱明智等发明了一种基于柔性支撑的快速反射镜系统(申请号201310557481.1)，该发明是一种结构可靠性高、控制带宽大的系统，但口径和行程会受到很大限制；此外由于采用了柔性支撑结构，工作过程中反射镜的旋转中心会发生偏移，带来不确定的误差。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究徐宁、张保等发明了一种通用大口径刚性承载式快速反射镜(申请号201610943211.8)，该发明解决了反射镜无法绕光轴方向转动、通用性差等问题，但采用4个电涡流位移传感器间接实现角度反馈，控制系统复杂。

国防科技大学的鲁亚飞；范大鹏发表了《快速反射镜两轴柔性支撑设计》(光学精密工程，2010年第12期)，用容易加工且回转精度较高的两轴柔性支撑结构来实现快速反射镜的二维扫描，通光口径大，直径可达到Φ90mm，且工作带宽大。但这种两轴柔性支撑快速反射镜系统的缺点是工作过程中反射镜的旋转中心有一定量的偏移，难以达到非常高的控制精度。

东北电子技术研究所的王凯；王巾等发表了《基于PSD的快速反射镜系统设计与仿真》(光电技术应用，2013年第2期)，该系统用PSD对参考光束进行探测，并通过控制音圈电机驱动实现快速反射镜系统的工作。这种系统具有很高的精度，但由于结构本身的限制，PSD模块是单独作为一个部件存在的，未与快速反射镜设计为一体，还需要辅助光源等设备工作，整体结构体积很大，难以直接应用于工程实践。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究徐新行、高云国等《车载大口径刚性支撑式快速反射镜》(光学精密工程，2014年第1期)，针对车载平台工作环境设计了大口径的快速反射镜系统，该系统采用球铰链结构作为支撑，承载性能好；且工作时旋转中心固定，因此系统精度高，但由于铰链结构的限制，结构的最大行程非常小，只能在特定工况下使用，通用性不好。

因此，有必要研制一种能够满足以上需求的快速反射镜系统。

发明内容

本发明的目的是根据精密跟踪、光束控制等领域对大口径、高精度快速反射镜的需求，提供一种基于刚性支撑结构的大口径、高精度的快速反射镜系统，该系统响应速度快，控制精度高，误差小。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高精度的大口径快速反射镜系统，其包含：反射镜组件、万向铰链支撑组件、音圈电机、控制电子舱组件、外壳、激光发射模块组件；所述的万向铰链支撑组件和所述的控制电子舱组件分别与所述的外壳固定连接，所述的反射镜组件与所述的万向铰链支撑组件固定连接；所述的控制电子舱组件包含PSD，所述的激光发射模块组件能够发射激光信号并反射到PSD上。

较佳地，所述的万向铰链支撑组件包含：动支撑座、静支撑座、十字支架。

较佳地，所述的音圈电机包含：磁铁和线圈；磁铁固定在所述的动支撑座上，线圈固定在所述的外壳上。

较佳地，所述的线圈通过连接线与所述的控制电子舱组件连接。

较佳地，所述的激光发射模块组件包含：激光器、透镜、固定座、第一反射镜、第二反射镜、镜架；激光器和透镜固定在固定座上，第一反射镜固定在镜架上，第二反射镜固定在所述的动支撑座上；激光信号通过第一反射镜和第二反射镜反射到所述的PSD上。

较佳地，所述的控制电子舱组件包含：电子舱体；所述的固定座和所述镜架固定连接于所述的电子舱体的内部。

较佳地，所述的激光器通过连接线与所述的控制电子舱组件连接。

有益效果：

(1)本发明的快速反射镜系统是一种集成度较高的光机电一体化系统，工作时除了提供必需的电信号以外，无需用其他仪器设备。

(2)本发明的快速反射镜系统结构形式简单，便于装配和调试；整体结构布局紧凑、体积小，并采用通用机械接口和电气接口，适用于各种工程应用。

(3)本发明的快速反射镜系统采用刚性支撑结构，适用于各种工作环境，可靠性高，而且可以承载大口径的反射镜。

(4)本发明的快速反射镜系统通过PSD直接实现角度反馈，无需采用多个位移传感器测量角度，因此系统响应速度快，控制精度高；工作时快速反射镜的旋转中心固定不变，因此系统误差很小。

附图说明

图1为本发明的快速反射镜系统的外部示图。

图2为本发明的快速反射镜系统的剖面示意图。

图3为反射镜组件的外部示图。

图4为万向铰链支撑组件的外部示图。

图5为音圈电机的外部示图。

图6为控制电子舱组件的外部示图。

图7为激光发射模块组件的外部示图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提供一种基于刚性支撑结构的大口径、高精度的快速反射镜系统，该系统用一种刚性的、具有固定旋转中心的万向铰链结构作为支撑结构；通过2组共4个正交对称分布的音圈电机实现快速反射镜的二维扫描；通过激光发射模块和PSD进行角度反馈从而实现高精度控制。

如图1所示，为本发明的快速反射镜系统的外部示图。

如图2所示，本发明的快速反射镜系统包含：反射镜组件1、万向铰链支撑组件2、音圈电机3、控制电子舱组件4、外壳5、激光发射模块组件6。

系统中各组件、零件的连接关系为：反射镜组件1安装在万向铰链支撑组件2上；音圈电机3分为两部分：磁铁31和线圈32(可参阅图5)，作为驱动器件，这两部分需要分开安装，磁铁31安装在万向铰链支撑组件2上，线圈32安装在外壳5上，音圈电机3的连接线焊在控制电子舱组件4中，实现电连接；激光发射模块组件6中，因工作过程中需要反馈角度，故有一块反射镜安装在万向铰链支撑组件2上，其余零件安装在控制电子舱组件4中。万向铰链支撑组件2和控制电子舱组件4均安装在外壳5上。

如图4所示，为万向铰链支撑组件2的外部示图。所述的万向铰链支撑组件2包含：动支撑座22、静支撑座23、十字支架21。所述的万向铰链支撑组件2中，用螺钉24将万向铰链支撑组件2固定在外壳5上。外壳5中空，并环绕在万向铰链支撑组件2外侧。十字支架21、动支撑座22、静支撑座23均可采用铝合金2A12加工。

如图3所示，所述的反射镜组件1包含：反射镜11和反射镜架12。请参阅图3至图4，反射镜组件1安装在万向铰链支撑组件2上的具体方法为：用螺钉将反射镜架12固定在动支撑座22上，反射镜11粘接在反射镜架12上。反射镜架12的材料可选择铝合金2A12。

图6为控制电子舱组件4的外部示图。控制电子舱组件4实现系统的闭环控制。如图6所示，所述的控制电子舱组件4包含：电子舱体44、电连接器41、盖板42。电子舱体44为容纳各部件的空腔。电连接器41为快速反射镜系统与控制器之间的电气接口。系统的机械安装接口设计在外壳5上，为4个标准螺纹孔；系统电气接口是电连接器41，通过与电连接器41匹配的电缆将系统与控制器连接，从而实现系统的闭环控制。盖板42通过螺钉43固定在电子舱体44上。用螺钉45将控制电子舱组件4固定在外壳5上。电子舱体44、盖板42均采用铝合金2A12材料加工。

所述的控制电子舱组件4还包含PSD，PSD(Position Sensitive Detector)称为位置敏感器件，是一种能检测光电位置的器件，常作为与发光源组合的位置传感器广泛应用。PSD器件焊在控制电子舱组件4的内部电路板上。

图7为激光发射模块组件6的外部示图。激光发射模块组件6进行角度反馈，从而实现对快速反射镜系统的高精度控制。如图7所示，所述的激光发射模块组件6包含：激光器61、透镜62、固定座65、第一反射镜63、第二反射镜64、镜架67。激光器61、透镜62均固定在固定座65上，第一反射镜63固定在镜架67上，第二反射镜64固定在万向铰链支撑组件2的动支撑座22上，以上连接方式均为粘接。固定座65和镜架67的材料可均选择铝合金2A12，分别通过螺钉66和螺钉68固定在电子舱体44上。透镜62将激光器61发射的参考光束聚焦，并通过第一反射镜63和第二反射镜64将激光信号反射到控制电子舱组件4的PSD上。激光器61上带有连接线，激光器61上的连接线焊在控制电子舱组件4的内部电路板上。

图5为音圈电机3的外部示图。音圈电机3设有2组共4个，处于对角的两个音圈电机为一组，2组的安装方式为正交对称安装。音圈电机3包含磁铁31和线圈32。音圈电机3的磁铁31固定在万向铰链支撑组件2的动支撑座22上，连接方式为粘接；线圈32固定在外壳5上。线圈32带有连接线，线圈32上的连接线焊在控制电子舱组件4的内部电路板上。音圈电机3实现快速反射镜系统的驱动。系统工作时，每组音圈电机3分别控制两个正交的方向，通过驱动2组音圈电机3的运动实现万向铰链支撑组件2和反射镜组件1的快速二维转动。

综上所述，本发明提供了一种基于刚性支撑结构的大口径、高精度的快速反射镜系统。该快速反射镜系统通过音圈电机实现系统的驱动，通过激光发射模块组件实现角度的反馈，通过控制电子舱组件实现系统的闭环控制。本发明的快速反射镜系统可以承载大口径的反射镜，通过PSD直接实现角度反馈，无需采用多个位移传感器测量角度，因此系统响应速度快，控制精度高；工作时快速反射镜的旋转中心固定不变，因此系统误差很小。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种高精度的大口径快速反射镜系统，其特征在于，包含：反射镜组件（1）、万向铰链支撑组件（2）、音圈电机（3）、控制电子舱组件（4）、外壳（5）、激光发射模块组件（6）；

所述的万向铰链支撑组件（2）为刚性支撑，包含：动支撑座（22）、静支撑座（23）、十字支架（21）；所述的音圈电机（3）包含：磁铁（31）和线圈（32）；其中，动支撑座（22）与反射镜组件（1）及磁铁（31）固定，通过驱动音圈电机（3）的运动实现万向铰链支撑组件（2）和反射镜组件（1）的快速二维转动；

所述的线圈（32）和所述的控制电子舱组件（4）分别与所述的外壳（5）固定连接；

所述的控制电子舱组件（4）包含PSD，所述的激光发射模块组件（6）能够发射激光信号并反射到PSD上；所述的激光发射模块组件（6）包含：激光器（61）、透镜（62）、固定座（65）、第一反射镜（63）、第二反射镜（64）、镜架（67）；激光器（61）和透镜（62）固定在固定座（65）上，第一反射镜（63）固定在镜架（67）上，第二反射镜（64）固定在所述的动支撑座（22）上；激光信号通过第一反射镜（63）和第二反射镜（64）反射到所述的PSD上。

2.根据权利要求1所述的高精度的大口径快速反射镜系统，其特征在于，所述的线圈（32）通过连接线与所述的控制电子舱组件（4）连接。

3.根据权利要求1所述的高精度的大口径快速反射镜系统，其特征在于，所述的控制电子舱组件（4）包含：电子舱体（44）；所述的固定座（65）和所述镜架（67）固定连接于所述的电子舱体（44）的内部。

4.根据权利要求1所述的高精度的大口径快速反射镜系统，其特征在于，所述的激光器（61）通过连接线与所述的控制电子舱组件（4）连接。