CN116430576A - 一种一维柔性支承动磁快反镜 - Google Patents

Abstract

一种一维柔性支承动磁快反镜，涉及光电扫描跟踪技术领域，包括：反射镜组件、驱动组件、传感器组件、一对柔性铰链和基座；反射镜组件包括反射镜和反射镜镜托，反射镜设置于反射镜镜托的第一端部；驱动组件设置于反射镜组件与基座之间，基座两端分别通过柔性铰链与反射镜组件第一端部、第二端部柔性连接；传感器组件设置于基座一端，与反射镜相对，反射镜组件在驱动组件中电流变化时在同一水平面内以反射镜镜托中心为中心旋转预设角度。本发明通过将反射镜设置于反射镜镜托的一端，达到反射镜上置的目的，在保证工作带宽的同时使得快反镜结构更紧凑，提高快反镜整体的可控性和动态性，且反射镜上方无结构，可直接替换光电系统中传统的轴承振镜。

Description

一种一维柔性支承动磁快反镜

技术领域

本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，具体涉及一种一维柔性支承动磁快反镜。

背景技术

快速反射镜是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的部件，通过采用音圈电机精确控制反射镜偏转方向从而精确控制光束偏转角度，用于实现反射镜的“偏转-倾斜”方位角度的快速调整，可用于光电领域的视轴稳定或扫描补偿等应用。由于其具有结构紧凑、响应速度快、工作带宽高、指向精度高等优点，被广泛应用在天文望远镜、自适应光学、像移补偿、自由空间光通信、精密跟踪等领域，成为光学系统中稳定光束和校正光束传播方向的关键性器件。

目前快速偏摆反射镜主要有压电陶瓷驱动和音圈电机驱动两种驱动形式，其中压电陶瓷驱动是利用逆压电效应产生位移驱动反射镜偏转，该种形式的快反镜具有驱动力大、分辨率高、响应速度快等优点，但是其抗冲击性能差，行程较小需要位移放大机构，且存在迟滞蠕变等非线性因素；而音圈电机驱动的快反镜利用通电导线在磁场中受到的安培力驱动反射镜偏转，输出力大，且与电流成正比，音圈电机快速反射镜的优点是精度高、工作行程较大、驱动电压低、易于驱动控制。

传统的快速反射镜，一般包括四个音圈电机。在每个旋转轴方向上采用两个音圈电机组成推拉式对，为反射镜提供平滑、均匀的扭矩。或者采用的音圈电机大都采用动圈式设计，即磁缸部分连接在快速反射镜壳体基座上，线圈连接在反射镜支架上。因一般线圈部分的重量远小于磁缸部分的重量，因此这样设计能够减小反射镜转动部分的转动惯量，从而获得相对较高的工作带宽。

发明内容

（一）发明目的

本发明的目的是提供一种能使得快反镜整体结构更加紧凑以及轻量化，提高可控性和动态性，带宽高，可直接替换光电系统中传统的轴承振镜的一维柔性支承动磁快反镜。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明的提供了反射镜组件、驱动组件、传感器组件、一对柔性铰链5和基座7；

所述反射镜组件包括反射镜1和反射镜镜托2，所述反射镜1设置于所述反射镜镜托2的第一端部；

所述驱动组件设置于所述反射镜组件与所述基座7之间，所述基座7两端分别通过所述柔性铰链5与所述反射镜镜托2的第一端部、第二端部柔性连接；

所述传感器组件设置于所述基座7的一端，与所述反射镜1相对；

所述反射镜组件在所述驱动组件中电流变化时在同一水平面内以所述反射镜镜托2中心为中心旋转预设角度。

优选地，所述反射镜镜托2的第一端部设置有延伸部2-1，所述反射镜1与所述延伸部2-1固定连接，使反射镜组件的旋转中心与所述反射镜1在同一平面内。

优选地，所述驱动组件包括磁体10、线圈3和导磁壁4，所述磁体10设置于所述线圈3内，所述线圈3设置于所述导磁壁4内，所述磁体10本体与所述线圈3间隔预设距离，所述磁体10与所述反射镜镜托2固定连接，所述导磁壁4与所述基座7固定连接，所述线圈3与所述导磁壁4抵接。

优选地，所述反射镜镜托2的第一端部设置有卡槽2-2，所述反射镜1和反射镜镜托2通过所述卡槽2-2连接。

优选地，还包括限位块11，所述限位块11设置于至少一个柔性铰链5的两侧。

优选地，所述导磁壁4为U型结构。

优选地，所述柔性铰链5为十字交叉式柔性铰链。

优选地，所述传感器组件包括一对电涡流探头6、电涡流探头支架12和电涡流传感器9，所述电涡流探头6通过所述电涡流探头支架12设置于所述基座7的一端，与所述反射镜1相对。

优选地，所述传感器组件还包括电涡流传感器第一壳体8和电涡流传感器第二壳体13，所述电涡流传感器9设置于所述电涡流传感器第一壳体8和电涡流传感器第二壳体13之间。

优选地，所述反射镜1的镜面材料为铍、硅、熔融石英/石英、SiC、BK7、蓝宝石或MgF2。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明通过将反射镜设置于反射镜镜托的一端，达到反射镜上置的目的，有利于快放镜结构的整体轻量化，设置一对柔性铰链，让反射镜组件在驱动组件中电流变化时在同一水平面内以反射镜镜托中心为中心旋转预设角度，在保证工作带宽的同时使得快反镜结构更加紧凑，提高了快反镜整体的可控性和动态性，且反射镜上方无结构，从而可直接替换光电系统中传统的轴承振镜，传感器组件设置的位置与反射镜相对，从而减小了快反镜的总体高度，使结构更紧凑，能够适用于高度空间受约束的场合。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的一维柔性支承动磁快反镜45度爆炸结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的一维柔性支承动磁快反镜-45度爆炸结构示意图；

图3是本发明的一个实施例的一维柔性支承动磁快反镜正面剖面图；

图4是本发明一个实施例的一维柔性支承动磁快反镜的驱动组件磁路示意图；

附图标记：

1.反射镜，2.反射镜镜托，3.圆角空心线圈，4.导磁壁，5.柔性铰链，6.电涡流探头，7.基座，8.电涡流传感器第一壳体，9.电涡流传感器，10.圆角磁体，11.限位块，12.电涡流探头支架，13.电涡流传感器第二壳体；2-1.延伸部，2-2.卡槽，101a.N极，101b.S极，102a.电流流入方向，102b.电流流出方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种一维柔性支承动磁快反镜，如图1、图2所示，包括：反射镜组件、驱动组件、传感器组件、一对柔性铰链5和基座7；其中反射镜组件包括反射镜1和反射镜镜托2，此处不限定反射镜1和反射镜镜托2的具体形状，可选的，反射镜1的形状为矩形、圆形、六边形等规则形状，也可以是不规则形状，反射镜镜托2可以是圆柱体，长方体等形状，也可以是一端尺寸较大、另一端尺寸较小的规则或不规则形状，反射镜镜托2包括两个端部：第一端部和第二端部，反射镜1设置于反射镜镜托2的第一端部，此处不限定第一端部的具体尺寸，可选的，反射镜镜托2的一半尺寸都属于第一端部，剩下的另一半为反射镜镜托2的第二端部，如图1所示，本实施例中，反射镜1的镜面所在的平面与反射镜镜托2的顶面所在的水平面垂直，此处不限定反射镜1与反射镜镜托2的连接方式，可以是螺接、卡接或者粘贴连接，也可以是通过设置连接部件连接，也可以是通过在反射镜1与反射镜镜托2连接的部分设置凸台，通过凸台与反射镜镜托2连接，本领域技术人员能够理解，只要能达到固定反射镜1在反射镜镜托2上即可；此处也不限定反射镜1设置在反射镜镜托2的第一端部的具体位置，可选的，设置在反射镜镜托2的第一端部的顶端，也就是设置在反射镜镜托2的顶面，也可以是设置在反射镜镜托2的第一端部的侧面，如图1、图2所示，本实施例中，可选的，反射镜1设置在反射镜镜托2的第一端部的顶端，反射镜镜托2的一端的顶端设置有与反射镜1相适配的卡槽2-2，反射镜1设置在卡槽2-2内，此处不限定卡槽2-2的具体结构，可选的，卡槽2-2有两个卡槽边，两个卡槽边设置成相同高度、或者两个卡槽边设置成不同的高度，进一步，当两个卡槽边设置成不同的高度时，受力较多的一边的高度较高，本实施例中，也就是接近传感器组件的卡槽边的高度较大，可以很好的稳定反射镜1。

进一步的，反射镜镜托2的第一端部设置有延伸部2-1，延伸部2-1的端面设置有卡槽2-2，反射镜1设置于延伸部2-1的卡槽2-2内，此处不限定卡槽2-2的具体结构，可选的，卡槽2-2有两个卡槽边，两个卡槽边设置成相同高度、或者两个卡槽边设置成不同的高度，进一步，当两个卡槽边设置成不同的高度时，受力较多的一边的高度较高，本实施例中，也就是靠近传感器组件的卡槽边的高度较大，可以很好的稳定反射镜1；此处不限定延伸部2-1的延伸方向，可选的，本实施例中，如图1、图2所示，延伸部2-1的延伸方向是朝着基座7方向延伸，延伸部2-1的目的是使反射镜镜托2的旋转中心与反射镜1在同一平面内，结构更加的紧凑，使系统的可控性更好，动态性更好，带宽更高，且反射镜1与放射镜镜托2形成结构空位，如图3所示，也就是反射镜1上方有结构空位，从而可直接替换光电系统中传统的轴承振镜。

驱动组件设置于反射镜组件与基座7之间，基座7两端分别通过柔性铰链5与反射镜镜托2的第一端部、第二端部柔性连接；此处不限定驱动组件的具体内容和连接方式，可选的，为一组磁体和线圈的组合，也可以是多组磁体和线圈的组合，也不限定基座7两端与反射镜镜托的第一端部、第二端部柔性连接的具体位置，可选的，为端部的侧面相连接，也可以是端部顶端通过连接件连接，也可以是端部有延伸部，通过延伸部连接；驱动组件设置于反射镜组件与基座7之间，此处不限定驱动组件在反射镜组件与基座7之间的具体位置,可选的，可以是设置在两者的中心位置，也可以是偏向一边的位置。驱动组件的作用是利用通电导线在磁场中受到的安培力驱动反射镜偏转，此处也就是驱动反射镜组件偏转。

传感器组件设置于基座7一端，与反射镜1相对，传感器组件的作用是进行差动测量，此处不限定传感器组件的具体内容和安装方式，可以是螺接、卡接等，也可以是通过连接件连接，传感器组件设置的位置与反射镜1相对，从而减小了快反镜的总体高度，使结构更紧凑，能够适用于高度空间受约束的场合。

反射镜组件在驱动组件电流变化时在同一水平面内以反射镜镜托2中心为中心旋转预设角度，此处不限定预设角度的具体内容，可选的，可以为柔性铰链的运动极限，也可以是在柔性铰链的运动极限范围内，设置一个柔性铰链运动平滑度较高的一个范围，本实施例中，可选的预设角度最大转角范围为±15°，进一步的，根据双柔性铰链的运动极限，预设角度的最大转角范围是±10°。设置预设角度的范围，使系统的可控性更好。

本实施例中，通过将反射镜设置于反射镜镜托的第一端部，达到反射镜上置的目的，有利于快放镜结构的整体轻量化，设置一对柔性铰链，并设置了延伸部，让反射镜在驱动组件中电流变化时在同一水平面内旋转预设角度，在保证工作带宽的同时使得快反镜结构更加紧凑，提高了快反镜整体的可控性和动态性，且反射镜上方无结构，从而可直接替换光电系统中传统的轴承振镜，传感器组件设置的位置与反射镜相对，从而减小了快反镜的总体高度，使结构更紧凑，能够适用于高度空间受约束的场合。

在本发明的一个实施例中，进一步，驱动组件包括磁体10、线圈3和导磁壁4，此处不限定磁体10的具体形状，可选的，为矩形磁体、矩形圆角磁体，也可以是圆形磁体，也可以是不规则的形状的磁体；可选的，本实施例中可选的，磁体10为矩形圆角磁体，也不限制磁体10的材料，可以由以下材料之一形成：钐钴SmCo33EN 5300，钕-铁-硼（NdFeB）NSOM，这些材料仅是示例，也可以使用其他材料。磁体10设置于线圈3中的环形空腔内，此处不限定线圈3的具体形状，可选的，为与磁体10相适配的形状，此处不限定磁体10与线圈3的尺寸关系，可选的，为相同的厚度，也可以是不同的厚度，此处也不限定线圈3的材料，可以是铜丝绕制，也不限定线圈3的绕制匝数，也不限定线圈3的材料粗细，也不限定线圈3的绕制方法，可选的为人工绕制或机器绕制，本实施例中，选用机器绕制，绕制效率高，填充率高。线圈3设置于导磁壁4内，此处不限定导磁壁4的具体形状，可以是覆盖面积大于或小于线圈3的结构，也可以是覆盖面积等于线圈3的结构，也不限定导磁壁4的具体材料，进一步的，磁体10本体与线圈3间隔预设距离，间隔的预设距离是因为要留有偏转的空间，偏转的时候是磁体10与反射镜组件一起偏转，线圈3和导磁壁4固定不动，所以当磁体10内嵌在线圈3中时，两者之间需要有一定的距离，留有偏转空间，将磁体10和线圈3设置成矩形圆角，实现了较大的转角范围。

本实施例适用于快反镜的扫描补偿，线圈可采用机器绕制，绕制效率高，填充率高，保证线圈的出力效果更佳，磁体、线圈和导磁壁依次内嵌的结构，磁体本体与线圈间隔预设距离，不仅使反射镜达到既定角度的偏转，而且整个驱动组件结构更加紧凑，磁通密度更高，实现更高的出力以及速度，从而使驱动反射镜达到任意预设角度偏转。

在本发明的一个实施例中，进一步，磁体10与反射镜镜托2固定连接，导磁壁4与基座7固定连接，导磁壁4内设置有与线圈3相适配的凹槽，线圈3内嵌于凹槽内。磁体10与反射镜镜托2固定连接，避免动圈式设计，也就是线圈3与反射镜镜托2固定连接的线缆拖拽、线圈3变热导致的反射镜热变形等技术性问题，并且结构设置合理、紧凑，方便安装，此处不限定固定连接的具体方式，可选的为螺接、卡接、粘贴连接等；进一步，线圈3内嵌于导磁壁4内的凹槽内，线圈3与导磁壁4抵接，起到了较好地稳定效果，如图4所示，磁路图示为电磁组件俯视剖视视角，圆角磁体10置于导磁壁4的中心轴位置处，磁体101a处为N极，101b处为S极，当通入圆角空心线圈电流方向为102a流入、102b流出时，基于洛伦兹力原理，根据左手定则判断出线圈的受力方向如图4中粗箭头方向，即线圈的出力使得电机可动部分形成偏转力矩，与柔性铰链5带动反射镜1一起沿着反射镜镜托2中心偏摆，整体电磁驱动组件占位空间小，结构轻量化且便于出线，驱动反射镜1达到既定角度偏转。

在本发明的一个实施例中，进一步，还包括限位块11，限位块11设置于至少一个柔性铰链5的两侧，此处不限定限位块的具体形状和材质，可选的，限位块采用柔性材料，如橡胶；可选的，限位块11固定于基座7端部的限位块凹槽内，限位块为一对，设置在柔性铰链5的两侧，对反射镜的偏转起限制作用，此处限位块11可使反射镜的偏转角度在±10°范围内，可选的，限位块11可以仅设置在一个柔性铰链5的两侧，也可以设置在两个柔性铰链5的两侧。限位块的设置，可以更好的控制偏转的范围，可控性提高。

在本发明的一个实施例中，进一步，导磁壁4为U型结构，U型的开口使磁体10与反射镜镜托2更好的连接，并且U型结构为三面开口的结构，可以方便线圈3的散热，减少线圈3变热导致的反射镜热变形等技术性问题。进一步，导磁壁4可以设置成镂空的结构，进一步方便散热，也能达到轻量化目的。

在本发明的一个实施例中，进一步，柔性铰链5为十字交叉式柔性铰链，进一步，十字交叉式柔性铰链置于基座7与反射镜镜托2之间，十字交叉式柔性铰链5置于基座7两端的柔性铰链孔中，且与孔形成间隙配合，采用相互垂直的弹性片实现绕中心轴旋转，并通过螺栓连接拧紧固定，便于固定十字交叉式柔性铰链5的位置，易于装配，进一步的，快反镜采用两个十字交叉柔性铰链作为支撑，单个十字交叉式柔性铰链的最大转角范围是±15°，一体化柔性支撑设计的最大转角范围是±10°，十字交叉式柔性铰链可以选用的材料主要有钛合金、铍青铜、不锈钢等，作驱动的柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性，无润滑剂，可用于真空。

在本发明的一个实施例中，进一步，传感器组件包括一对电涡流探头6、电涡流探头支架12和电涡流传感器9，电涡流探头6通过所述电涡流探头支架12设置于所述基座7一端，与反射镜1相对；进一步，电涡流传感器9与所述电涡流探头支架12连接，还包括电涡流传感器第一壳体8，电涡流传感器第二壳体13，电涡流传感器9置于电涡流探头支架12之下，固定于电涡流传感器第一壳体8与电涡流传感器第二壳体13之间，且电涡流传感器第一壳体8与电涡流传感器第二壳体13两者密封，能够保护电涡流传感器9。在同一方向上采用2个电涡流探头进行差动测量，提高测量精度，从而减小温漂等对测量结果的影响。在反射镜后方布置电涡流转角测量结构，减小了快反镜的总体高度，使结构更紧凑。

在本发明的一个实施例中，进一步，反射镜1的镜面材料为铍、硅、熔融石英/石英、SiC、BK7、蓝宝石或MgF2，进一步，材料可以涂有不同的材料，特别是金、保护银或介电布拉格镜结构，可以保证良好的镜面平整度，提高快反镜的质量。

本发明实施例的有益效果是：

通过将反射镜设置于反射镜镜托的第一端部，达到反射镜上置的目的，有利于快放镜结构的整体轻量化，设置一对柔性铰链，并设置了延伸部，让反射镜在驱动组件中电流变化时在同一水平面内以旋转预设角度，在保证工作带宽的同时使得快反镜结构更加紧凑，提高了快反镜整体的可控性和动态性，且反射镜上方无结构，从而可直接替换光电系统中传统的轴承振镜，传感器组件设置的位置与反射镜相对，从而减小了快反镜的总体高度，使结构更紧凑，能够适用于高度空间受约束的场合。

磁体与反射镜镜托固定连接结构，避免动圈式设计，也就是线圈与反射镜镜托固定连接时的线缆拖拽和线圈变热导致的反射镜热变形等技术性问题，并且嵌套设置，结构设置合理、紧凑，节省整体占位空间，结构轻量化且便于出线，方便安装。

采用十字交叉柔性铰链作为柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高温特性，无润滑剂，可用于真空，同时转角范围也足够大。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，包括：反射镜组件、驱动组件、传感器组件、一对柔性铰链（5）和基座（7）；

所述反射镜组件包括反射镜（1）和反射镜镜托（2），所述反射镜（1）设置于所述反射镜镜托（2）的第一端部；

所述驱动组件设置于所述反射镜组件与所述基座（7）之间，所述基座（7）两端分别通过所述柔性铰链（5）与所述反射镜镜托（2）的第一端部、第二端部柔性连接；

所述传感器组件设置于所述基座（7）的一端，与所述反射镜（1）相对；

所述反射镜组件在所述驱动组件中电流变化时在同一水平面内以所述反射镜镜托（2）中心为中心旋转预设角度。

2.根据权利要求1所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，所述反射镜镜托（2）的第一端部设置有延伸部（2-1），所述反射镜（1）与所述延伸部（2-1）固定连接，使反射镜组件的旋转中心与所述反射镜（1）在同一平面内。

3.根据权利要求1所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，所述驱动组件包括磁体（10）、线圈（3）和导磁壁（4），所述磁体（10）设置于所述线圈（3）内，所述线圈（3）设置于所述导磁壁（4）内，所述磁体（10）本体与所述线圈（3）间隔预设距离，所述磁体（10）与所述反射镜镜托（2）固定连接，所述导磁壁（4）与所述基座（7）固定连接，所述线圈（3）与所述导磁壁（4）抵接。

4.根据权利要求1或2所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，所述反射镜镜托（2）的第一端部设置有卡槽（2-2），所述反射镜（1）和反射镜镜托（2）通过所述卡槽（2-2）连接。

5.根据权利要求1所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，还包括限位块（11），所述限位块（11）设置于至少一个柔性铰链（5）的两侧。

6.根据权利要求3所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，所述导磁壁（4）为U型结构。

7.根据权利要求1所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，所述柔性铰链（5）为十字交叉式柔性铰链。

8.根据权利要求1所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，所述传感器组件包括一对电涡流探头（6）、电涡流探头支架（12）和电涡流传感器（9），所述电涡流探头（6）通过所述电涡流探头支架（12）设置于所述基座（7）的一端，与所述反射镜（1）相对。

9.根据权利要求8所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，所述传感器组件还包括电涡流传感器第一壳体（8）和电涡流传感器第二壳体（13），所述电涡流传感器（9）设置于所述电涡流传感器第一壳体（8）和电涡流传感器第二壳体（13）之间。

10.根据权利要求1-3、5-9任一所述的一维柔性支承动磁快反镜，其特征在于，所述反射镜（1）的镜面材料为铍、硅、熔融石英/石英、SiC、BK7、蓝宝石或MgF2。

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