CN117492143A - 一种灵巧型能动光纤准直器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灵巧型能动光纤准直器及其设计方法，属于激光、光束相控阵领域，包括步骤：利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，驱动光纤三维运动，动态调整输出光束的二维指向以及聚焦距离。本发明解决了目前光学相控阵技术只能控制光束偏转，无法满足在指定位置聚焦的问题。

Description

一种灵巧型能动光纤准直器及其设计方法

技术领域

本发明涉及激光、光束相控阵领域，更为具体的，涉及一种灵巧型能动光纤准直器及其设计方法。

背景技术

光纤准直器具有结构紧凑、占空比高、无空间光路等优点，在阵列光束合成中发挥着重要作用。激光相控阵的一种技术路径是利用自适应光纤准直器作为子光束的孔径单元，通过合理排列子孔径单元，并有效控制子孔径相位，从而实现多光束的相干合成。这种结构相比大口径望远镜的激光发射/接收系统，在体积、重量、热量管理等方面有着显著优势。

但是，现有的光束相控阵技术往往只能实现光束指向偏转，无法满足光束在指定位置聚焦的需求，一般还需利用望远镜将光束会聚在目标上，这将大大增加系统体积。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种灵巧型能动光纤准直器及其设计方法，该光纤准直器可实现光束俯仰指向、方位指向和聚焦距离的精确、快速控制，具有结构灵巧、装配简单等优点。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种灵巧型能动光纤准直器，包括外壳、光纤、压电陶瓷条、压电陶瓷筒、柔性铰链、准直透镜和应变传感器；光纤通过多根压电陶瓷条固定在准直透镜焦平面中央处，压电陶瓷条受电压驱动后产生形变，推动光纤在焦平面内沿方位方向和俯仰方向做二维平动，从而改变出射光束指向；压电陶瓷管一端与底座固定，另一端通过柔性铰链与准直镜头连接，整个机构通过外壳外壁进行固定，压电陶瓷筒受电压驱动后将发生伸缩运动，产生的位移通过柔性铰链传递给外壳，推动准直透镜沿焦距方向运动，从而改变出射光束聚焦距离；光纤的指向位移和准直透镜的位移由应变传感器测量并反馈至控制模块，实现闭环控制，提高光纤三维运动精度。

进一步地，所述外壳作为整个光纤准直器的支撑，与压电陶瓷筒刚性连接。

进一步地，所述柔性铰用于保证准直透镜只延调焦方向自由度进行运动，限制准直透镜其他方向的自由度。

进一步地，所述应变传感器均由弹性元件上通过相应工艺粘贴电阻应变片构成。

进一步地，每一组压电陶瓷执行器正面粘接2片应变传感器，背面粘接2片应变传感器，4片应变感器在设定接线方式下构成全桥电路，当压电陶瓷产生形变时，全桥电路的电阻发生变化，输出两路不同电压的信号。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点，能较好地满足各种应变测量需求。

进一步地，应变传感器将测量到的压电陶瓷位移量转换为电阻变化量，经信号处理后得到相应的电压信号并以差分形式输出，通过差分比例放大为单端信号后得到方位指向、俯仰指向和聚焦距离的信息，再经过模数转换电路对角度和聚焦距离信号实时采样，反馈回外部控制模块，实现闭环控制功能。

进一步地，所述多根压电陶瓷条具体为四根压电陶瓷条。

一种灵巧型能动光纤准直器的设计方法，包括步骤：

利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动。

进一步地，所述利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动，包括子步骤：

输出光束指向控制过程：光纤通过压电陶瓷条固定在准直透镜的焦平面中央处，对方位方向和俯仰方向的压电陶瓷条施加驱动电压后，其产生的位移形变推动光纤在焦平面内平动，使经准直透镜后的出射光束发生偏转，其在方位方向和俯仰方向相对光轴的偏转角度分别满足：

式中，△x、△y分别为光纤在焦平面内沿方位方向和俯仰方向的平动位移量，f为准直透镜焦距；偏转角度近似认为当准直透镜的焦距确定后，出射光束偏转角/>的大小取决于光纤端面的平动位移量。

进一步地，所述利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动，包括子步骤：

光束聚焦距离控制过程：压电陶瓷筒和准直透镜通过外壳外壁固定，外壳分为两部分，一部分与压电陶瓷筒接触，另一部分与准直透镜组接触，两部分之间由柔性铰链连接；压电陶瓷筒受电压驱动后将发生伸缩变化，产生的位移形变量一方面直接推动准直透镜沿焦距方向移动，改变透镜与光纤间的距离；另一方面带动柔性铰链移动从而推动机壳伸缩，使准直透镜输出端面与机壳输出端面处于同一个平面；其中，改变聚焦距离所需的压电陶瓷筒位移量，由透镜成像公式计算得到或由基于光线追迹软件仿真获得。

本发明的有益效果包括：

本发明提供了一种灵巧型能动光纤准直器，通过对压电陶瓷施加电压，控制光纤三维高精度运动，真正实现光束定向发射与聚焦能力，同时兼顾结构灵巧，装配简单等优点，有利于优化光束相控阵系统体积。

本发明分别利用压电陶瓷条和压电陶瓷筒实现输出光束偏转和调焦功能，解决了目前光学相控阵技术只能控制光束偏转，无法控制光束在指定位置聚焦的问题。分别采用压电条和压电陶瓷筒作为运动执行机构，两者在装配过程中可被独立安装，有效减少装配难度，并增加结构的可维修性。使用应变传感器作为反馈机构，能够及时将测量数据回传给外部控制模块，实现闭环反馈控制，提高控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图，其中，1为光纤准直器外壳，2为光纤，3为压电陶瓷条，4为指向应变传感器，5为压电陶瓷筒，6为焦距应变传感器，7为柔性铰链，8为准直透镜；

图2为本发明实施例中用于实现指向调节机构的结构示意图；

图3为本发明实施例中用于实现焦距调节机构的结构示意图。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

如图1所示，本发明提供一种灵巧性能动光纤准直器，具体包括：外壳、光纤、压电陶瓷条、压电陶瓷筒、柔性铰链、准直透镜和应变传感器。光纤通过4根压电陶瓷条固定在准直透镜焦平面中央处，对方位方向和俯仰方向的两组压电陶瓷条施加驱动电压后，其产生的位移形变推动光纤在焦平面内平动，使经准直透镜后的出射光束发生偏转，其在方位方向和俯仰方向相对光轴的偏转角度分别满足：

式中，△x、△y分别为光纤在焦平面内沿方位方向和俯仰方向的平动位移量，f为准直透镜焦距。由于偏转角度很小，近似认为当准直透镜的焦距确定后，出射光束偏转角/>的大小取决于光纤端面的平动位移量。

光纤的位移量由应变传感器反馈，应变传感器将测量到的压电陶瓷条位移量转换为电阻变化量，经信号处理后得到相应的电压信号并以差分形式输出，通过差分比例放大为单端信号后得到方位指向和俯仰指向信息，再经过模数转换电路对角度信号实时采样，反馈回外部控制模块，实现闭环控制功能。

压电陶瓷筒和准直透镜通过外壳外壁固定，外壳分为两部分，一部分与压电陶瓷筒接触，另一部分与准直透镜组接触，两部分之间由柔性铰链连接。压电陶瓷筒受电压驱动后将发生伸缩变化，产生的位移形变量一方面直接推动准直透镜沿焦距方向移动，改变透镜与光纤间的距离；另一方面带动柔性铰链移动从而推动机壳伸缩，使准直透镜输出端面与机壳输出端面处于同一个平面。其中，改变聚焦距离所需的压电陶瓷筒位移量，既可由透镜成像公式计算得到，也可由基于光线追迹软件仿真获得。

准直透镜的位移量由应变传感器反馈，应变传感器将测量到的压电陶瓷筒位移量转换为电阻变化量，经信号处理后得到相应的电压信号并以差分形式输出，通过差分比例放大为单端信号后得到聚焦距离信息，再经过模数转换电路对距离信号实时采样，反馈回外部控制模块，实现闭环控制功能。

在具体实施例中，本实施例提供的灵巧型能动激光准直器，其中，光纤通过4根压电陶瓷条固定在准直透镜焦平面中央处，底座材料采用力学性能好的钛合金，准直透镜的焦距为140mm。通过对方位方向的压电陶瓷条分别施加-210V和+210V驱动电压，压电陶瓷条产生约-88μm和+88μm的位移量，即可实现-1.09mrad至+1.09mrad的偏转角度；对俯仰方向的压电陶瓷条施加驱动电压，得到同样-1.09mrad至+1.09mrad的偏转角度。对压电陶瓷筒分别施加-200V和+200V电压，压电陶瓷筒推动准直透镜沿焦距方向上的位移分别为-6.0μm和5.8μm，即可实现光束在大于600m范围内的任意位置聚焦。

需要说明的是，在本发明权利要求书中所限定的保护范围内，以下实施例均可以从上述具体实施方式中，例如公开的技术原理，公开的技术特征或隐含公开的技术特征等，以合乎逻辑的任何方式进行组合和/或扩展、替换。

实施例1

一种灵巧型能动光纤准直器，包括外壳、光纤、压电陶瓷条、压电陶瓷筒、柔性铰链、准直透镜和应变传感器；光纤通过多根压电陶瓷条固定在准直透镜焦平面中央处，压电陶瓷条受电压驱动后产生形变，推动光纤在焦平面内沿方位方向和俯仰方向做二维平动，从而改变出射光束指向；压电陶瓷管一端与底座固定，另一端通过柔性铰链与准直镜头连接，整个机构通过外壳外壁进行固定，压电陶瓷筒受电压驱动后将发生伸缩运动，产生的位移通过柔性铰链传递给外壳，推动准直透镜沿焦距方向运动，从而改变出射光束聚焦距离；光纤的指向位移和准直透镜的位移由应变传感器测量并反馈至控制模块，实现闭环控制，提高光纤三维运动精度。

实施例2

在实施例1的基础上，所述外壳作为整个光纤准直器的支撑，与压电陶瓷筒刚性连接。

实施例3

在实施例1的基础上，所述柔性铰用于保证准直透镜只延调焦方向自由度进行运动，限制准直透镜其他方向的自由度。

实施例4

在实施例1的基础上，所述应变传感器均由弹性元件上通过相应工艺粘贴电阻应变片构成。

实施例5

在实施例4的基础上，每一组压电陶瓷执行器正面粘接2片应变传感器，背面粘接2片应变传感器，4片应变感器在设定接线方式下构成全桥电路，当压电陶瓷产生形变时，全桥电路的电阻发生变化，输出两路不同电压的信号。

实施例6

在实施例1或实施例5的基础上，应变传感器将测量到的压电陶瓷位移量转换为电阻变化量，经信号处理后得到相应的电压信号并以差分形式输出，通过差分比例放大为单端信号后得到方位指向、俯仰指向和聚焦距离的信息，再经过模数转换电路对角度和聚焦距离信号实时采样，反馈回外部控制模块，实现闭环控制功能。

实施例7

在实施例1的基础上，所述多根压电陶瓷条具体为四根压电陶瓷条。

实施例8

一种灵巧型能动光纤准直器的设计方法，包括步骤：

利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动。

实施例9

在实施例8的基础上，所述利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动，包括子步骤：

输出光束指向控制过程：光纤通过压电陶瓷条固定在准直透镜的焦平面中央处，对方位方向和俯仰方向的压电陶瓷条施加驱动电压后，其产生的位移形变推动光纤在焦平面内平动，使经准直透镜后的出射光束发生偏转，其在方位方向和俯仰方向相对光轴的偏转角度分别满足：

式中，△x、△y分别为光纤在焦平面内沿方位方向和俯仰方向的平动位移量，f为准直透镜焦距；偏转角度近似认为当准直透镜的焦距确定后，出射光束偏转角/>的大小取决于光纤端面的平动位移量。

实施例10

在实施例8的基础上，所述利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动，包括子步骤：

光束聚焦距离控制过程：压电陶瓷筒和准直透镜通过外壳外壁固定，外壳分为两部分，一部分与压电陶瓷筒接触，另一部分与准直透镜组接触，两部分之间由柔性铰链连接；压电陶瓷筒受电压驱动后将发生伸缩变化，产生的位移形变量一方面直接推动准直透镜沿焦距方向移动，改变透镜与光纤间的距离；另一方面带动柔性铰链移动从而推动机壳伸缩，使准直透镜输出端面与机壳输出端面处于同一个平面；其中，改变聚焦距离所需的压电陶瓷筒位移量，由透镜成像公式计算得到或由基于光线追迹软件仿真获得。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。

作为另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。

Claims (10)

1.一种灵巧型能动光纤准直器，其特征在于，包括外壳、光纤、压电陶瓷条、压电陶瓷筒、柔性铰链、准直透镜和应变传感器；光纤通过多根压电陶瓷条固定在准直透镜焦平面中央处，压电陶瓷条受电压驱动后产生形变，推动光纤在焦平面内沿方位方向和俯仰方向做二维平动，从而改变出射光束指向；压电陶瓷管一端与底座固定，另一端通过柔性铰链与准直镜头连接，整个机构通过外壳外壁进行固定，压电陶瓷筒受电压驱动后将发生伸缩运动，产生的位移通过柔性铰链传递给外壳，推动准直透镜沿焦距方向运动，从而改变出射光束聚焦距离；光纤的指向位移和准直透镜的位移由应变传感器测量并反馈至控制模块，实现闭环控制，提高光纤三维运动精度。

2.根据权利要求1所述的灵巧型能动光纤准直器，其特征在于，所述外壳作为整个光纤准直器的支撑，与压电陶瓷筒刚性连接。

3.根据权利要求1所述的灵巧型能动光纤准直器，其特征在于，所述柔性铰用于保证准直透镜只延调焦方向自由度进行运动，限制准直透镜其他方向的自由度。

4.根据权利要求1所述的灵巧型能动光纤准直器，其特征在于，所述应变传感器均由弹性元件上通过相应工艺粘贴电阻应变片构成。

5.根据权利要求4所述的灵巧型能动光纤准直器，其特征在于，每一组压电陶瓷执行器正面粘接2片应变传感器，背面粘接2片应变传感器，4片应变感器在设定接线方式下构成全桥电路，当压电陶瓷产生形变时，全桥电路的电阻发生变化，输出两路不同电压的信号。

6.根据权利要求1或5任一项所述的灵巧型能动光纤准直器，其特征在于，应变传感器将测量到的压电陶瓷位移量转换为电阻变化量，经信号处理后得到相应的电压信号并以差分形式输出，通过差分比例放大为单端信号后得到方位指向、俯仰指向和聚焦距离的信息，再经过模数转换电路对角度和聚焦距离信号实时采样，反馈回外部控制模块，实现闭环控制功能。

7.根据权利要求1所述的灵巧型能动光纤准直器，其特征在于，所述多根压电陶瓷条具体为四根压电陶瓷条。

8.一种灵巧型能动光纤准直器的设计方法，其特征在于，包括步骤：

利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动。

9.根据权利要求8所述的灵巧型能动光纤准直器的设计方法，其特征在于，所述利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动，包括子步骤：

输出光束指向控制过程：光纤通过压电陶瓷条固定在准直透镜的焦平面中央处，对方位方向和俯仰方向的压电陶瓷条施加驱动电压后，其产生的位移形变推动光纤在焦平面内平动，使经准直透镜后的出射光束发生偏转，其在方位方向和俯仰方向相对光轴的偏转角度分别满足：

φx＝arctan(△x/f)≈△x/f

φy＝arctan(△y/f)≈△y/f

式中，△x、△y分别为光纤在焦平面内沿方位方向和俯仰方向的平动位移量，f为准直透镜焦距；偏转角度近似认为φx≈△x/f,φy≈△y/f；当准直透镜的焦距确定后，出射光束偏转角φ的大小取决于光纤端面的平动位移量。

10.根据权利要求8所述的灵巧型能动光纤准直器的设计方法，其特征在于，所述利用压电陶瓷的逆压效应和高动态响应特性，分别对压电陶瓷条和压电陶瓷筒施加电压，控制光纤三维高精度运动，实现出射光束的方位指向、俯仰指向和聚焦距离三维运动，包括子步骤：

光束聚焦距离控制过程：压电陶瓷筒和准直透镜通过外壳外壁固定，外壳分为两部分，一部分与压电陶瓷筒接触，另一部分与准直透镜组接触，两部分之间由柔性铰链连接；压电陶瓷筒受电压驱动后将发生伸缩变化，产生的位移形变量一方面直接推动准直透镜沿焦距方向移动，改变透镜与光纤间的距离；另一方面带动柔性铰链移动从而推动机壳伸缩，使准直透镜输出端面与机壳输出端面处于同一个平面；其中，改变聚焦距离所需的压电陶瓷筒位移量，由透镜成像公式计算得到或由基于光线追迹软件仿真获得。