CN201903693U - 简易镜座式大口径高速压电振镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种简易镜座式大口径高速压电振镜，包括镜面、镜座、柔性头、驱动器、位置传感器和底座，其中镜面无应力粘结在镜座之上，镜座下方与柔性头相连，驱动器下端固定于底座之上，驱动器上端粘有柔性头，位置传感器固定于底座中部上方同时位于镜座下方，用于感知镜面的实际转角位置，驱动器为压电堆驱动器，并且有一对，分别安装在镜座的两侧，工作时互做反方向运动，镜座分为弹性结构和刚性结构，刚性结构位于镜面下方并直接与镜面粘接，弹性结构与柔性头相连。本实用新型的压电堆驱动器具有大的负载能力和快速响应能力，能实现高速振镜的大通光口径、高工作频率、较大转角范围等要求，弹性结构和刚性结构非常简单。

Description

简易镜座式大口径高速压电振镜

技术领域

本实用新型涉及一种以一定扫描角度和扫描频率工作的光电器件，尤其涉及一种大口径红外测谱的光学系统，特别涉及一种大口径压电振镜。

背景技术

高速振镜主要由镜面和扫描头(或叫驱动头)构成。镜面大小由通光口径决定，随着通光口径增加，镜面转动惯量就增大，这会严重影响高速振镜的工作频率，所以高速振镜通光口径的扩大与工作频率的提高是矛盾的。扫描头根据不同需求有电磁式、压电式等，一般电磁式由于驱动力和响应速度的原因，用在口径较小、频率不太高的场合，而压电式可用于口径较大、工作频率较高的场合。目前国内外研制的高速振镜，口径一般在几毫米到十几毫米范围，频率在几十赫兹到几千赫兹，扫描头一般采用电磁驱动方式。美国CTI公司生产的高速振镜系列最具代表性，其口径从几毫米到几十毫米，工作频率随着口径增大而降低，例如在40mm口径时，工作频率基本不超过1000Hz，这是由高速振镜电磁驱动力和响应速度限制的；国内如武汉新特光电技术有限公司生产的ST振镜系列口径一般不超过20mm，全部采用高速摆动电机，以电磁力驱动；国外有报道采用压电片驱动的压电式振镜，其工作频率可以达到十千赫兹以上，但通光口径仅有几毫米。以目前的技术状况，同时具有大通光口径(一般大于40mm)、高工作频率(几千赫兹)且又具有一定转角(大于30′)的高速振镜研制难度很大，国内外没有这方面技术或产品的公开报道。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术的不足，提供一种简易镜座式大口径高速压电振镜，采用高强度压电驱动堆为扫描头，利用谐振原理驱动一块无应力粘结于弹性结构上的轻量化镜面，研制大通光口径(40mm以上)、高工作频率(大于2000Hz)、较大工作转角(大于30′)、并具有良好动静态光学面形的高速振镜，解决了现有技术中存在的问题。

为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种简易镜座式大口径高速压电振镜，包括镜面、镜座、柔性头、驱动器、位置传感器和底座，其中镜面无应力粘结在镜座之上，镜座下方与柔性头相连，驱动器下端固定于底座之上，驱动器上端粘有柔性头，位置传感器固定于底座中部上方同时位于镜座下方，用于感知镜面的实际转角位置，所述的驱动器为压电堆驱动器，并且有一对，分别安装在镜座的两侧，工作时互做反方向运动，形成与镜面相同工作模式的外部激励力矩，使镜面受迫振动，从而实现高速压电振镜的转角输出；而镜座分为弹性结构和刚性结构，刚性结构位于镜面下方并直接与镜面粘接，弹性结构与柔性头相连，弹性结构为驱动器提供预压力。采用一对对称布置、同步反相驱动的压电堆作为压电振镜的驱动头，是实现大口径、高频率的关键。而镜座的弹性结构传递压电堆振动能量，并以谐振方式放大压电堆驱动器的振动幅度，从而实现大口径压电振镜的大角度输出，其刚度决定大口径压电振镜的工作频率。

更进一步的技术方案是：

所述的镜座的刚性结构为圆环形或椭圆环形，大小与镜面相适配，弹性结构为条形。

所述镜面使用光学玻璃、超硬铝、碳化硅等能光学加工的非金属或金属材料，通光口径为40-100mm，其形状为圆形或椭圆形。

本实用新型实现上述技术目标的技术原理是：为了实现大通光口径、高工作频率、大角度扫描范围等要求，以谐振模式为基本工作原理。用系统强迫振动响应公式表述如下：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{\sqrt{{[1-{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2]}^2+{(2\mathrm{\ξ\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2}}$

其中H(ω)表示系统响应的振幅与系统在恒力作用下静态位移之比，也叫系统的放大因子；ω为系统的激励频率；ω_n为系统的固有频率，ξ为系统阻尼。

当振镜的工作频率尽量接近振镜的固有频率时，高速振镜具有稳定和放大的角度输出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：所用压电堆驱动器具有大的负载能力和快速响应能力，能实现高速振镜的大通光口径(40mm以上)、高工作频率(2000Hz以上)、较大转角范围(30′以上)等技术要求，而压电堆驱动器和镜座弹性结构是实现这些技术的关键，弹性结构和刚性部分设计为一体。刚性结构与镜面粘接，弹性结构既能对压电堆驱动器进行预紧和非运动方向的约束，又能传递压电堆驱动器的激励能量，并在谐振模式中将压电堆驱动器的微量伸缩运动转化为镜面的大角位移输出，本实用新型的弹性结构和刚性结构非常简单，加工方便，节约材料。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为图1中镜座的放大视图；

图3为图2的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

如附图1所示，一种大口径高速压电振镜，包括镜面1、镜座2、柔性头3、压电堆驱动器4、位置传感器5和底座6，其中镜面1无应力粘结在镜座2之上，镜座2下方与柔性头3相连，压电堆驱动器4下端固定于底座6之上，压电堆驱动器4上端粘有柔性头3，柔性头3的主要作用是减小压电堆驱动器4所承受的剪切力。位置传感器5固定于底座6中部上方同时位于镜座2下方，用于感知镜面1的实际转角位置，可与计算机及驱动电路构成高速振镜的闭环反馈系统，实现高速振镜的精密位置输出。所述的压电堆驱动器4有一对，分别安装在镜座2的两侧，工作时互做反方向运动，形成与镜面1相同工作模式的外部激励力矩，使镜面1受迫振动，从而实现高速压电振镜的转角输出，弹性结构与21与柔性头3相连。

如图2、3所示，镜座2分为弹性结构21和刚性结构20，镜座2的刚性结构20为圆环形或椭圆环形，大小与镜面1相适配，弹性结构21为条形。刚性结构位于镜面1下方并直接与镜面1粘接，弹性结构21为压电堆驱动器4提供预压力。镜座2的作用是用来连接镜面1，与镜面1采用同类材料，以保证高速振镜的温度稳定性；镜座2具有一定的刚度，可减小因高速振镜工作时的扭力造成镜面1的变形；镜座2由刚性结构20和弹性结构21组成，并设计为一体，并通过弹性结构21连接到底座6和柔性头3上。镜座2的弹性结构21参数影响大口径高速压电振镜的工作频率：增加弹性结构刚度，就能提高大口径高速压电振镜的谐振频率，因基于谐振工作原理，也就提高了大口径高速压电振镜的工作频率；另外，为保持镜面1的原始光学面形，镜面1与镜座2不采用机 械连接，而采用无应力粘结技术连接，减小镜面1装配引起的面形变化。弹性结构两个T字形结构，与柔性头3、底座6相连，其作用是为压电堆驱动器4提供预压力，并约束压电堆驱动器4除伸缩变形方向以外的运动自由度；弹性结构还将压电堆驱动器4的伸缩运动转化为镜面1的转动，这一转化是在弹性结构的谐振模式中进行的，在非谐振频率处，镜面1几乎不会转动；弹性结构的主要结构尺寸厚度和长度是决定高速振镜工作频率和转角范围关键参数；刚性部分主要与镜面1粘结，并减小工作扭力对镜面1面形的影响。

镜面1镜面使用光学玻璃、超硬铝、碳化硅等能光学加工的非金属或金属材料，通光口径为40-100mm，其形状为圆形或椭圆形。采用轻量化结构设计，使镜面在保持良好动静态光学面形时，具有尽量小的转动惯量；镜面1单独进行光学加工和镀膜，然后进行组装。

镜面转角输出与压电堆驱动器的激励输入比可用系统强迫振动响应公式表述如下：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{\sqrt{{[1-{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2]}^2+{(2\mathrm{\ξ\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2}}$

其中H(ω)表示系统响应的振幅与系统在恒力作用下静态位移之比，也叫系统的放大因子；ω为系统的激励频率；ω_n为系统的固有频率，ξ为系统阻尼。

当压电堆驱动器的激励频率接近大口径高速压电振镜的固有频率时，大口径高速压电振镜具有稳定和放大的角度输出。

现再详细介绍本实用新型可以选用的具体尺寸和材料，但不作为对本实用新型的保护范围的限定。

我们可以选用镜面尺寸为短轴为40mm、长轴为56mm的椭圆形镜面，镜面材料为LC4超硬铝，镜座选用航空铝材料，并在参数选取时设计弹性结构的第三阶谐振模式为镜面的工作模式，即：镜面以短轴为中心、在长轴方向转动； 选用的压电堆驱动器具有50nm/V变形灵敏度；所实现的大口径高速压电振镜在2100Hz工作时、转角达到30′。

本实用新型的加工过程如下：首先将压电堆驱动器4一端固定于底座6上、一端与柔性头3粘结，镜座2同时连接在柔性头3、底座6上，镜面1利用金刚石车床精车得到良好的原始光学面形并根据需要镀制光学膜，最后用无应力粘结剂将镜面1粘结在镜座2上，位置传感器5安装在底座上，非接触测量镜面1的实际转角位置。

Claims (3)

1.一种简易镜座式大口径高速压电振镜，包括镜面(1)、镜座(2)、柔性头(3)、驱动器、位置传感器(5)和底座(6)，其中镜面(1)无应力粘结在镜座(2)之上，镜座(2)下方与柔性头(3)相连，驱动器下端固定于底座(6)之上，驱动器上端粘有柔性头(3)，位置传感器(5)固定于底座(6)中部上方同时位于镜座(2)下方，用于感知镜面(1)的实际转角位置，其特征在于：所述的驱动器为压电堆驱动器(4)，并且有一对，分别安装在镜座(2)的两侧，工作时互做反方向运动，形成与镜面(1)相同工作模式的外部激励力矩，使镜面(1)受迫振动；而镜座(2)分为弹性结构(21)和刚性结构(20)，刚性结构(20)位于镜面(1)下方并直接与镜面(1)粘接，弹性结构(21)与柔性头(3)相连，弹性结构(21)为压电堆驱动器(4)提供预压力。

2.根据权利要求1所述的简易镜座式大口径高速压电振镜，其特征在于：所述的镜座(2)的刚性结构(20)为圆环形或椭圆环形，大小与镜面(1)相适配，弹性结构(21)为条形。

3.根据权利要求1所述的简易镜座式大口径高速压电振镜，其特征在于：镜面使用光学玻璃、超硬铝、碳化硅材料，通光口径为40-100mm，其形状为圆形或椭圆形。 

Images