專利名稱：一種二維快速控制反射鏡的制作方法
一種二維快速控制反射鏡技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光束控制領(lǐng)域，具體涉及一種二維快速控制反射鏡。
背景技術(shù)：
空間激光通信是指利用激光作為信息載體進(jìn)行空間包括大氣、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間通信。激光空間通信與傳統(tǒng)的微波空間通信相比，波長更短，具有高度的想干性和空間定向性，這使得空間激光通信具有信號方向性強(qiáng)、能量集中、沒有同頻干擾和臨近波段的串?dāng)_、傳輸協(xié)議容易疊加、簡便性、寬帶性、無干擾、無需頻率審批、通信保密性好等優(yōu)勢，同時也使得光束抖動對于通信鏈路的影響更為顯著。在實(shí)際的空間通信系統(tǒng)中，由于大氣湍流和通信載體姿態(tài)抖動的影響，使得空間通信激光經(jīng)常偏離接收探測器， 嚴(yán)重影響通信效率。二維快速控制反射鏡可以通過對光束的實(shí)時調(diào)整和控制，保證激光通信鏈路的穩(wěn)定，是空間激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。傳統(tǒng)的二維快速控制反射鏡基于音圈電機(jī)或者二維轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)，響應(yīng)速度不高，機(jī)架的諧振頻率低，容易引起諧振。
望遠(yuǎn)鏡大大提高了人類觀察遙遠(yuǎn)目標(biāo)的能力，但是望遠(yuǎn)鏡發(fā)明后不久，人們就發(fā)現(xiàn)大氣湍流的動態(tài)干擾對光學(xué)觀測有影響。大氣湍流的動態(tài)擾動會使大口徑望遠(yuǎn)鏡所觀測到的星像不斷抖動而且不斷改變成像光斑的形狀。快速控制反射鏡也是自適應(yīng)技術(shù)中的一個重要器件，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以使光學(xué)系統(tǒng)具有自動適應(yīng)外界條件變化、始終保持良好工作狀態(tài)的能力，從而有效改善成像質(zhì)量。
現(xiàn)有的快速控制反射鏡主要有音圈電機(jī)和壓電陶瓷兩種驅(qū)動方式。一般來說，前者掃描角度較大但諧振頻率較低，后者掃描角度較小但是掃描頻率高?，F(xiàn)有的壓電驅(qū)動快速控制反射鏡設(shè)計(jì)遇到的難點(diǎn)和不足主要包括該類型快速控制反射鏡需要預(yù)加一個中心電壓，反射鏡和支撐方式無法采用固定方式裝配，限制了柔性支撐方式的設(shè)計(jì)；對稱式的二維結(jié)構(gòu)沒有充分利用空間，會增加系統(tǒng)的尺寸；二維柔性教練的聯(lián)接方式往往會引入X軸和Y軸之間的干擾，影響光束控制的精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種二維快速控制反射鏡，該反射鏡具有驅(qū)動速度快，控制精度高，沒有機(jī)械磨損，機(jī)構(gòu)緊湊，空間利用率高，無軸間干擾，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，并且體積小，重量輕，剛度高，可實(shí)現(xiàn)單鏡面二維掃描。
本發(fā)明提供的二維快速控制反射鏡，其特征在于，它包括反射鏡片，第一、第二支架，第一柔性鉸鏈，第一至第三壓電驅(qū)動器，一級傾斜平臺，底座，以及控制驅(qū)動系統(tǒng)；
第一支架和第二支架對稱固定在底座的一條中軸線上，一級傾斜平臺位于第一支架和第二支架之間的下方，三個壓電驅(qū)動器依次排列在一級傾斜平臺和第一支架、第二支架所包圍的空間內(nèi)，其中，第一驅(qū)動器的上端與第一支架固定連接，第三驅(qū)動器的上端與第二支架固定連接，第一驅(qū)動器和第三驅(qū)動器的下端均與一級傾斜平臺相連；第二驅(qū)動器下端固定在一級傾斜平臺的底部，上端通過第一柔性鉸鏈與一級傾斜平臺頂部連接，反射鏡片固定在第一柔性鉸鏈上；所述控制驅(qū)動系統(tǒng)與第一至第三壓電驅(qū)動器電連接，用于實(shí)現(xiàn)對反射鏡片偏轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)控制。
本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明提供的二維快速控制反射鏡，相對于同類產(chǎn)品， 諧振頻率和控制帶寬高，角度控制精確，結(jié)構(gòu)緊湊，軸間干擾極低。由于使用了彈性鉸鏈結(jié)構(gòu)，反射鏡在偏轉(zhuǎn)運(yùn)動中無摩擦損耗，使其工作壽命長，無需潤滑，可免維護(hù)。本發(fā)明裝置能夠滿足自由空間光通信、自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償、和激光雷達(dá)的要求。


圖I為發(fā)明實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)示意圖(控制驅(qū)動系統(tǒng)在圖I中省略)；
圖2為壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖3為位移放大機(jī)構(gòu)原理圖(左邊是正視圖，右邊是側(cè)視圖)；
圖4為一級傾斜平臺結(jié)構(gòu)示意圖5為第一級傾斜結(jié)構(gòu)示意圖6為第一級傾斜結(jié)構(gòu)的等軸測圖7為第二級傾斜結(jié)構(gòu)示意圖8為發(fā)明控制驅(qū)動系統(tǒng)及算法實(shí)現(xiàn)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
參照圖1，本實(shí)例提供的反射鏡包括反射鏡片1，第一、第二支架2、3，第一柔性鉸鏈4，第一至第三壓電驅(qū)動器5、6、7，一級傾斜平臺8，底座9，以及控制驅(qū)動系統(tǒng)。
第一支架2和第二支架3對稱固定在底座9兩條中軸線其中之一上，一級傾斜平臺8位于第一支架2和第二支架3之間的下方，三個壓電驅(qū)動器5、6、7依次排列在一級傾斜平臺8和第一支架2、第二支架3的之間空間內(nèi)，其中，第一驅(qū)動器5的上端與第一支架2 固定連接，第三驅(qū)動器7的上端與第二支架3固定連接，第一驅(qū)動器5和第三驅(qū)動器7的下端均與一級傾斜平臺8相連。第二驅(qū)動器6下端固定在一級傾斜平臺8的底部，上端通過第一柔性鉸鏈4與一級傾斜平臺8頂部連接，反射鏡片I固定在第一柔性鉸鏈4上。
控制驅(qū)動系統(tǒng)與第一至第三壓電驅(qū)動器電連接，用于實(shí)現(xiàn)對反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)控制。
如圖2所示，三個壓電驅(qū)動器5、6、7結(jié)構(gòu)相同，現(xiàn)以第一壓電驅(qū)動器5為例說明其結(jié)構(gòu)。第一壓電驅(qū)動器5由位移放大機(jī)構(gòu)5a，電阻應(yīng)變片5b，壓電陶瓷5c組成。參照圖3， 位移放大機(jī)構(gòu)5a采用三角放大原理，具體表現(xiàn)為一個橢圓形的彈性圈，當(dāng)彈性圈左右兩端伸長時，其上下兩端會收縮，且這種收縮位移正比于兩端的伸長位移，位移放大機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)主要由仰角0，彈性圈最小厚度d，拐角處圓弧半徑r和放大機(jī)構(gòu)寬度t決定，理論上放大倍數(shù)A=Cot S。
電阻應(yīng)變片5b緊密粘在壓電陶瓷5c上，壓電陶瓷5c緊密嵌入位移放大機(jī)構(gòu)5a 中空部分。給壓電陶瓷5c兩端輸入電壓，壓電陶瓷5c就會有軸向伸長位移(圖2箭頭所示)，這種伸長作用在位移放大機(jī)構(gòu)5a上，就會產(chǎn)生豎直方向經(jīng)過放大的收縮位移，電阻應(yīng)變片5b會隨著壓電陶瓷5c的軸向伸長產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化，通過控制驅(qū)動系統(tǒng)可以探測壓電陶瓷5c的位移變化進(jìn)而得出反射鏡片I的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)(反射鏡片I的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)也是所述快速控制反射鏡的偏轉(zhuǎn)狀態(tài))。
如圖4所示，一級傾斜平臺8由連接桿8a，一對第二柔性鉸鏈Sb和底面板Sc組成。底面板Sc為長條形平面板，一對第二柔性鉸鏈Sb對稱位于底面板Sc兩邊，且靠近底面板8c的一端，連接桿8a固定在底面板Sc另一端，是由一豎直長條形平面板和水平長條形平面板組成，固定后，連接桿8a的水平長條形平面部分平行的位于底面板Sc正上方。
本發(fā)明采用兩級交錯傾斜的方式來消除二維偏轉(zhuǎn)的軸間干擾。圖5為第一級傾斜 (X軸)的正視圖，圖6為圖5的等軸測圖，圖7為第二級傾斜(y軸)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，第二壓電驅(qū)動器6中的位移放大機(jī)構(gòu)、電阻應(yīng)變片、壓電陶瓷分別標(biāo)示為6a、6b和6c。
第一級傾斜原理為給第一、第三壓電驅(qū)動器的兩個壓電陶瓷加上不同電壓時，第一、第三壓電驅(qū)動器的位移放大機(jī)構(gòu)會向上有不同的位移，一級傾斜平臺8就發(fā)生傾斜，如圖6所示。如圖7所示，第二壓電驅(qū)動器6底端固定在一級傾斜平臺底面板Sc上，上端通過第一柔性鉸鏈4與一級傾斜平臺8的連接桿8a相連，反射鏡片I固定在第一柔性鉸鏈4 上端。一維傾斜平臺8發(fā)生傾斜時，壓電驅(qū)動器6，第一柔性鉸鏈4，反射鏡片I都發(fā)生傾斜， 此時為X軸傾斜。第二級傾斜原理為給壓電陶瓷6c加上電壓時，位移放大機(jī)構(gòu)6a會向下運(yùn)動，作用在第一柔性鉸鏈4和反射鏡片I上，使得反射鏡片I發(fā)生Y軸傾斜。將兩級傾斜結(jié)合起來，同時給三個壓電陶瓷通上不同電壓時，反射鏡片I就會產(chǎn)生二維傾斜，實(shí)現(xiàn)二維光束反射。由于Y軸傾斜屬于一級傾斜平臺8和其上各部件之間(壓電驅(qū)動器6，第一柔性鉸鏈4)的內(nèi)力，對X軸傾斜完全沒有影響，因此該發(fā)明幾乎沒有軸間干擾。同時采用三個壓電驅(qū)動器驅(qū)動，排列緊湊，進(jìn)一步節(jié)約空間，提高空間利用率。
如圖8所示，控制驅(qū)動系統(tǒng)包括信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP控制器、PID控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動電路。
信號處理電路用于接收壓電驅(qū)動器5，6，7(電阻應(yīng)變片)的信號，并提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，提供給DSP控制器。
DSP控制器用于通過編程實(shí)現(xiàn)控制算法。它對接收信號進(jìn)行處理，得到偏轉(zhuǎn)角度誤差，進(jìn)行數(shù)字PID控制，得到控制信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供給驅(qū)動電路。
驅(qū)動電路將接收信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動三個壓電陶瓷。
本發(fā)明裝置工作時，同時給三個壓電陶瓷通上不同電壓，通過壓電陶瓷與機(jī)械結(jié)構(gòu)(主要涉及第一柔性鉸鏈4，三個位移放大機(jī)構(gòu)，一級傾斜平臺8)相互作用，使得反射鏡片I發(fā)生二維傾斜。三個電阻應(yīng)變片會隨著三個壓電陶瓷的伸長產(chǎn)生電阻變化，信號處理電路探測這種電阻變化，并利用三個電阻變化量得到反射鏡片I的偏轉(zhuǎn)角度y(t)，再提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。通用測量方式同時測定掃描鏡片I的偏轉(zhuǎn)角度和三個電阻應(yīng)變片的電阻變化量，即可得到X軸的偏轉(zhuǎn)角度與第一、第三壓電驅(qū)動器的電阻應(yīng)變片電阻變化差值以及y軸偏轉(zhuǎn)角度與第二壓電驅(qū)動器的電阻應(yīng)變片電阻變化量的比例關(guān)系。信號處理電路的信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路到達(dá)DSP控制器，根據(jù)先前實(shí)驗(yàn)測得的比例關(guān)系算出反射鏡片I的偏轉(zhuǎn)角度y(t)，將算出的偏轉(zhuǎn)角度y(t)與需要的目標(biāo)偏轉(zhuǎn)角度r(t)(如需要將掃描工作在X軸偏轉(zhuǎn)θχ角度，y軸偏轉(zhuǎn)9y角度，則目標(biāo)偏轉(zhuǎn)角度r(t) = [ θ χ Θ y])進(jìn)行對比，對其角度誤差經(jīng)PID控制器進(jìn)行數(shù)字PID (比例積分微分)控制，再將控制輸出信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，再提供給驅(qū)動電路施加到壓電驅(qū)動器上，實(shí)現(xiàn)對反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)控制。該發(fā)明實(shí)施例所述控制系統(tǒng)，只是一種典型實(shí)例，并非唯一實(shí)例。
實(shí)例
按照本發(fā)明實(shí)施例所述，壓電陶瓷采用PI公司的P885. 91型號壓電陶瓷，位移放大機(jī)構(gòu)最小厚度d取Imm,仰角3取8。,拐角處圓弧取O. 6mm,寬度t取7mm,電阻應(yīng)變片采用濟(jì)南精鐘衡電子BA350型號電阻應(yīng)變片，再配合其他結(jié)構(gòu)建成的二維快速控制反射鏡， 其一階諧振頻率可達(dá)到700KHz，閉環(huán)控制帶寬超過ΙΟΟΟΚΗζ，二維方向的光學(xué)偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)到±1.5°，系統(tǒng)的角控制精度可達(dá)4 μ rad，軸間影響幾乎沒有。
以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種ニ維反射鏡,其特征在于,它包括反射鏡片(I)，第一、第二支架(2、3),第一柔性鉸鏈(4)，第一至第三壓電驅(qū)動器(5、6、7)，一級傾斜平臺(8)，底座(9)，以及控制驅(qū)動系統(tǒng)； 第一支架(2)和第二支架(3)對稱固定在底座(9)的一條中軸線上，一級傾斜平臺(8)位于第一支架(2)和第二支架(3)之間的下方，三個壓電驅(qū)動器(5、6、7)依次排列在ー級傾斜平臺(8)和第一支架(2)、第二支架(3)所包圍的空間內(nèi)，其中，第一驅(qū)動器(5)的上端與第一支架(2)固定連接，第三驅(qū)動器(7)的上端與第二支架(3)固定連接，第一驅(qū)動器(5)和第三驅(qū)動器(7)的下端均與一級傾斜平臺(8)相連；第二驅(qū)動器(6)下端固定在一級傾斜平臺(8)的底部，上端通過第一柔性鉸鏈(4)與一級傾斜平臺(8)頂部連接，反射鏡片(I)固定在第一柔性鉸鏈(4)上；所述控制驅(qū)動系統(tǒng)與第一至第三壓電驅(qū)動器(5、6、7)電連接，用于實(shí)現(xiàn)對反射鏡片(I)偏轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ニ維反射鏡，其特征在于，第一至第三壓電驅(qū)動器(5、6、7)結(jié)構(gòu)相同，壓電驅(qū)動器均由位移放大機(jī)構(gòu)、電阻應(yīng)變片和壓電陶瓷組成；電阻應(yīng)變片緊密粘在壓電陶瓷上，壓電陶瓷緊密嵌入位移放大機(jī)構(gòu)中空部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ニ維反射鏡，其特征在于，位移放大機(jī)構(gòu)為ー個橢圓形的彈性圏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的ニ維反射鏡，其特征在于，一級傾斜平臺(8)由連接桿(8a),—對第二柔性鉸鏈(8b)和底面板(8c)組成；底面板(8c)為長條形平面板,ー對第二柔性鉸鏈(8b)對稱位于底面板(Sc)兩邊，且靠近底面板(Sc)的一端，連接桿(8a)固定在底面板(8c)另一端，由ー豎直長條形平面板和水平長條形平面板組成，連接桿(8a)的水平長條形平面部分平行的位于底面板(8c)正上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的ニ維反射鏡，其特征在于，所述控制驅(qū)動系統(tǒng)包括信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP控制器、PID控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動電路； 信號處理電路用于接收各壓電驅(qū)動器的信號，并提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路； 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，提供給DSP控制器； DSP控制器用對接收信號進(jìn)行處理，得到偏轉(zhuǎn)角度誤差，進(jìn)行數(shù)字PID控制，得到控制信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供給驅(qū)動電路； 驅(qū)動電路將接收信號進(jìn)行功率放大，用于驅(qū)動三個壓電陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了二維快速控制反射鏡，包括反射鏡片，第一、第二支架，第一柔性鉸鏈，第一至第三壓電驅(qū)動器，一級傾斜平臺，底座，以及控制驅(qū)動系統(tǒng)；二支架對稱固定在底座的一條中軸線上，一級傾斜平臺位于二支架之間的下方，三個壓電驅(qū)動器依次排列在一級傾斜平臺和第一支架、第二支架所包圍的空間內(nèi)，驅(qū)動器通過第一柔性鉸鏈與一級傾斜平臺頂部連接，反射鏡片固定在第一柔性鉸鏈上；控制驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對反射鏡片偏轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)控制。本發(fā)明具有驅(qū)動速度快，控制精度高，沒有機(jī)械磨損，機(jī)構(gòu)緊湊，空間利用率高，無軸間干擾，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，并且體積小，重量輕，剛度高，可實(shí)現(xiàn)單鏡面二維掃描。
文檔編號G02B7/198GK102981243SQ20121043472
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者陳巍, 賴建軍, 陳四海 申請人:華中科技大學(xué)