柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡的製作方法

2023-04-24 04:05:36 2

專利名稱：柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡的製作方法
技術領域：
本發明屬於光束控制技術領域，主要涉及一種柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡。
背景技術：
微角擺控制反射鏡常用於光學系統中，控制光束的快速角度偏轉，實現光束的方向校正與穩定。如自適應光學系統中用於校正光束波前的整體傾斜；無線光通信技術領域中用於實現光束的對準與穩定；雷射雷達中用於雷射光束的大範圍掃描以及對目標的快速瞄準與跟蹤；高能雷射以及精密準直領域中用於實現光束方向的穩定。在這些光學系統的應用中，為了提高光束控制精度，獲得良好的補償、跟蹤和控制效果，要求光束快速偏轉控制裝置必須具有高的角偏轉靈敏度以及快速響應的能力，即高角靈敏度與高頻響，並且在雷射雷達等一些場合要求同時具有較大的角度掃描範圍。目前，光束的快速偏轉控制方法包括有機械式光束偏轉器，傳統的機械式光束偏轉器主要是基於萬向節或柔性鉸鏈結構實現的，是目前應用較多的一種光束偏轉方式。萬向支架結構是將反射鏡安裝在萬向支架上，通過萬向支架的旋轉帶動反射鏡實現出射光束任意角度的偏轉，萬向支架結構的優點是可實現極大空間角度的光束偏轉，但用這種萬向支架結構進行光束的偏轉控制，均需操作整個機架，由於機架結構慣量大，頻帶窄，響應慢，要達到高的精度是較困難的，只適合作中等精度或低速情況下的光束偏轉控制。基於柔性鉸鏈結構的微角擺控制反射鏡具有結構緊湊、無摩擦損耗等特點，利用壓電陶瓷或音圈電機驅動器推動柔性鉸鏈或直接推動反射鏡實現角度偏轉，由於採用高位移靈敏度的壓電陶瓷或音圈電機驅動器，可以實現非常高的光束偏轉靈敏度，但是其快速偏轉時的響應速度常受到柔性鉸鏈自身的諧振頻率限制，隨著實際應用中對光束偏轉靈敏度要求的提高，在壓電陶瓷驅動器輸出的位移分辨力一定的情況下，為了增加柔性鉸鏈結構的角度偏轉靈敏度，一方面要求柔性鉸鏈的柔性要儘可能好，另一方面需要增加柔性鉸鏈轉臂的長度，這兩方面都會降低其自身的諧振頻率，使得基於柔性鉸鏈結構的微角擺控制反射鏡在角度偏轉靈敏度與動態響應速度之間存在矛盾。中國科學院光電技術研究所李新陽等人製作了單點柔性支撐非對稱結構的二維高速傾斜鏡，根據測量數據建立了高速傾斜反射鏡機械諧振的動態數學模型，提出採用網絡濾波技術來減小傾斜反射鏡的機械諧振，使得高速傾斜反射鏡的控制穩定性和控制帶寬都得到了較大改善。但是該方法並沒有從系統結構上解決機械諧振的問題，並且該方法中的動態數學模型直接會影響到網絡濾波的效果，建立準確的動態數學模型比較困難，限制了控制穩定性和帶寬的進一步提高。中國科學院光電技術研究所朱衡等人提出一種基於薄板徑向支撐的高速壓電傾斜鏡，在鏡片與驅動器連接處添加了薄板徑向支撐，用以限制徑向偏移，同時增大軸向剛度，有效改進了傾斜鏡的整體剛度分布，提高了原結構傾斜鏡的諧振頻率。但結構較複雜，對安裝要求較高，並且驅動點距反射鏡轉動中心的距離較小，限制了系統的角度分辨力。國防科學技術大學範大鵬等人在2010年申請的發明專利「基於解析度倍增柔順機構的光束精密指向裝置」(申請號CN 101794020. A)中，提出一種採用解析度倍增槓桿結構，利用倍增槓桿的兩端位移量成比例變化的特點來提高系統的角度分辨力，具有結構緊湊、定位精度高、角度分辨力高等特點，但由於平行導向柔順機構和解析度倍增槓桿的柔性鉸鏈均為彈簧片結構，系統的響應速度較低，無法在需要快速響應的情況下使用。新型的機械式光束偏轉器主要有偏心透鏡式、旋轉稜鏡式、偏心微透鏡陣列式、可控微稜鏡陣列式。美國Dayton大學J. Gibson等人提出的偏心透鏡式光束偏轉器，將前後兩個透鏡共焦面放置，前一個透鏡固定，通過後一個透鏡相對於前一透鏡的橫向平移實現出射光束的角度偏轉，與傳統的機械式偏轉結構相比，具有無旋轉光軸、偏轉角大(可達到45° )等特點；前蘇聯建立的用於直線度平面度測量的國家專用基準裝置中用到一種同樣的結構， 通過後一個透鏡的平移將入射光束相對於光軸的角度變化轉換為出射光束的平移，實現出射光束相對於入射光束的角度偏轉，以達到校正光束角漂移量的目的J. Gibson等人還提出一種旋轉楔形稜鏡式光束偏轉器，將兩個雙膠合消色散楔形稜鏡相對放置，兩個楔形稜鏡以入射光束為旋轉軸作圓周旋轉運動，實現出射光束方向的偏轉；以上兩種光束偏轉器均能達到分辨力lmrad、偏轉速度lrad/s以及大於45°的二維角度偏轉範圍。由於裝置中採用透鏡、楔形稜鏡的運動實現光束偏轉，體積、質量和功耗沒有得到改善，光束偏轉響應速度難以得到提高，並且透鏡的二維平移容易產生耦合，兩個楔形稜鏡的旋轉運動控制過程較複雜。土耳其Koc大學的A. Akatay和H. Urey提出一種採用二元光學製作的高分辨力微透鏡陣列光束偏轉器，由一對間距為幾微米的微透鏡陣列組成，前組為正透鏡，後組為負透鏡，準直光經正透鏡後聚焦，然後經負透鏡再變為準直光，當正負透鏡陣列之間產生橫向相對運動時，出射準直光束的方向就會發生偏轉。利用微光學元件代替傳統光學元件，可以有效地減小光束偏轉系統的體積、質量和功耗，這種透鏡只需很小的相對位移輸出光束就會產生很大的角度偏轉，透鏡陣列越小，達到相同的偏轉所需的相對位移就越小，因此這種掃描器的掃描速率能達到很高，但掃描角度相對較小(能夠達到幾度)，透過率低，微光學元件的製作工藝是決定其性能的關鍵因素，目前工程應用中尚不成熟。美國Cincinnati大學N. R. Smith等人提出一種電潤溼微楔形稜鏡(EMPs)的光束偏轉裝置，在微空腔中裝入一定折射率的液體材料，液體接地，空腔的兩側為兩個電極板， 當對兩極板施以不同的電壓時，空腔中的液體上表面將隨極板電壓不同而呈現出不同角度的斜面，與液體底面構成楔角，成為一個楔角可控的微楔形稜鏡，通過控制空腔兩側的極板電壓改變微楔形稜鏡的楔角，實現對光束出射角度的偏轉控制。此方法中光束的最大偏轉角度與所用液體材料的折射率有關，所實現的光束偏轉範圍可以達到30°，響應速度為毫秒級，該方法中由於空腔壁的存在使得光束通過時存在一定程度的損失，使用時空腔壁兩側電極板之間的電壓需要達到幾十伏，並且為了增大光束偏轉角，需要增加電極板之間的電壓差以增大液體微楔形稜鏡的楔角，而電極板之間的間距為微米至毫米量級，從而在空腔內形成非常強的電場，容易造成擊穿，並且該器件的製作過程比較複雜。

發明內容
本發明的目的就是為了克服現有技術的不足，提供一種柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡，達到具有角位移靈敏度高、動態響應速度快的目的。本發明的目的是這樣實現的一種柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡，在固定件上安裝反射鏡，構成鏡架組件；柔性輔助臂跟隨偏轉機構由底座、中心柔性鉸鏈、柔性輔助臂、支點鉸鏈及剛性橫梁構成，其中中心柔性鉸鏈固定在底座中間部位上，在底座上位於中心柔性鉸鏈兩側對稱部位處分別固裝柔性輔助臂，剛性橫梁通過中心柔性鉸鏈與底座連接，兩根柔性輔助臂的外側懸臂端通過支點鉸鏈與剛性橫梁兩外側端相連；反射鏡通過固定件安裝在剛性橫梁上成一體；壓電陶瓷驅動器、壓電陶瓷驅動電源、壓電陶瓷緊固件構成驅動機構， 其中兩個壓電陶瓷驅動器對稱安裝在底座兩側部位上，且位於剛性橫梁下方，與剛性橫梁接觸配合，導線將兩個壓電陶瓷驅動器分別於壓電陶瓷驅動電源連通；控制系統由計算機系統和位移傳感器構成，兩個位移傳感器相對於中心柔性鉸鏈對稱配裝在底座上，且與剛性橫梁接觸配合，導線將兩個位移傳感器分別與計算機系統主機連通，導線將計算機系統主機與壓電陶瓷驅動電源連通。所述的柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡中壓電陶瓷驅動器及壓電陶瓷驅動電源分別為電致伸縮驅動器及其驅動源、或者磁致伸縮驅動器及其驅動源、或者音圈電機驅動器及其驅動源。所述的柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡中位移傳感器為電容傳感器、或者電感傳感器、或者電渦流傳感器。本發明的顯著特點與優勢在於1、本發明中通過壓電陶瓷推動剛性橫梁發生角度偏轉，在靠近壓電陶瓷驅動點的位置增加短的柔性輔助臂，柔性輔助臂通過支點鉸鏈與剛性橫梁相連，支點鉸鏈的作用可保證剛性橫梁在偏轉的過程中不產生彎曲變形，從而可以形成較長的剛性轉臂，進而配合壓電陶瓷驅動器的高位移分辨力，可以實現超高角位移靈敏度；2、本發明中由於柔性輔助臂較短，並且柔性輔助臂的懸臂端在靠近壓電陶瓷驅動點的位置與剛性橫梁相連，剛性橫梁在轉動過程中偏離中心位置時，柔性輔助臂通過支點鉸鏈在靠近壓電陶瓷驅動點的位置對剛性橫梁產生一個較大的輔助回復力，使剛性橫梁在轉動過程中無滯後地快速跟隨壓電陶瓷的輸出端，保證機構的快速動態跟蹤響應能力。


圖1是本發明總體裝配結構示意圖；圖2是本發明總體拆解結構示意圖；圖3是圖1中底座與剛性橫梁、中心柔性鉸鏈、柔性輔助臂、支點鉸鏈裝配連接結構示意圖；圖中件號說明1、反射鏡，2、固定件，3、剛性橫梁，4、中心柔性鉸鏈，5、柔性輔助臂，6、支點鉸鏈，7、底座，8、壓電陶瓷驅動器，9、壓電陶瓷驅動電源，10、計算機系統，11、位移傳感器，12、壓電陶瓷緊固件。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明具體實施方案進行詳細描述。如圖1和圖2所示，本發明的柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡包括鏡架組件、柔性輔助臂跟隨偏轉機構、驅動機構、控制系統。鏡架組件包括反射鏡1、固定件2，固定件2將反射鏡1固定於柔性輔助臂跟隨偏轉機構上，隨柔性輔助臂跟隨偏轉機構的偏轉而發生角度偏轉，入射光束經反射鏡1反射後出射，通過控制柔性輔助臂跟隨偏轉機構來控制反射鏡1的角度偏轉，實現出射光束的方向控制；柔性輔助臂跟隨偏轉機構包括底座7、固定於底座7上的中心柔性鉸鏈4、固定於底座7上相對於中心柔性鉸鏈4對稱的兩個短的柔性輔助臂5、以及剛性橫梁3，剛性橫梁 3通過中心柔性鉸鏈4與底座7相連，柔性輔助臂5的外側懸臂端靠近剛性橫梁3的兩端， 柔性輔助臂5的外側懸臂端通過支點鉸鏈6與剛性橫梁3相連，由於支點鉸鏈6的作用，可保證剛性橫梁3在偏轉的過程中不產生彎曲變形，從而可以形成較長的剛性轉臂，配合壓電陶瓷驅動器8的高位移分辨力，可以實現超高角位移靈敏度；同時剛性橫梁3在轉動過程中偏離中心位置時，柔性輔助臂5的懸臂端通過支點鉸鏈6在靠近壓電陶瓷驅動點的位置對剛性橫梁3產生一個較大的輔助回復力，使剛性橫梁3在轉動過程中無滯後地快速跟隨壓電陶瓷的輸出端，保證機構的快速動態跟蹤響應能力；鏡架組件中反射鏡固定件2將反射鏡1固定於剛性橫梁3上，位於剛性橫梁3的中間位置，反射鏡1隨剛性橫梁3發生角度偏轉；驅動機構包括兩個固定於底座7上直接作用於剛性橫梁3兩端的壓電陶瓷驅動器8、相應的壓電陶瓷驅動電源9、以及壓電陶瓷緊固件12，壓電陶瓷驅動器8相對於中心柔性鉸鏈4對稱布置於剛性橫梁3下方兩側，以差動的方式驅動剛性橫梁3發生角度偏轉；控制系統包括計算機系統10以及位移傳感器11，根據所需要的光束偏轉角度控制驅動機構，推動剛性橫梁3使反射鏡1發生角度偏轉，控制系統根據位移傳感器11反饋的轉角信息通過計算機系統10實時調整反射鏡1的偏轉角度，實現光束方向的精確控制； 兩個位移傳感器11相對於中心柔性鉸鏈4對稱放置，以差動的方式工作，將剛性橫梁3的轉角信息實時反饋給計算機系統10。作業時，當需要出射光束偏轉某一角度α時，則反射鏡1應偏轉角度為α/2，計算機系統10控制壓電陶瓷驅動電源9的輸出電壓，分別驅動兩個壓電陶瓷驅動器8，壓電陶瓷驅動器8在剛性橫梁3上的驅動點距剛性橫梁3中心的距離為L，兩個壓電陶瓷驅動器 8以差動的方式工作，即一個發生正向位移，另一個發生負向位移，二者位移量相同，方向相反，壓電陶瓷驅動器8輸出的位移量大小為s = LX tan (α Λ)，壓電陶瓷驅動器8推動剛性橫梁3使反射鏡1繞中心柔性鉸鏈4發生角度偏轉，兩個位移傳感器11以差動的方式工作，將剛性橫梁3的轉角信息反饋給計算機系統10，計算機系統10根據位移傳感器11反饋的轉角信息實時控制壓電陶瓷驅動器8輸出的位移量，從而精確調整反射鏡1的偏轉角度。 剛性橫梁3轉動的同時，通過支點鉸鏈6帶動兩個柔性輔助臂5分別向相反的方向發生偏轉，從而柔性輔助臂5通過支點鉸鏈6在靠近壓電陶瓷驅動點的位置對剛性橫梁3產生一個較大的輔助回復力，剛性橫梁3轉動時受到的回覆力包括中心柔性鉸鏈4的回覆力和兩個柔性輔助臂5的回覆力之和，由於增加了兩個柔性輔助臂5的回覆力，使得剛性橫梁3轉動時受到的回覆力得到增強，使剛性橫梁3在轉動過程中無滯後地快速跟隨壓電陶瓷驅動器8的輸出端，從而大幅度提高了系統的動態跟蹤響應能力。
權利要求
1.一種柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡，其特徵在於在固定件 (2)上安裝反射鏡(1)，構成鏡架組件；柔性輔助臂跟隨偏轉機構由底座(7)、中心柔性鉸鏈 (4)、柔性輔助臂(5)、支點鉸鏈(6)及剛性橫梁(3)構成，其中中心柔性鉸鏈(4)固定在底座(7)中間部位上，在底座(7)上位於中心柔性鉸鏈(4)兩側對稱部位處分別固裝柔性輔助臂(5)，剛性橫梁(3)通過中心柔性鉸鏈⑷與底座(7)連接，兩根柔性輔助臂(5)的外側懸臂端通過支點鉸鏈(6)與剛性橫梁(3)兩外側端相連；反射鏡(1)通過固定件(2)安裝在剛性橫梁C3)上成一體；壓電陶瓷驅動器(8)、壓電陶瓷驅動電源(9)、壓電陶瓷緊固件 (12)構成驅動機構，其中兩個壓電陶瓷驅動器(8)對稱安裝在底座(7)兩側部位上，且位於剛性橫梁C3)下方，與剛性橫梁C3)接觸配合，導線將兩個壓電陶瓷驅動器(8)分別與壓電陶瓷驅動電源(9)連通；控制系統由計算機系統(10)和位移傳感器(11)構成，兩個位移傳感器(11)相對於中心柔性鉸鏈(4)對稱配裝在底座(7)上，且與剛性橫梁C3)接觸配合， 導線將兩個位移傳感器(11)分別與計算機系統(10)主機連通，導線將計算機系統(10)主機與壓電陶瓷驅動電源(9)連通。
2.根據權利要求1所述的柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡，其特徵在於所述的壓電陶瓷驅動器(8)及壓電陶瓷驅動電源(9)分別為電致伸縮驅動器及其驅動源、或者磁致伸縮驅動器及其驅動源、或者音圈電機驅動器及其驅動源。
3.根據權利要求1所述的柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡，其特徵在於所述的位移傳感器(11)為電容傳感器、或者電感傳感器、或者電渦流傳感器。
全文摘要
柔性輔助臂跟隨超高角靈敏度高頻響微角擺控制反射鏡屬於光束控制裝置；包括鏡架組件、柔性輔助臂跟隨偏轉機構、驅動機構、以及控制系統，鏡架組件固定於柔性輔助臂跟隨偏轉機構的剛性橫梁上，入射光束經鏡架組件中的反射鏡後出射，控制系統控制驅動機構推動剛性橫梁，使反射鏡發生角度偏轉，實現出射光束的方向控制；位移傳感器將反射鏡轉角信息反饋給控制系統；在靠近壓電陶瓷驅動點的位置增加柔性輔助臂，並通過支點鉸鏈與剛性橫梁相連，支點鉸鏈保證剛性橫梁在偏轉時不發生變形，實現超高角靈敏度，柔性輔助臂在偏轉時對剛性橫梁提供一個大的輔助回復力，提高動態響應速度；本發明具有角靈敏度高、動態跟蹤響應速度快的特點。
文檔編號G02B26/08GK102354050SQ20111029011
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者崔繼文, 朱凡, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學