基于双轴柔性铰链的高频响二维微角摆控制反射镜

摘要

基于双轴柔性铰链的高频响二维微角摆控制反射镜属于光束控制装置；包括反射镜、基于双轴柔性铰链的二维偏转机构、驱动机构、控制系统，反射镜固配在基于双轴柔性铰链的二维偏转机构的刚性平台上，入射光束经反射镜反射后出射，控制系统通过控制两个正负微驱动机构在对称位置分别沿正反方向高速推动刚性平台，使刚性平台上的反射镜发生微角度偏转，实现出射光束的方向控制，控制系统的位移传感器将反射镜的转角信息反馈给计算机系统，实时调整反射镜的微偏转角度，本发明具有二维偏转方向无耦合、无轴向平移、响应速度快的特点。

说明书

技术领域

本发明属于光束控制技术领域，主要涉及一种基于双轴柔性铰链的高频响二维微角摆控 制反射镜。

背景技术

微角摆控制反射镜常用于光学系统中，控制光束的快速角度偏转，实现光束的方向校正 与稳定。如自适应光学系统中用于校正光束波前的整体倾斜；无线光通信技术领域中用于实 现光束的对准与稳定；激光雷达中用于激光光束的大范围扫描以及对目标的快速瞄准与跟踪； 高能激光以及精密准直领域中用于实现光束方向的稳定。在这些光学系统的应用中，为了提 高光束控制精度，获得良好的补偿、跟踪和控制效果，要求光束快速偏转控制装置必须具有 高的角偏转灵敏度以及快速响应的能力，即高角灵敏度与高频响，并且在激光雷达等一些场 合要求同时具有较大的角度扫描范围。

目前，光束的快速偏转控制方法包括有机械式光束偏转器，传统的机械式光束偏转器主 要是基于万向节或柔性铰链结构实现的，是目前应用较多的一种光束偏转方式。

万向支架结构是将反射镜安装在万向支架上，通过万向支架的旋转带动反射镜实现出射 光束任意角度的偏转，万向支架结构的优点是可实现极大空间角度的光束偏转，但用这种万 向支架结构进行光束的偏转控制，均需操作整个机架，由于机架结构惯量大，频带窄，响应 慢，要达到高的精度是较困难的，只适合作中等精度或低速情况下的光束偏转控制。

基于柔性铰链结构的微角摆控制反射镜具有结构紧凑、无摩擦损耗等特点，利用压电陶 瓷或音圈电机驱动器推动柔性铰链或直接推动反射镜实现角度偏转，由于采用高位移灵敏度 的压电陶瓷或音圈电机驱动器，可以实现非常高的光束偏转灵敏度，但是其快速偏转时的响 应速度常受到柔性铰链自身的谐振频率限制，如何提高柔性铰链的谐振频率是需要研究的问 题，并且柔性铰链结构在进行二维角度偏转时，在二维偏转方向上容易产生耦合。

中国科学院光电技术研究所李新阳等人制作了单点柔性支撑非对称结构的二维高速倾斜 镜，根据测量数据建立了高速倾斜反射镜机械谐振的动态数学模型，提出采用网络滤波技术 来减小倾斜反射镜的机械谐振，使得高速倾斜反射镜的控制稳定性和控制带宽都得到了较大 改善。但是该方法并没有从系统结构上解决机械谐振的问题，并且该方法中的动态数学模型 直接会影响到网络滤波的效果，建立准确的动态数学模型比较困难，限制了控制稳定性和带 宽的进一步提高。

中国科学院光电技术研究所朱衡等人提出一种基于薄板径向支撑的高速压电倾斜镜，在 镜片与驱动器连接处添加了薄板径向支撑，用以限制径向偏移，同时增大轴向刚度，有效改 进了倾斜镜的整体刚度分布，提高了原结构倾斜镜的谐振频率。但结构较复杂，对安装要求 较高，并且驱动点距反射镜转动中心的距离较小，限制了系统的角度分辨力。

国防科学技术大学范大鹏等人在2010年申请的发明专利“基于分辨率倍增柔顺机构的光 束精密指向装置”(申请号：CN 101794020.A)中，提出一种采用分辨率倍增杠杆结构，利用 倍增杠杆的两端位移量成比例变化的特点来提高系统的角度分辨力，具有结构紧凑、定位精 度高、角度分辨力高等特点，但由于平行导向柔顺机构和分辨率倍增杠杆的柔性铰链均为弹 簧片结构，系统的响应速度较低，无法在需要快速响应的情况下使用。

新型的机械式光束偏转器主要有偏心透镜式、旋转棱镜式、偏心微透镜阵列式、可控微 棱镜阵列式。

美国Dayton大学J.Gibson等人提出的偏心透镜式光束偏转器，将前后两个透镜共焦面 放置，前一个透镜固定，通过后一个透镜相对于前一透镜的横向平移实现出射光束的角度偏 转，与传统的机械式偏转结构相比，具有无旋转光轴、偏转角大(可达到45°)等特点；前苏联 建立的用于直线度平面度测量的国家专用基准装置中用到一种同样的结构，通过后一个透镜 的平移将入射光束相对于光轴的角度变化转换为出射光束的平移，实现出射光束相对于入射 光束的角度偏转，以达到校正光束角漂移量的目的；J.Gibson等人还提出一种旋转楔形棱镜 式光束偏转器，将两个双胶合消色散楔形棱镜相对放置，两个楔形棱镜以入射光束为旋转轴 作圆周旋转运动，实现出射光束方向的偏转；以上两种光束偏转器均能达到分辨力1mrad、 偏转速度1rad/s以及大于45°的二维角度偏转范围。由于装置中采用透镜、楔形棱镜的运动实 现光束偏转，体积、质量和功耗没有得到改善，光束偏转响应速度难以得到提高，并且透镜 的二维平移容易产生耦合，两个楔形棱镜的旋转运动控制过程较复杂。

土耳其Koc大学的A.Akatay和H.Urey提出一种采用二元光学制作的高分辨力微透镜阵 列光束偏转器，由一对间距为几微米的微透镜阵列组成，前组为正透镜，后组为负透镜，准 直光经正透镜后聚焦，然后经负透镜再变为准直光，当正负透镜阵列之间产生横向相对运动 时，出射准直光束的方向就会发生偏转。利用微光学元件代替传统光学元件，可以有效地减 小光束偏转系统的体积、质量和功耗，这种透镜只需很小的相对位移输出光束就会产生很大 的角度偏转，透镜阵列越小，达到相同的偏转所需的相对位移就越小，因此这种扫描器的扫 描速率能达到很高，但扫描角度相对较小(能够达到几度)，透过率低，微光学元件的制作工 艺是决定其性能的关键因素，目前工程应用中尚不成熟。

美国Cincinnati大学N.R.Smith等人提出一种电润湿微楔形棱镜(EMPs)的光束偏转装 置，在微空腔中装入一定折射率的液体材料，液体接地，空腔的两侧为两个电极板，当对两 极板施以不同的电压时，空腔中的液体上表面将随极板电压不同而呈现出不同角度的斜面， 与液体底面构成楔角，成为一个楔角可控的微楔形棱镜，通过控制空腔两侧的极板电压改变 微楔形棱镜的楔角，实现对光束出射角度的偏转控制。此方法中光束的最大偏转角度与所用 液体材料的折射率有关，所实现的光束偏转范围可以达到30°，响应速度为毫秒级，该方法中 由于空腔壁的存在使得光束通过时存在一定程度的损失，使用时空腔壁两侧电极板之间的电 压需要达到几十伏，并且为了增大光束偏转角，需要增加电极板之间的电压差以增大液体微 楔形棱镜的楔角，而电极板之间的间距为微米至毫米量级，从而在空腔内形成非常强的电场， 容易造成击穿，并且该器件的制作过程比较复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的不足，提供一种基于双轴柔性铰链的高频响二维 微角摆控制反射镜，达到动态响应速度快、可同时实现二维微角度偏转的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于双轴柔性铰链的高频响二维微角摆控制反射镜，在底座上端面上固装双轴柔性 铰链，刚性平台垂直置于双轴柔性铰链的输出端上，且绕双轴柔性铰链发生二维微角度偏转， 由底座、双轴柔性铰链和刚性平台构成二维偏转机构；反射镜固配在刚性平台上端面上，反 射镜、刚性平台、双轴柔性铰链与底座中心共轴；驱动机构由四个压电陶瓷驱动器、相应的 压电陶瓷驱动电源及紧固件构成，其中四个压电陶瓷驱动器通过紧固件均布配装在底座上， 且相对应的两个压电陶瓷驱动器构成一组，两组压电陶瓷驱动器分别相对于双轴柔性铰链的 正交偏转轴对称设置；四个位移传感器和计算机系统构成控制系统，所述的四个位移传感器 相对于双轴柔性铰链对称配装在底座上，且与刚性平台接触配合；导线分别将位移传感器与 计算机系统主机、计算机系统主机与压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷驱动电源与压电陶瓷驱动 器连通。

所述的基于双轴柔性铰链的高频响二维微角摆控制反射镜中压电陶瓷驱动器和压电陶瓷 驱动电源分别为电致伸缩驱动器和驱动源、或者磁致伸缩驱动器和驱动源、或者音圈电机驱 动器和驱动源。

所述的基于双轴柔性铰链的高频响二维微角摆控制反射镜中位移传感器为电容传感器、 或者电感传感器、或者电涡流传感器。

本发明的显著特点与优势在于：

1、本发明采用双轴柔性铰链实现二维正交方向的微角度偏转，利用双轴柔性铰链在二维 正交偏转方向上不产生角度耦合和干扰，可产生准确的高灵敏度微角位移；

2、本发明中在二维偏转方向上分别利用双驱动器在对称位置分别沿正反方向同步驱动， 可以使反射镜具有高速无滞后动态跟踪响应特性；通过优化双轴柔性铰链的宽度和厚度，可 以在二维偏转时获得完全一致的响应特性；并且双轴柔性铰链极大地轴向刚度可以限制反射 镜在偏转时的轴向位移。

附图说明

图1是本发明总体装配结构示意图；

图2是本发明总体拆解结构示意图；

图3是图1中底座与双轴柔性铰链、刚性平台装配连接结构示意图；

图4中(a)是图1中底座与双轴柔性铰链、刚性平台装配连接结构y向正视图，(b)是图1 中底座与双轴柔性铰链、刚性平台装配连接结构x向正视图；

图中件号说明：1、反射镜，2、刚性平台，3、压电陶瓷驱动器，4、底座，5、双轴柔性 铰链，6、位移传感器，7、紧固件，8、压电陶瓷驱动电源，9、计算机系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方案进行详细描述。

一种基于双轴柔性铰链的高频响二维微角摆控制反射镜，在底座4上端面上固装双轴柔 性铰链5，刚性平台2垂直置于双轴柔性铰链5的输出端上，且绕双轴柔性铰链5发生二维 微角度偏转，由底座4、双轴柔性铰链5和刚性平台2构成二维偏转机构；反射镜1固配在 刚性平台2上端面上，反射镜1、刚性平台2、双轴柔性铰链5与底座4中心共轴；驱动机构 由四个压电陶瓷驱动器3、相应的压电陶瓷驱动电源8及紧固件7构成，其中四个压电陶瓷 驱动器3通过紧固件7均布配装在底座4上，且相对应的两个压电陶瓷驱动器4构成一组， 两组压电陶瓷驱动器4分别相对于双轴柔性铰链5的正交偏转轴对称设置；四个位移传感器 6和计算机系统9构成控制系统，所述的四个位移传感器6相对于双轴柔性铰链5对称配装 在底座4上，且与刚性平台2接触配合；导线分别将位移传感器6与计算机系统9主机、计 算机系统9主机与压电陶瓷驱动电源8、压电陶瓷驱动电源8与压电陶瓷驱动器3连通。

压电陶瓷驱动器3和压电陶瓷驱动电源8分别为电致伸缩驱动器和驱动源、或者磁致伸 缩驱动器和驱动源、或者音圈电机驱动器和驱动源。

位移传感器6为电容传感器、或者电感传感器、或者电涡流传感器。

作业时，当需要反射镜1偏转某一空间角度(α_x，α_y)时，控制系统控制压电陶瓷电源8的 四路输出电压，分别驱动四个压电陶瓷驱动器3，压电陶瓷驱动器3在刚性平台2上的驱动 点距刚性平台2中心的距离为L，四个压电陶瓷驱动器3两个一组，分别相对于双轴柔性铰 链5的正交偏转轴对称放置，各组中的两个压电陶瓷驱动器3均以差动的方式工作，即一个 发生正向位移，另一个发生负向位移，二者位移量相同，方向相反，位移量大小分别为： sx＝L×tanα_x，s_y＝L×tanα_y。压电陶瓷驱动器3推动刚性平台2使反射镜1绕中心发生空间角度 偏转，四个位移传感器6两个一组分别以差动的方式工作，将刚性平台2的转角信息反馈给 计算机系统9，计算机系统9根据位移传感器6反馈的转角信息实时控制压电陶瓷驱动器3 输出的位移量，从而精确调整反射镜1的偏转角度。本发明具有二维光束偏转控制能力，在 二维方向的偏转无耦合、无轴向平移，并且在二维方向上具有相同的动态快速跟踪响应能力。