[發明專利]基于雙軸柔性鉸鏈的高頻響二維微角擺控制反射鏡

有效

• 申請號: 201110290112.1
• 申請日: 2011-09-28
• 公開（公告）號: CN102323656A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 譚久彬;李結安;崔繼文;朱凡
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G02B7/182
• 分類號: G02B7/182;G02B7/198
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光束控制技術領域，主要涉及一種基于雙軸柔性鉸鏈的高頻響二維微角擺控制反射鏡。

背景技術

微角擺控制反射鏡常用于光學系統中，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于校正光束波前的整體傾斜；無線光通信技術領域中用于實現光束的對準與穩定；激光雷達中用于激光光束的大范圍掃描以及對目標的快速瞄準與跟蹤；高能激光以及精密準直領域中用于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，并且在激光雷達等一些場合要求同時具有較大的角度掃描范圍。

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于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，由于機架結構慣量大，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。

基于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，由于采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，如何提高柔性鉸鏈的諧振頻率是需要研究的問題，并且柔性鉸鏈結構在進行二維角度偏轉時，在二維偏轉方向上容易產生耦合。

中國科學院光電技術研究所李新陽等人制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，提出采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。但是該方法并沒有從系統結構上解決機械諧振的問題，并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于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。但結構較復雜，對安裝要求較高，并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。

國防科學技術大學范大鵬等人在2010年申請的發明專利“基于分辨率倍增柔順機構的光束精密指向裝置”(申請號：CN?101794020.A)中，提出一種采用分辨率倍增杠桿結構，利用倍增杠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，但由于平行導向柔順機構和分辨率倍增杠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、旋轉棱鏡式、偏心微透鏡陣列式、可控微棱鏡陣列式。

美國Dayton大學J.Gibson等人提出的偏心透鏡式光束偏轉器，將前后兩個透鏡共焦面放置，前一個透鏡固定，通過后一個透鏡相對于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；前蘇聯建立的用于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，通過后一個透鏡的平移將入射光束相對于光軸的角度變化轉換為出射光束的平移，實現出射光束相對于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棱鏡式光束偏轉器，將兩個雙膠合消色散楔形棱鏡相對放置，兩個楔形棱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1mrad、偏轉速度1rad/s以及大于45°的二維角度偏轉范圍。由于裝置中采用透鏡、楔形棱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，并且透鏡的二維平移容易產生耦合，兩個楔形棱鏡的旋轉運動控制過程較復雜。