[發明專利]一種用于低溫光學系統的像方掃描裝置及控制方法

無效

• 申請號: 201210072965.2
• 申請日: 2012-03-19
• 公開（公告）號: CN102608759A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 張旋;潘鳴;裴云天;蔣范明;趙高飛;李曉平
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及用于低溫光學系統的像方掃描裝置及控制方法。具體是指采用壓電雙晶片驅動器作為掃描驅動部件，能夠在低溫環境下工作的掃描裝置。本發明主要應用在空間紅外成像系統的低溫光學系統中，用于進行像方掃描。

技術背景

隨著科學研究和軍事技術的發展，空間遙感儀器的分辨率要求越來越高。在空間低溫背景條件下，影響儀器探測率的背景輻射往往主要是自身光學系統和視場內儀器本身元部件的熱輻射。降低它們的溫度可以減少背景光子通量，有效發揮背景限探測器的作用，提高儀器探測靈敏度。因此，在星載和空載高分辨率的紅外遙感儀器中，尤其在遠紅外波段，采用低溫光學系統是必然的選擇。像方掃描作為低溫光學系統中的重要組成部分，要求在低溫下能夠正常工作，并且能夠保證較高的性能。因此，研制一種適用于低溫光學系統的像方掃描裝置對于提高空間遙感儀器性能具有重要意義。

目前國外空間遙感儀器低溫光學系統中使用低溫電機掃描機構進行像方掃描，然而由于電機具有發熱和相對摩擦較大的固有缺陷，越來越不能滿足高分辨率探測的需要。壓電陶瓷具有不發熱，響應快，無相對摩擦等優點，并且能夠在低溫下工作，是低溫掃描驅動的優良材料。本發明采用壓電雙晶片驅動器構建用于低溫光學系統的像方掃描裝置。

發明內容

本發明利用壓電陶瓷能夠在低溫下工作的特點，采用壓電雙晶片作為驅動部件，構建用于低溫光學系統的像方掃描裝置，以滿足低溫光學系統中進行像方掃描的需求。

本發明的裝置組成包括：掃描機構外框1、墊塊2、壓電雙晶片驅動器3、連桿機構4、固定軸掃描鏡5、軸承6以及掃描驅動控制單元7。

壓電雙晶片驅動器3一端固定在掃描機構外框1上，中間用墊塊2間隔，構成懸臂梁結構；固定軸掃描鏡5軸端通過軸承6與掃描機構外框1連接；壓電雙晶片驅動器3的輸出端通過連桿機構4與固定軸掃描鏡5相連。掃描裝置的頂視示意圖如圖1所示，掃描裝置的側視示意圖如圖2所示。

由于逆壓電效應的存在，壓電雙晶片驅動器3在電壓激勵下發生彎曲變形，這一變形通過連桿機構4傳遞到固定軸掃描鏡5的端面上，使掃描鏡發生轉動，掃描運動如圖3所示。由于壓電雙晶片驅動器3會輸出水平和垂直兩個方向的運動，通過連桿機構4可以消除它對掃描鏡的橫向作用力，不至于產生擠壓變形，連桿機構如圖4所示。

所述的連桿機構4、墊塊2和掃描機構外框1使用殷鋼進行加工；固定軸掃描鏡5使用微晶玻璃進行加工；軸承6使用自潤滑的陶瓷軸承。

所述的掃描驅動控制單元7負責固定軸掃描鏡5的運動控制和驅動，包括掃描波形控制模塊8和高壓驅動模塊9。掃描波形控制模塊8輸出的掃描驅動波形為任意掃描波形，以實現對掃描鏡的任意控制。高壓驅動模塊9能夠將輸入的控制電壓波形進行高壓和功率的放大，輸出較高的電壓和電流，并具有較高的放大倍數和較小的紋波。

本發明的掃描控制方法如下：

1)掃描波形數據存儲在掃描驅動控制單元7的掃描波形控制模塊8中。掃描波形控制模塊8控制輸出電壓波形的幅度和頻率，讀取波形數據并輸出控制電壓波形。

2)掃描系統驅動控制單元7的高壓驅動模塊9對掃描波形控制模塊8輸出的控制電壓波形進行高壓和功率的放大，達到壓電雙晶片驅動器3的驅動要求。

3)在高壓驅動波形的驅動下，壓電雙晶片驅動器3發生彎曲變形，輸出端面位置發生變化，并通過連桿機構4傳遞到固定軸掃描鏡5的端面上，固定軸掃描鏡5隨之開始轉動，進入掃描狀態。

附圖說明

圖1為掃描裝置頂視示意圖。

圖2為掃描裝置側視示意圖。

圖3為掃描運動示意圖。

圖4為連桿機構示意圖。

圖5為掃描驅動控制單元框圖。

具體實施方式

下面結合附圖給出本發明的一個較好實施例。

壓電雙晶片驅動器3采用中國電子科技集團公司第二十六研究所的WDS60產品，它是一個并聯型壓電雙晶片，中間為彈性金屬薄片，兩面為極化方向相同的壓電晶片。它的工作電壓為-100V～+100V，最大位移正負1mm；壓電雙晶片驅動器3通過方形墊塊2用低溫膠粘接在掃描機構外框1上。

固定軸掃描鏡5采用微晶玻璃作為材料，并安裝在掃描鏡外框上，掃描鏡轉動軸與掃描鏡外框為一體加工，掃描鏡轉動軸通過自潤滑的氧化鋯陶瓷軸承安裝在掃描機構外框1上。掃描鏡外框端面與壓電雙晶片驅動器3端面之間用連桿機構4進行連接，連桿機構結構圖如圖4所示。