基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置

摘要

基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置属于光束控制设备；该装置由正透镜的前置透镜、x方向平移镜组、y方向平移镜组、准直正透镜或准直负透镜、计算机控制系统和压电陶瓷驱动源装配构成，x方向平移镜组包括第一固定反射镜、第一平动反射镜、第一压电陶瓷驱动器及压电陶瓷驱动源，第二固定反射镜、第二平动反射镜、第二压电陶瓷驱动器及压电陶瓷驱动源构成y方向平移镜组，准直正透镜的焦面与光束经前置透镜后的聚焦点所在平面重合，准直负透镜的虚焦面与光束经前置透镜后的聚焦点所在平面重合，均构成无焦系统；本装置无机械传动损耗，具有超高频率响应特性、高角偏转灵敏度的特点。

权利要求

1.一种基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置，其特征在于：在前置透镜(1)出射光路上倾斜配置第一平动反射镜(10)，其中前置透镜(1)为正透镜，所述的第一平动反射镜(10)固装在第一压电陶瓷驱动器(9)位移输出端上，在第一平动反射镜(10)反射光路上与其相互平行地配置第一固定反射镜(2)，导线将第一压电陶瓷驱动器(9)与压电陶瓷驱动源(8)连通，至此由第一固定反射镜(2)、压电陶瓷驱动源(8)、第一压电陶瓷驱动器(9)及第一平动反射镜(10)构成x方向平移镜组；在第一固定反射镜(2)反射光路上配置第二平动反射镜(4)，所述的第二平动反射镜(4)固装在第二压电陶瓷驱动器(5)位移输出端上，在第二平动反射镜(4)反射光路上与其相互平行地配置第二固定反射镜(3)，导线将第二压电陶瓷驱动器(5)与压电陶瓷驱动源(8)连通，至此由第二固定反射镜(3)、第二平动反射镜(4)、第二压电陶瓷驱动器(5)及压电陶瓷驱动源(8)构成y方向平移镜组；在第二固定反射镜(3)反射光路上配置准直正透镜或准直负透镜(6)；导线将压电陶瓷驱动源(8)与计算机控制系统(7)连通；所述准直正透镜(6)的焦面与光束经前置透镜(1)后的聚焦点所在平面重合，两镜组合构成无焦系统；所述准直负透镜(6)的虚焦面与光束经前置透镜(1)后的聚焦点所在平面重合，两镜组合构成无焦系统。

说明书

基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置

技术领域

[0001] 本发明属于光束控制技术领域，主要涉及一种基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置。

背景技术

[0002] 光束快速偏转控制装置常用于光学系统中，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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 基于柔性铰链结构的快速偏转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受柔性铰链自身的谐振频率限制，随着实际应用中对光束偏转灵敏度要求的提高，在压电陶瓷驱动器输出的位移分辨力一定的情况下，为了增加柔性铰链结构的角度偏转灵敏度，一方面要求柔性铰链的柔性要尽可能好，另一方面需要增加柔性铰链转臂的长度，这两方面都会降低其自身的谐振频率，使得基于柔性铰链结构的微角摆控制反射镜在角度偏转灵敏度与动态响应速度之间存在矛盾。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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

[0013] 为了克服上述现有技术的不足，以满足高频响高灵敏度光束角度偏转控制的需求，本发明提出一种基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置。

[0014] 本发明的技术解决方案是：

[0015] 一种基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置，在正透镜的前置透镜出射光路上倾斜配置第一平动反射镜，所述的第一平动反射镜固装在第一压电陶瓷驱动器位移输出端上，在第一平动反射镜反射光路上与其相互平行地配置第一固定反射镜，导线将第一压电陶瓷驱动器与压电陶瓷驱动源连通，至此由第一固定反射镜、压电陶瓷驱动源、第一压电陶瓷驱动器及第一平动反射镜构成x方向平移镜组；在第一固定反射镜反射光路上配置第二平动反射镜，所述的第二平动反射镜固装在第二压电陶瓷驱动器位移输出端上，在第二平动反射镜反射光路上与其相互平行地配置第二固定反射镜，导线将第二压电陶瓷驱动器与压电陶瓷驱动源连通，至此由第二固定反射镜、第二平动反射镜、第二压电陶瓷驱动器及压电陶瓷驱动源构成y方向平移镜组；在第二固定反射镜反射光路上配置准直正透镜或准直负透镜；导线将压电陶瓷驱动源与计算机控制系统连通；所述准直正透镜的焦面与光束经前置透镜后的聚焦点所在平面重合，两镜组合构成无焦系统；所述准直负透镜的虚焦面与光束经前置透镜后的聚焦点所在平面重合，两镜组合构成无焦系统。

[0016] 本发明的创新点在于：

[0017] (1).本装置中前置透镜与准直透镜共焦面放置，平行光束经前置透镜聚焦后再经准直透镜成为平行光束出射，前置透镜与准直透镜的位置固定不动，通过平移前置透镜的光束聚焦点在焦面上的位置，实现准直透镜出射平行光束的角度偏转，这是本发明区别于现有技术的创新点之一；

[0018] (2).本装置中利用压电陶瓷驱动器直接驱动平面反射镜平动，实现前置透镜光束会聚点的平移，压电陶瓷驱动器与反射镜之间无机械传动损耗，反射镜可以完全跟随压电陶瓷驱动器的位移输出特性，可使出射平行光束具有极高的角度偏转灵敏度，以及与压电陶瓷驱动器一致的超高频率响应特性，这是本发明区别于现有技术的创新点之二；

[0019] 由于上述相关技术的采用，使该装置具有以下特点：

[0020] (1).本装置中前置透镜光束聚焦点的二维平动分别由x方向平移镜组和y方向平移镜组独立控制，可使出射平行光束的二维偏转方向之间无耦合；

[0021] (2).本装置中前置透镜将平行光束会聚后由x方向和y方向平移镜组反射，会聚后的光束截面半径变小，利于采用小尺寸的反射镜实现光束聚焦点的平移，减小平动反射镜的体积和质量，可以显著提高平动反射镜运动的平稳性和响应速度；

[0022] (3).本装置中出射光束的角度偏转范围由光束会聚点平移量与准直透镜F数的比值决定，角度偏转灵敏度由压电陶瓷驱动器的位移分辨力与准直透镜F数的比值决定，可以通过灵活选择准直透镜的F数实现不同范围、不同角灵敏度的光束角度偏转，并且光束偏转的频率响应特性与不同角度偏转范围、不同角偏转灵敏度无关。

附图说明

[0023] 图1是本发明总体配置结构示意图；

[0024] 图2中(a)是本发明实施例准直正透镜初始位置的x向光束出射方向示意图，(b)是本发明实施例的第一平动反射镜发生平移后的x向光束出射方向示意图；

[0025] 图3中(a)是本发明实施例准直负透镜初始位置的x向光束出射方向示意图，(b)是本发明实施例的第一平动反射镜发生平移后的x向光束出射方向示意图。

[0026] 图中件号说明：1、前置透镜，2、第一固定反射镜，3、第二固定反射镜，4、第二平动反射镜，5、第二压电陶瓷驱动器，6、准直正透镜或准直负透镜，7、计算机控制系统，8、压电陶瓷驱动源，9、第一压电陶瓷驱动器，10、第一平动反射镜。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

[0028] 实施例1：

[0029] 基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置包括：前置透镜1、x方向平移镜组、y方向平移镜组、准直正透镜6、计算机控制系统7；

[0030] 前置透镜1：前置透镜1采用正透镜，平行光束从前置透镜1入射，经前置透镜1后聚焦；

[0031] x方向平移镜组：包括第一固定反射镜2、第一压电陶瓷驱动器9、压电陶瓷驱动源8、固定于第一压电陶瓷驱动器9位移输出端的第一平动反射镜10，第一固定反射镜2与第一平动反射镜10平行相对放置，前置透镜1聚焦的光束入射至第一平动反射镜10，经第一平动反射镜10反射后再由第一固定反射镜2反射，通过压电陶瓷驱动源8驱动第一压电陶瓷驱动器9，第一平动反射镜10随第一压电陶瓷驱动器9的位移输出而相对于第一固定反射镜2发生前后平移，实现光束经前置透镜1后的聚焦点的x方向平移；

[0032] y方向平移镜组：包括第二固定反射镜3、第二压电陶瓷驱动器5、压电陶瓷驱动源8、固定于第二压电陶瓷驱动器5位移输出端的第二平动反射镜4，第二固定反射镜3与第二平动反射镜4平行相对放置，x方向平移镜组出射的光束入射至第二平动反射镜4，经第二平动反射镜4反射后再由第二固定反射镜3反射，通过压电陶瓷驱动源8驱动第二压电陶瓷驱动器5，第二平动反射镜4随第二压电陶瓷驱动器5的位移输出而相对于第二固定反射镜3发生前后平移，实现光束经前置透镜1后的聚焦点的y方向平移；

[0033] 准直正透镜6：准直正透镜6的焦面与光束经前置透镜1后的聚焦点所在平面重合，二者组合构成无焦系统，前置透镜1聚焦于准直正透镜6焦面的光束经准直正透镜6后再次变为平行光束出射，前置透镜1聚焦的光束分别经过x方向平移镜组和y方向平移镜组后，光束的聚焦点在准直正透镜6焦面上的位置发生x方向和y方向平移，使得经准直正透镜6后出射平行光束的方向发生相应的角度偏转；

[0034] 计算机控制系统7：根据所需要的光束偏转角计算出前置透镜1的光束聚焦点在准直正透镜6焦面上的x方向与y方向平移量，据此控制压电陶瓷驱动源8，分别驱动x方向平移镜组中的第一平动反射镜10和y方向平移镜组中的第二平动反射镜4，对光束会聚点在准直正透镜6焦面上的位置进行x方向和y方向平移，使出射平行光束达到所需要的偏转角度。

[0035] 实施例2：

[0036] 基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置，前置透镜1采用正透镜，光束经前置透镜1后的聚焦点所在平面与准直负透镜6的虚焦面重合，二者组合构成无焦系统。本实施例的其它部分及工作过程均与实施例1相同。