专利名称：一种高速控制压电扫描装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光束控制领域，具体涉及一种高速控制压电扫描装置。
背景技术：
自由空间光通讯采用激光通讯，具有信号方向性强、能量集中、没有同频干扰和临近波段的串扰、传输协议容易叠加、简便性、宽带性、无干扰、无需频率审批、通信保密性好 等优势。扫描器作为自由空间光通信的一个关键器件，其性能直接影响自由空间光通信的 通信质量。扫描器的角度控制精度直接影响到自由空间光通信的信道稳定性。传统的扫描 器基于转台，响应速度不高，机架的谐振频率低，容易引起谐振。望远镜大大提高了人类观察遥远目标的能力，但是望远镜发明后不久，人们就发 现大气湍流的动态干扰对光学观测有影响。大气湍流的动态扰动会使大口径望远镜所观测 到的星像不断抖动而且不断改变成像光斑的形状。扫描器是自适应技术中的一个重要器 件，采用自适应光学技术可以使光学系统具有自动适应外界条件变化、始终保持良好工作 状态的能力，从而有效改善成像质量。激光雷达作为现代军事装备中不可或缺的装备，能精确测量目标位置、运动状态 和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。扫描器是其中一个非常重要的部件，它决定了激光雷 达的视场大小、帧频、定位精度等许多重要参数，传统的基于有轴系的激光扫描器有摩擦、 转动惯量较大，而且扫描频率较低。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种高速控制压电扫描装置，该 装置驱动速度快、控制精度高、没有机械磨损，整体结构简单、稳定性好，并且体积小、重量 轻、刚度高。本实用新型提供的高速控制压电扫描装置，其特征在于半导体激光器固定于激 光器固定环中，激光器固定环栓接在主固定座上部的水平导轨中；主反射镜粘结在弹性铰 链支架的顶部平面上，弹性铰链支架为对称结构，栓接在两个椭圆型弹性外框的一侧，压电 致动器通过预紧力内嵌于椭圆型弹性外框内，椭圆型弹性外框的另一侧固定在主固定座 上；两个增程反射镜分别粘结在两个增程反射镜凹形固定平板的凹形腔内，两个增程反射 镜凹形固定平板栓接在两个不对称的工字型梁的两端，工字型梁分别固定在U型固定支架 两臂导轨内，U型固定支架通过自身的螺孔栓接在主固定座下部的垂直导轨内；L型固定支 架栓接在U型固定支架的导轨内，位敏探测器座固定于L型固定支架的上，位敏探测器栓接 在位敏探测器座上。本实用新型的技术效果体现在按照本实用新型制作的高速控制压电扫描器，其一阶谐振频率可达到1. 9KHz,闭 环控制带宽达到2. 5KHz，一维方向的机械偏转角度可达到士 Γ。由于使用了弹性铰链结 构，反射镜在偏转运动中无摩擦损耗，使其工作寿命长，无需润滑，可免维护。系统的角控制精度可达1 μ rad。本实用新型装置能够满足自由空间光通信、自适应光学补偿、和激光雷达 的要求。
图1为本实用新型实施例整体结构示意图；图2为压电扫描器结构示意图；图3为椭圆型弹性外框和弹性铰链支架装配示意图；图4为椭圆型弹性外框和压电致动器装配示意图；图5为光束增程结构示意图；图6为U型固定支架、工字型梁、L型固定支架装配示意 图；图7为L型固定支架和位敏探测器座装配示意图；图8为本实用新型实施例工作原理示意图；图9为本实用新型实施例闭环控制框图。
具体实施方式
下面通过借助实施例更加详细地说明本实用新型，但以下实施例仅是说明性的， 本实用新型的保护范围并不受这些实施例的限制。如图1所示，本实用新型具体包括主固定座1、激光器固定环2、半导体激光器3、 压电扫描器、光束增程结构、L型固定支架13、位敏探测器座14和位敏探测器15。压电扫 描器由椭圆型弹性外框4a，4b、主反射镜5、弹性铰链支架6、压电致动器7a，7b组成，光束增 程结构由增程反射镜凹形固定平板8a，8b、增程反射镜9a，9b、工字型梁10，11、U型固定支 架12组成。椭圆型弹性外框4a，4b采用弹簧钢60Si2Mn制作，当给压电致动器7a，7b施加正 (负)电压时，压电致动器7a，7b会伸长(缩短)，迫使弹性外框变形，在与压电致动器7a， 7b伸长(缩短)方向垂直的方向上缩短(伸长)，缩短(伸长)的位移量会按照机械结构 设计的参数得到一定比例的放大。半导体激光器3固定于激光器固定环2中，激光器固定环2栓接在主固定座1上 部设置的水平导轨中。参见图2、图3和图4，主反射镜5粘结在弹性铰链支架6的顶部平 面上，弹性铰链支架6为对称结构，通过螺钉栓接在两个椭圆型弹性外框4a，4b的一侧，椭 圆型弹性外框的另一侧固定在主固定座1上，压电致动器7a，7b通过预紧力内嵌于椭圆型 弹性外框4a，4b椭圆型腔内部。参见图5，增程反射镜9a，9b粘结在增程反射镜凹形固定 平板8a，8b的凹形腔内，两个增程反射镜凹形固定平板8a，8b栓接在两个工字型梁两端，工 字型梁10，11固定在U型固定支架12两臂导轨内，光束增程结构通过U型固定支架12的 螺孔栓接在主固定座1下方垂直导轨内。L型固定支架13栓接在U型固定支架12的导轨 内，位敏探测器座14的圆柱固定于L型固定支架13的圆孔内部，位敏探测器15栓接在位 敏探测器座14的块状平面上。压电扫描器的工作方式如图2所示，首先给两个压电致动器7a，7b施加电压使两 者至相同的伸缩长度。然后通过给两个压电致动器7a，7b施加互为反向的驱动电压，可 以使两个压电致动器7a，7b做互为反向的运动，椭圆型弹性外框4a，4b将压电致动器7a，7b的伸缩位移转化为放大后的垂直于伸缩方向的位移，使弹性铰链支架6围绕轴向形成转动，实现主反射镜5的转动。光束增程结构调节方式如图6所示，工字型梁10，11可以在U型固定支架12两臂 导轨内移动，U型固定支架12可以在主固定座1底部垂直导轨内移动，将工字型梁10，11设 计成不对称的螺孔固定，主要是为了避免位敏探测器在U型固定支架12导轨内座安装出现 死角，便于反馈光路光束的调节。图7为L型固定支架13和位敏探测器座14装配示意图， 通过圆柱转动来调节反馈光束与位敏探测器15表面的夹角，保证光束垂直入射。图8为本实用新型实施例工作原理示意图，通过调整半导体激光器3、增程反射镜 9a，9b、位敏探测器15三者的位置，实现反馈光路的调节，使反馈光束可以垂直于位敏探测 器表面入射。主固定座上方的半导体激光器3发出的激光束经过主反射镜5反射到增程反 射镜9a，9b上，经两面增程反射镜9a，9b反射到位敏探测器15表面，当主反射镜5发生偏 转时，反射光也会发生偏转，从而导致射到位敏探测器15的光斑位置发生移动，位敏探测 器15和其信号采集处理系统可以探测出光斑移动的距离，从而可以算出反射镜偏转的角 度，将算出的角度与设定的偏转角度进行对比，对其误差进行PID(比例积分微分)控制，从 而可以实现主反射镜5偏转角度的闭环控制。高速控制压电扫描器的偏转角度闭环控制框图如图9所示。闭环控制方法的实 现步骤为主反射镜5的偏转，导致入射到位敏探测器表面的光斑位置发生移动，位敏探测 器15探测的信号经模数转换电路到达DSP数字信号处理器控制电路，计算出光斑移动的距 离，从而由几何关系可以算出主反射镜5偏转的角度，将算出的角度与设定的偏转角度进 行对比，对其角度误差进行数字PID(比例积分微分)控制，再将控制输出信号经数模转换 电路和功率放大电路，施加到压电致动器7a，7b上，可以实现主反射镜5偏转角度的闭环控 制。
权利要求一种高速控制压电扫描装置，其特征在于，该装置的结构为半导体激光器(3)固定于激光器固定环(2)中，激光器固定环(2)栓接在主固定座(1)上部的水平导轨中；主反射镜(5)粘结在弹性铰链支架(6)的顶部平面上，弹性铰链支架(6)为对称结构、分别栓接在两个椭圆型弹性外框(4a，4b)的一侧，压电致动器(7a，7b)通过预紧力内嵌于椭圆型弹性外框(4a，4b)内，椭圆型弹性外框(4a，4b)的另一侧固定在主固定座(1)上；两个增程反射镜(9a，9b)分别粘结在两个增程反射镜凹形固定平板(8a，8b)的凹形腔内，两个增程反射镜凹形固定平板(8a，8b)栓接在两个不对称的工字型梁(10、12)的两端，工字型梁(10，11)分别固定在U型固定支架(12)两臂导轨内，U型固定支架(12)通过自身的螺孔栓接在主固定座(1)下部的垂直导轨内；L型固定支架(13)栓接在U型固定支架(12)的导轨内，位敏探测器座(14)固定于L型固定支架(13)的上，位敏探测器(15)栓接在位敏探测器座(14)上。
专利摘要本实用新型公开了一种高速控制压电扫描装置，其结构为半导体激光器固定于主固定座上，主反射镜片粘结在弹性铰链支架上，弹性铰链支架栓接在两个椭圆型弹性外框上，压电致动器内嵌于椭圆型弹性外框内部，椭圆型弹性外框栓接在主固定座上。增程反射镜粘结在增程反射镜固定凹形平板的凹型腔内，通过不对称的工字型梁栓接在U型固定支架腔内，U型固定支架固定于主固定座下方，位敏探测器固定于U型固定支架导轨内。给两个压电致动器施加互为反向的驱动电压，椭圆型弹性外框将压电致动器伸缩方向的位移转化为放大后的垂直于伸缩方向的位移，使弹性铰链支架转动，驱动电压大小决定反射镜偏转角度。扫描器通过反射镜偏转角度实时探测系统，可实现主反射镜偏转角度的闭环反馈控制。
文档编号G02B7/198GK201569787SQ20092028934
公开日2010年9月1日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者吴鑫, 熊小刚, 石本义, 陈四海, 陈巍 申请人:华中科技大学