本发明涉及光学技术领域，具体地说，涉及一种反射镜偏转装置。
背景技术：
使用反射镜对激光束进行光路的改变已经广泛运用于光学系统中，在激光扫描、激光雷达等体积小，响应速度快的光学系统中，反射镜通常用来将光路改变以缩小光学系统的体积或者通过对反射镜的转动控制来扩大单束激光的扫描范围。
现有技术中通常用机械式二轴转台或者角位台来对反射镜进行运动控制。传统的机械控制方式精度低，响应速度慢，尤其在激光雷达等光学系统中，不能实时跟踪反馈，达不到要求的功能。
技术实现要素：
针对现有技术中反射镜偏转控制系统存在的精度低、响应速度慢的问题，本发明提供一种采用压电驱动的二自由度反射镜，该方案能够实现对反射镜的偏转角高精度的控制，并且响应速度快。
一种反射镜偏转装置，包括：夹持机构，所述夹持机构用于夹持反射镜；偏转机构，包括弹性体和转动体，转动体的上部与所述夹持机构连接，所述转动体的下部为球体，所述弹性体具有容纳转动体的球体的内球面，在所述内球面与相互垂直通过球体的球心的两个竖平面形成的两条第一相交线上分别具有驱动齿，并且，所述两个竖平面与弹性体的外壁形成的两条第二相交线上设置有多个分别与驱动齿对应的压电贴片，且设置有压电贴片的位置的弹性体壁厚相等，压电贴片的长度方向沿所述两条第二相交线的切线延伸，将每个压电贴片在其长度方向上极化并加载交流信号，其中，加载在相邻压电贴片上的交流信号的相位差相同，而每相隔1个的压电贴片的交流信号的相位相同。
优选地，在转动体的所述球体的球面上刻有均布的经纬线，在转动体的下方设置有角度传感器，所述经纬线配合所述角度传感器用来监测并反馈转动体的转动量，形成闭环控制。
优选地，加载在相邻压电贴片上的交流信号的相位差为90度。
优选地，还设置有环形的上压盖，所述上压盖扣压在转动体和弹性体上方，在上压盖与弹性体之间设置有调整垫片，通过调整垫片调节转动体与弹性体的压紧力。
优选地，所述角度传感器向上穿透弹性体延伸至转动体的下方。
优选地，所述两个竖平面与弹性体的外壁相交处设置有凹槽，所有压电贴片均匀粘贴在凹槽内，且设置有压电贴片的位置的弹性体壁厚相等。
优选地，夹持机构包括安装板、夹持爪，所述安装板连接在转动体的上部，一对夹持爪分别安装在安装板的上侧的两端，反射镜夹持在安装板与夹持爪之间，背面夹紧螺钉旋合穿过安装板支撑在反射镜的背面，在背面夹紧螺钉的端面粘贴有橡胶垫块，侧面夹紧螺钉分别旋合穿过夹持爪用于支撑反射镜的侧面。
优选地，夹持爪与反射镜的镜面之间设置有正面夹紧件，正面夹紧件与背面夹紧螺钉配合将反射镜定位夹紧，侧面夹紧螺钉的端面分别通过侧面夹紧件对反射镜的侧面进行固定夹紧。
优选地，在转动体下部的球体的球面上具有增大摩擦力的摩擦层。
优选地，所述转动体下部的球体大于半球体，所述上压盖扣压在弹性体上，且所述上压盖的内侧沿所述球体的外壁向上延伸至超过半球体的球面处。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是本发明实施例涉及的反射镜偏转装置的立体示意图；
图2是本发明实施例涉及的反射镜偏转装置的剖视图；
图3是本发明实施例涉及的夹持机构的立体示意图；
图4是本发明实施例涉及的去除夹持机构的反射镜偏转装置的立体示意图；
图5是本发明实施例涉及的弹性体的立体示意图；
图6是本发明实施例涉及的基座的立体示意图。
1.反射镜、2.夹持机构、201.背面夹紧螺钉、202.正面夹紧件、203.侧面夹紧件、204.夹持爪、2041.安装座、2042.夹持端、205.侧面夹紧螺钉、206.夹持爪安装螺钉、207.安装板、208.安装板与法兰连接螺栓、209.螺纹孔、210.夹持爪安装孔、211.夹持机构安装孔、212.螺纹孔、3.偏转机构、301.上压盖与弹性体连接螺栓、302.压电贴片、303.弹性体、3031.驱动齿、304.偏转机构与基座连接螺钉、305.角度传感器、306.转动体、307.调整垫片、308.上压盖、309.法兰、310.通孔、4.基座、401.弹性体安装孔、402.阶梯孔、403.传感器固定螺母、404.通孔。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的反射镜偏转装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
图1是本发明实施例涉及的反射镜偏转装置的立体示意图，如图1所示，本发明的反射镜偏转装置包括反射镜1、夹持机构2、偏转机构3和基座4。夹持机构2用于固定反射镜1，本实施例结合六边形的反射镜来说明该夹持机构，但本发明的夹持机构并不仅限于六边形的反射镜，反射镜可以是其他多边形结构。
图2是本发明实施例涉及的反射镜偏转装置的剖视图；图3是本发明实施例涉及的夹持机构的立体示意图。下面结合图2、图3详细说明夹持机构。夹持机构2包括安装板207、夹持爪204、垫块和调节螺钉。所述安装板207设置有8个通孔，包括夹持爪安装孔210、夹持机构安装孔211以及2个螺纹孔212。如图3所示，位于安装板207的边缘的4个夹持爪安装孔210用于通过螺钉与夹持爪204进行固定连接，其中的2个螺纹孔212用于通过螺钉与夹持爪204的夹持端上的垫块配合来夹持反射镜1，中间的4个夹持机构安装孔211可将夹持机构2通过螺栓连接固定在法兰309上。
夹持爪204为长条形，包括安装座2041和从安装座2041的上部弯折向下延伸的夹持端2042，一对夹持爪204对称地设置在安装板207的同一侧的两端。在安装座2041的底面上加工有螺纹孔，特别地，在底座沿夹持爪长度方向的两端的底面上加工有螺纹孔，安装座2041放置在安装板207上，且夹持端2042相对，在安装板207的另一侧，通过夹持爪安装螺钉206将一对夹持爪204固定在安装板207上。
反射镜1夹持在安装板207与夹持爪204的夹持端2042之间，反射镜1的镜面朝外。优选地，在安装板207上，背面夹紧螺钉201经过螺纹孔212向上穿过安装板207支撑在反射镜1的背面。在夹持爪204的安装座2041的侧面上还设置有螺纹孔209，通过该螺纹孔209安装侧面夹紧螺钉205。
在安装板207上的4个夹持机构安装孔211用于将夹持机构2安装在偏转机构3上。参照图4，法兰309上端的法兰盘通过安装板与法兰连接螺栓208与安装板207连接。而转动体306的上端面为平面形式，在转动体306的上端面上具有向下延伸的柱状开口，法兰309的下部以过盈配合延伸插入转动体306的柱状开口内。转动体306与法兰309下部还可以采用其他常用连接结构，例如螺纹连接。
偏转机构3主要包括弹性体303和转动体306。转动体306的下部为大半球体，上端为平面，相当于将一个球体用水平面剖切开，剩余的大半球体大于半球。相应地，弹性体303具有容纳该大半球体的内球面，并且，所述内球面与所述相互垂直通过球体的球心的两个竖平面相交形成两条第一相交线，在两条第一相交线上具有驱动齿3031。驱动齿3031的顶端与转动体下部的球体的球面接触，驱动齿用于驱动转动体转动。环形的上压盖308套在转动体306的外侧，上压盖308的径向内侧沿转动体的球面向上延伸，且与该球面贴合。上压盖308沿径向外侧延伸扣压在弹性体303的上端面上。上压盖308在圆周方向均布有4个通孔，具体说，是上压盖308沿径向向外延伸出4个螺栓安装板，在该螺栓安装板上具有通孔，对应的，在弹性体的上部沿圆周方向也均布有4个通孔，在通孔内通过4个上压盖与弹性体连接螺栓301将转动体与弹性体压紧在一起，并对转动体306与弹性体303施加一定的预压力。
对应驱动齿3031，在驱动齿所在的两个竖平面与弹性体的外壁相交处形成两条第二相交线，在两条第二相交线上分别粘贴有压电贴片302，对应每个驱动齿都粘贴有一个压电贴片302，且每个压电贴片与该压电贴片所在竖平面内对应的驱动齿的距离相等(即粘贴有压电贴片的位置的弹性体壁厚相等)。因为驱动齿分布在两个相互垂直的竖向平面内，因此，两组均布的压电贴片也呈垂直分布，两个互相垂直的竖向平面内分别贴有对称的均布的多个压电贴片302。如图1、图2所示，每个压电贴片302均为长条形，压电贴片302的长度方向分别在这两个相互垂直的平面内，沿所述两条第二相交线的切线延伸，将每个压电贴片302沿各自的长度方向极化，并利用压电材料的逆压电效应产生机械振动。
压电贴片302的电场加载方向也是其长度方向，对每个压电贴片加载高频交流信号，加载在相邻压电贴片上的交流信号的相位差相同，而每相隔1个的压电贴片的交流信号的相位相同。压电贴片产生形变，促使弹性体形变，弹性体形变传导至驱动齿，可以在驱动齿的驱动端激励出椭圆运动轨迹。各驱动齿在驱动端依次产生椭圆轨迹，可以在一个面内形成行波。通过所述弹性体303上均布的驱动齿，从而驱动转动体306沿一个自由度方向转动，同样地，弹性体另一竖平面内的压电贴片能够驱动转动体沿另一个自由度转动，可实现转动体306沿两个自由度的转动。
参照图6，基座4为方形，在基座4的中心位置具有用于安装该反射镜偏转装置的弹性体安装孔401，偏转机构与基座连接螺钉304旋入弹性体安装孔401上，将基座4与弹性体303固定连接，在基座4的四角还具有向下延伸的凸起，穿过凸起形成4个阶梯孔402，通过该阶梯孔402将反射镜偏转装置与配套设备进行连接。
本实施例中，偏转机构通过压电贴片在高频交流信号的激励下产生振动，在驱动齿的齿端面形成椭圆轨迹，从而形成一个方向的行波，并驱动转动体转动。两个垂直方向上的压电贴片同时驱动则可以使转动体产生二自由度的运动。
在一个可选实施例中，在大半球体的球面上刻有均布的经纬线，在转动体的下方还设置有角度传感器305，可以采用非接触式角度传感器，如图5所示，弹性体的中心具有供角度传感器穿入的通孔310，如图6所示，在基座的中心具有角度传感器向下穿出的通孔404，角度传感器的轴肩与基座的上表面贴合，使用传感器固定螺母403与角度传感器穿出基座的螺纹旋合，将角度传感器进行固定，所述非接触式角度传感器用来监测并反馈转动体的转动量，以此来达到闭环控制，提高装置的精度，在转动体转动的过程中，角度传感器能够实时反馈转动体的转动角度，根据转动角度调整加载的高频交流信号，从而调整转动体的转动角度，转动体上的经纬线结合角度传感器形成闭环控制，可以实现高精度、快响应运动控制，以保证光学系统的精度。需要说明的是，在开设通孔310的同时，并不影响弹性体的弹性变形性能。
在一个可选实施例中，相邻的压电贴片302加载的交流激励的相位相差90度，而每相隔1个的压电贴片302的加载交流激励的相位相同，以此加载方式可以促使所述弹性体303上的驱动齿的驱动端面上激发出椭圆运动轨迹，从而形成一个方向的行波，并带动转动体306转动，两个垂直方向上的压电贴片同时驱动则可以使转动体306产生二自由度的运动。
在一个可选实施例中，转动体下部的球体的球面上具有增大摩擦力的摩擦层。
在一个可选实施例中，在夹持爪204的夹持端2042的下端面上设置正面夹紧件202作为垫块，夹持爪204的夹持端2042通过胶粘与正面夹紧件202连接，正面夹紧件202的下表面与背面夹紧螺钉201的上端面配合将反射镜1定位夹紧。正面夹紧件202既能通过增大摩擦防止反射镜1松动，又能防止反射镜1被压碎。还可以在背面夹紧螺钉201的端面粘贴橡胶垫块，通过安装板207上的螺纹孔，对反射镜1进行压紧定位。正面夹紧件202优选为软木制成的条状夹紧件。
在一个可选实施例中，两侧的侧面夹紧螺钉205的端面分别通过侧面夹紧件203对反射镜1进行固定夹紧。侧面夹紧件202优选为软木制成的条状夹紧件。
在一个可选实施例中，通过夹在上压盖308与弹性体303之间的调整垫片307来调节预压力，该调整垫片307可以为弹性的。
在一个可选实施例中，转动体306的下部的球体也可以小于或等于半球，例如，转动体306的下部的球体是半球，则上压盖可以是平板状的圆环，上压盖能够同时将转动体306和弹性体303压住。同样，转动体306的下部的球体也可以是小于半球的，并且，转动体上表面也可以具有其他切面，只要上压盖能够同时压住转动体306和弹性体303即可。
在一个可选实施例中，所述夹持爪为刚性的。
在一个可选实施例中，在驱动齿所在的两个竖平面与弹性体的外壁相交处(即第二相交线处)具有凹槽，压电贴片粘贴在凹槽里，且压电贴片与该压电贴片所在竖平面内对应的驱动齿的距离相等(即粘贴有压电贴片的位置的弹性体壁厚相等)。
本发明的反射镜偏转装置通过刚性夹持爪、柔性垫块和多个夹紧螺钉配合对反射镜进行安全可靠的夹持，防止反射镜松动对光学系统精度的影响。本发明中的压电驱动的二自由度控制装置配合转动体的球体的球面以及角度传感器，形成闭环控制，可以实现高精度、快响应运动控制，以保证光学系统的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。