双面快速转向反射镜结构的制作方法

本专利涉及一种双面快速转向反射镜系统，具体涉及实现激光雷达领域光束指向跟踪调整及收发同轴。

背景技术：
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本文所提到的双面快速转向反射镜作为发射光源与接收光源之间控制光束方向的光学精密装置，集光、机、电技术于一身，具有响应速度快，精度高，分辨率高等突出优点，已经被广泛应用于激光通信、图像稳定、自适应光学、复合轴精密跟踪等领域，尤其在大气光学应用领域，必须要求光学系统能够精确快速控制光束的指向，以补偿大气扰动、载体振动共同引起的光束偏转。在需要光束收发同轴的应用场合，接收回波时需要对发射出去的光束进行角度补偿。采用两个指向镜装置由于不可消除的机械误差与随机系统误差，很难做到发射出去的扫描角和补偿的回波角度同步，导致精度很难高于3μrad。而采用同一反射镜的正反面能有效保证转角的一致性，使回波能有效补偿发射的角度(误差可低至0.5μrad)，使得探测器上接收的角度相对稳定。

传统的快反镜以补偿载体低频高幅机械振动为主要目的，一般采用多轴刚性结构，轴由精密轴承支撑，多采用音圈电机作为致动器，但无法克服音圈电机响应速度较慢，谐振频率低，机械精度低的缺点。这种传统的刚性机械结构性能只能达到亚毫弧度的分辨率和几十赫兹带宽，同时此类结构装配复杂，调试困难，转动惯量大。

本专利采用一种柔性机构，零间隙、零摩擦的特征使得动态滞后误差大大降低。同时系统使用在精密控制领域越来越成熟的压电陶瓷作为致动器，该致动器体积小，输出力大，谐振频率高，响应速度快，特别地，压电陶瓷驱动仅依靠外加电场的大小就能够达亚纳米级的位移分辨率，这是在超精密定位和微位移控制中其它驱动器所无法比拟的。为弥补压电陶瓷行程小的缺点，设计一种杠杆式位移放大机构，可将致动器输出位移放大约6～10倍。有别于传统快反镜使用的电阻应变计传感器，本系统采用电容式位移传感器进行闭环，非接触式使系统刚度更良好，也克服了电阻应变计难以避免的温漂现象。

相干激光雷达对光束波前要求很高，探测器接收视场较小。远距离相干激光雷达系统中为有效减小激光发射能量，通常发射激光光束很窄，并且为避免镜面反射等因素，采用离轴收发光路。在需要对光束进行扫描的应用场合，接收回波时需要对发射出去的光束进行角度补偿。采用两个扫描镜装置很难做到发射出去的扫描角和补偿的回波角度同步。而采用同一反射镜的正反面能有效保证转角的一致性，达到回波能有效补偿发射的角度，使得探测器上接收的角度相对稳定。

技术实现要素：
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本专利的目的在于为满足激光雷达光轴发射角度与接收角度同步，设计一种大角度高分辨率高响应双面快速转向反射镜结构，使在实现调整光轴指向的同时，满足发射角与接收角角度同步。

本专利的方法是在相干激光收发同轴精跟踪系统中，发射激光作用于反射镜正面，反射至所需指向的跟踪目标周围区域，电容式位移传感器检测到闭环控制数据并作出相应反馈，改变压电陶瓷的控制电压，调整反射镜偏转角度。

可以实现本专利方法的双面快速转向偏转镜如图1所示，包括：致动器1、基座2、柔性机构3、镜片安装台4、双面反射镜5、预紧螺钉6、垫片7和位移传感器8。

所述的致动器1是压电陶瓷位移致动器；所述的基座2是有四个位移放大机构的一体式平台；所述的柔性机构3是有三层弹性薄板柔性铰链的支撑杆；所述的镜片安装台4是有粘接凸台面的环状椭圆平台；所述的双面反射镜5是两面均为镜面的椭圆镜片。所述的预紧螺钉6是末端为球头状的螺钉。所述的垫片7是方形殷钢片；所述的位移传感器8是电容式位移传感器。

所述致动器1通过环氧胶粘在基座2底部。所述柔性机构3的铰链底部通过螺钉与基座2上部的位移放大机构末端连接。所述镜片安装台4背部通过螺钉与柔性机构3连接。所述双面反射镜5通过环氧胶粘接于安装台4的凸起平面上。所述预紧螺钉6固定于基座2上部的位移放大机构，同时给致动器1调整预紧力。所述垫片7通过环氧粘接于致动器1上端面。所述电容式位移传感器8通过螺钉固定于基座2上。

本专利针对快速转向反射镜双面扫描需求，进行了反射镜结构、支撑方式、柔性铰链结构、位移放大结构的分析与设计，确定了适用于激光收发同轴角度补偿的双面快速转向反射镜的结构。

本专利有如下有益效果：

传统的快反镜一般均为单面工作，且很难同时做到大行程高分辨率，本双面快速转向反射镜采用压电陶瓷作为致动器，保证了高精度，同时设计位移放大机构保证快反镜较大行程；独特的三层板状柔性铰链，可以在此方向上有良好的柔性，同时保证结构在其他方向具有足够的刚性，控制带宽更高。通过电容式位移传感器进行闭环，精度与稳定性更好，在激光收发同轴的光束指向稳定场合，本双面快反镜可代替以往采用的两个单面扫描镜对接收光束进行角度补偿，且精度更高，有良好的发展前景。

附图说明：

图1是应用本专利的双面快速反射镜系统结构图；

图2是底座位移放大机构原理图。

具体实施方式：

所述致动器1是苏州攀特电陶科技有限公司生产的压电陶瓷微位移致动器，尺寸为5×5×36mm的长方体，输出位移与施加电压呈正比，在标称电压150V作用下，可输出最大位移40μm。所述底座2是安装座，底部布置四根致动器，底座上部设计两级全柔性杠杆式位移放大机构，将致动器1输出位移放6～10倍传至杠杆末端。所述柔性机构3是四根柱状支撑杆，杆中间设计出三层薄板状柔性铰链。所述镜片安装台4是双面反射镜5的固定平台，正面设计四块对称的凸起光滑平面。所述双面反射镜5是厚7mm的微晶玻璃镜片，截面为长轴75mm，短轴50mm的椭圆，反射镜正面加工为全镜面，背面中心区域加工为长轴35mm，短轴25mm的同心椭圆镜面。所述预紧螺钉6是M3螺钉，头部加工成半球状以保证点接触，同时给压电陶瓷致动器1调整预紧力。所述垫片7是长宽与致动器1相同，厚度为2mm的殷钢片，保护致动器1不受损坏。所述电容式位移传感器8是德国EPSILON公司的电容式位移传感器，用以探测双面反射镜5的运动位置从而给出反馈。

根据致动器参数，致动器2在驱动电压下产生竖直位移。致动器2的输出位移作用于底座1的位移放大机构一级放大中部A点，当A点处受到竖直向上的位移时，B点相当于杠杆支点，使得D处得到放大的位移，此为一级放大；同样，以C为支点时，D处的位移使放大机构末端E处获得再次放大的竖直位移，此为二级放大。最终E处放大的位移通过柔性铰链3传递至镜片安装台4，进而使双面反射镜5产生偏转。电容式位移传感器8检测到双面反射镜5的实际偏转量并给予反馈，重新调整驱动电压使双面反射镜5偏转至所需位置。