一种大口径超薄自适应副镜控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种大口径超薄自适应副镜控制系统，其中音圈电机的一输出端连接副镜涂电容的一极，副镜面型检测电路的两输入端连接副镜涂电容两端，用于测量表征副镜形变量的副镜涂电容的电容量大小，并将电容量大小数据的输出端连接主控电路的一输入端；主控电路用于根据表征副镜形变量的电容量大小对镜面形变信息进行分析产生控制信号输出至副镜调整电路；副镜调整电路用于根据主控电路的控制信号控制音圈电机上导通电流大小方式来控制音圈电机的吸合力，从而控制副镜面型。本发明用于利用音圈电机作为支撑促动器元件，采用设置涂电容的方式反映副镜形变，并使用电容传感器作为测量反馈装置，能够用于更大口径的超薄镜面的支撑。
【专利说明】一种大口径超薄自适应副镜控制系统
【技术领域】
[0001]本发明属于信息【技术领域】，特别地涉及一种大口径超薄自适应副镜控制系统。
【背景技术】
[0002]为了探索更深的宇宙，现代望远镜发展要求望远镜口径越来越大，对望远镜的光学效率要求越来越高，大口径超薄镜面的研究也越来越得到人们的重视。随着自适应光学的发展，大口径超薄镜面正成为当今世界天文学家研究的重点，具有很高的研究和实用价值。传统的自适应光学系统需要搭建额外的光学元器件，用来形成一个望远镜入瞳的或者是一个大气扰动的共轭像。1989年J.M.Beckers在给美国国家光学天文台的一份申请中，首次提出了使用一个现有的望远镜副镜作为波前改正机构用来矫正大气散射。因为自适应副镜不需要额外引入光学元件，所以相比传统的自适应系统有明显的优势，首先大大减少了反射或者透射面的数量，提高了望远镜的效率；其次自适应副镜系统的红外散射很小，这对光学系统在红外波段的观测十分重要；另外自适应副镜系统没有额外的光学偏振，能明显改善光学系统像质；要建设大口径望远镜，自适应副镜系统是必不可少的一部分，但大口径望远镜的副镜口径一般较大，如何支撑和高频校正镜面面型是大口径超薄自适应副镜设计中面临的一个关键科学问题。
[0003]故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，对大口径副镜面型进行高速检测，并利用自动控制技术对副镜进行实时矫正，使得副镜面型始终维持在一个适宜形变值。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种大口径超薄自适应副镜控制系统，用于利用音圈电机(Voice Coil)作为支撑促动器元件，采用设置涂电容的方式反应副镜形变，并使用电容传感器作为测量反馈装置，与传统的自适应光学系统比起来，非接触式的镜面支撑方式行程更大，频率更高，没有磁滞效应，能够用于更大口径的超薄镜面的支撑。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案为:
[0006]一种大口径超薄自适应副镜控制系统，包括副镜涂电容，副镜面型检测电路，主控电路，副镜调整电路，音圈电机，实时通信电路和电源电路，其中音圈电机的一输出端连接所述副镜涂电容的一极，
[0007]所述副镜面型检测电路的两输入端连接副镜涂电容两端，用于测量表征副镜形变量的副镜涂电容的电容量大小，并将电容量大小数据的输出端连接主控电路的一输入端；
[0008]所述主控电路用于根据表征副镜形变量的电容量大小对镜面形变信息进行分析产生控制信号输出至副镜调整电路；
[0009]所述副镜调整电路用于根据主控电路的控制信号控制音圈电机上导通电流大小方式来控制音圈电机的吸合力，从而控制副镜面型；
[0010]所述实时通信电路用于向上位机实时报告目前的测量数据以及系统运行状态；[0011 ] 所述电源电路用于提供整个系统的工作电压。
[0012]优选地，所述副镜涂电容的具体设置方式为，在副镜的薄镜面背面镀一层金属膜作为电容的一极，在副镜的镜面后面的微晶玻璃参考基板上镀另一层金属膜作为电容的另一极，两个极之间的距离为0.05mm-0.15mm。
[0013]优选地，所述音圈电机的具体设置方式为，一块磁铁黏合在副镜面上，音圈电机固定在其正上方的微晶玻璃参考基板上，磁铁和音圈电机中间隔空，距离为0.05mm-0.15mm。
[0014]优选地，所述主控电路包括主控芯片STM32、8MHz无源晶振Y1、第六二极管D6、第十瓷片电容C10、第i^一瓷片电容Cll和第十二瓷片电容C12、第二十三贴片电阻R23和一个按键开关SI，其中ClO和Cll分别一端连Y1，一端接地；D6和R23两端分别并联，一端到3.3V电压端，另一端到C12和SI的一端，C12和SI另一端都连接至地；STM32的4脚和5脚分别连接Yl的两端；STM32的7脚连至D6的阴极；8脚、44、47脚连接到地；9脚、24脚、36和48脚连接到3.3V电压端；13脚、14脚、15脚、16脚、17脚分别连至副镜面型检测电路；STM32的21脚、22脚、26脚、28脚和45脚、41脚、42脚和43脚连到副镜面型调整电路。
[0015]优选地，所述副镜面型检测电路部分包括一块电容数字转换芯片PCAP01AD，第八电阻R8和第九电阻和R9，基准电容C16，以及去耦瓷片电容C13，其中PCAP01AD的I脚、10脚和25脚连接去耦瓷片电容C13的阳极到地，PCAPOIAD的6脚和19脚连到3.3V电源；PCAPOIAD的16脚连接主控模块；PCAP01AD的20、21、22、23脚分别连主控模块；PCAP01AD的24和33脚连接到地；PCAP01AD的26脚经过第八电阻连接到地；PCAP01AD的27和28连接基准电容的两端，29和30连接待测电容副镜涂电容的两端。
[0016]优选地，所述副镜调整电路40进一步包括数模转换模块401，电压跟随模块402，电流驱动模块403和电压检测模块404，所述数模转换模块401将主控电路输出的控制信号转换成第一电压信号，经过电压跟随模块隔离输出第二电压至音圈电机两端，同时输入音圈电机的电流由5V电压源经电流驱动模块提供，采用电压检测模块对电磁两端电压进行采集从而得到真实的电流大小，和主控模块预期想要产生的电流比较进行进一步的控制。
[0017]优选地，所述数模转换模块的主芯片为16位数模转换器AD5668。
[0018]优选地，所述电压跟随模块402的主芯片为高速运算放大器0PA890。
[0019]优选地，所述电流驱动模块的主芯片为低压贴片场效应管FDS9926。
[0020]优选地，所述电压检测模块的主芯片为16位模数转换器AD7694。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0022](I)通过设置多个涂电容进行副镜面型检测，涂电容的变化量精确的反应副镜的形变量；
[0023](2)每一涂电容的位置上设置一音圈电机对副镜面型进行调整，使得面型调整精确；
[0024](3)采用芯片集成方式设置副镜面型检测电路和副镜调整电路，使得控制系统的准确度高，极大的避免了引入测量和调整误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明实施例的大口径超薄自适应副镜控制系统的原理框图；
[0026]图2为本发明实施例的大口径超薄自适应副镜控制系统的主控芯片的结构示意图；
[0027]图3为本发明实施例的大口径超薄自适应副镜控制系统的副镜面型检测电路的结构示意图；
[0028]图4为本发明实施例的大口径超薄自适应副镜控制系统的副镜调整电路的结构框图；
[0029]图5为本发明实施例的大口径超薄自适应副镜控制系统的副镜调整电路的电路图。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0032]参见图1，所示为本发明实施例的大口径超薄自适应副镜控制系统的原理框图，包括若干个副镜涂电容10，副镜面型检测电路20，主控电路30，副镜调整电路40，音圈电机50，实时通信电路70和电源电路60，其中音圈电机50的一输出端连接副镜涂电容10的一极；副镜面型检测电路20的两输入端连接副镜涂电容10两端，用于测量表征副镜形变量的副镜涂电容的电容量大小，并将电容量大小数据的输出端连接主控电路30的一输入端；主控电路30用于根据表征副镜形变量的电容量大小对镜面形变信息进行分析产生控制信号输出至副镜调整电路40 ;副镜调整电路40用于根据主控电路30的控制信号控制音圈电机上导通电流大小方式来控制音圈电机的吸合力，从而控制副镜面型；实时通信电路用于向上位机实时报告目前的测量数据以及系统运行状态；电源电路用于提供整个系统的工作电压。自适应副镜(adaptive secondary)厚度一般为2mm,直径一般在500mm以上,副镜镜面为实时的校正大气对光路的影响，镜面需要以很高的频率(一般在IKHz以上)快速的改变面型，镜面使用了很多个音圈电机促动器(voice coil actuators)支撑，促动器需要提供的力很小，一般在IN以下，只是要力变化的频率要达到很高的频率。通过以上设置的本发明实施例的大口径超薄自适应副镜控制系统，当设置在副镜上的副镜涂电容随副镜的形变产生形变时，副镜涂电容的电容量大小将发生变化，此时通过副镜面型检测电路测量出电容量，并将电容量输入至主控电路，测算出副镜的行变量并发送驱动控制信号至副镜调整电路，副镜调整电路输出电流驱动音圈电机补偿副镜涂电容的形变，使得副镜形状恢复至形变前。
[0033]具体应用实例中，副镜涂电容的具体设置方式为，在副镜的薄镜面背面镀一层金属膜作为电容的一极，在副镜的镜面后面的微晶玻璃参考基板上镀另一层金属膜作为电容的另一极，两个极之间的距离为0.05mm-0.15mm，在镜面面型变化的时候，也就是极板之间的距离变化，相应的电容会变化，通过后端的读出放大电路得到镜面的面型变化量。例如一具体实例中，设基板与镜面之间间距d = 0.1mm,基板一侧环形极板，内径12mm,外径18mm。则极板面积S= 141.372mm2，考虑在空气中，相对介电常数ε^= 1.00058986，真空介电常数ε ^ = 8.854187817620X KT12F.πΓ1，可以得到标准状态下单个电容传感器的电容量为:
[0034]C = i'(l^- = 12.525pF
' (I
[0035]在基板与镜面之间距离变化1nm时，计算得到电容变化量约为0.0OlpF0
[0036]音圈电机的具体设置方式为，一块磁铁黏合在副镜面上，音圈电机固定在其正上方的微晶玻璃参考基板上，磁铁和音圈电机中间隔空，距离为0.05mm-0.15mm。当上端电磁铁中有电流通过时，产生磁场吸合力，从而产生磁场吸合下端磁铁来控制镜面面型，电流越大，吸合力也越大。
[0037]在一具体应用实施例中，参见图2，主控电路30包括主控芯片STM32、8MHz无源晶振Y1、第六二极管D6、第十瓷片电容C10、第i^一瓷片电容Cll和第十二瓷片电容C12、第二十三贴片电阻R23和一个按键开关SI，其中ClO和Cll分别一端连Y1，一端接地；D6和R23两端分别并联，一端到3.3V电压端，另一端到C12和SI的一端，C12和SI另一端都连接至地；STM32的4脚和5脚分别连接Yl的两端；STM32的7脚连至D6的阴极；8脚、44脚、47脚连接到地;9脚、24脚、36和48脚连接到3.3V电压端；13脚、14脚、15脚、16脚、17脚分别连至副镜面型检测电路；STM32的21脚、22脚、26脚、28脚和45脚、41脚、42脚和43脚连到副镜面型调整电路。主控芯片STM32引接外部的8M晶振，内部可最高倍频到72MHz，可以和经过配置的电容数字转换芯片进行快速的通信。ClO和Cll是为了滤波。由SI组成的是一个复位电路，STM32是低电平复位，将按键一端连接至地，一旦接通，主控芯片系统就进行复位。
[0038]在一具体应用实例中，参见图3，副镜面型检测电路20包括一块电容数字转换芯片PCAP01AD，第八电阻R8和第九电阻和R9，基准电容C16，以及去耦瓷片电容C13，其中PCAPOIAD的I脚、10脚和25脚连接去耦瓷片电容C13的阳极到地，PCAPOIAD的6脚和19脚连到3.3V电源；PCAP01AD的16脚连接主控模块；PCAP01AD的20、21、22、23脚分别连主控模块；PCAP01AD的24和33脚连接到地；PCAP01AD的26脚经过第八电阻连接到地；PCAPOIAD的27和28连接基准电容的两端，29和30连接待测电容副镜涂电容的两端。电容测量芯片PCAPOl是基于充放电时间的原理，电容的放电公式是Vt = E* [1-exp (_t/RC)]，也就是t = RCLn[E/(E-Vt)]，其中E是峰值电压，Vt是下限电压，这些都是芯片固定不变的。放电的时间长短和电容的大小成正比，芯片通过测量基准电容和待测电容的放电时间来间接测量待测电容的大小。
[0039]参见图4，所示为一具体应用实例中副镜调整电路的结构框图，副镜调整电路40进一步包括数模转换模块401，电压跟随模块402，电流驱动模块403和电压检测模块404，数模转换模块401将主控电路30输出的控制信号转换成第一电压信号，经过电压跟随模块402隔离输出第二电压至音圈电机50两端，同时输入音圈电机50的电流由5V电压源经电流驱动模块提供，采用电压检测模块404对电磁两端电压进行采集从而得到真实的电流大小，和主控模块30预期想要产生的电流比较进行进一步的控制。
[0040]具体的，参见图5，所示为副镜调整电路在一应用实例中的设置，数模转换模块的主芯片为16位数模转换器AD5668 (简称DAC)。电压跟随模块402的主芯片为高速运算放大器0PA890 (简称运放)。电流驱动模块的主芯片为低压贴片场效应管FDS9926 (简称MOS芯片)。电压检测模块的主芯片为16位模数转换器AD7694(简称ADC)。进一步包括3个瓷片电容C25、C26和C28、一个贴片电阻R20和一个50MHz的磁珠R22和一个精密电阻R21。其中DAC的I脚和2脚分别和主控芯片的21脚和22脚相连；DAC的9脚、15脚和16脚分别和主控芯片的45脚、28脚和26脚相连；DAC的3脚和14脚分别连接5V电源和地；DAC的8脚经过C25滤波连接到3.3V电源；DAC的10脚为电压输出端，经过C26滤波后送至运放；DAC其他阴极均悬空。运放的3脚连接DAC的10脚；运放的4脚连接至地；运放的2脚连接MOS芯片的I脚；运放的6脚经过R20连至MOS芯片的2脚；运放的7脚连到5V电源；运放其他引脚均悬空。MOS芯片的I脚连至运放的2脚；M0S芯片的2脚经过R20连至运放的6脚；M0S芯片的7脚和8脚连至5V电源。音圈电机经R21连接到运放的2脚和MOS芯片的I脚，另一端连接至地。C28的一脚连接到地，另一端和ADC的I脚一起连到3.3V电源；ADC的2脚连接到音圈电机一端；ADC的3脚经过磁珠R22和4脚一起连接至地。磁珠R22用于隔离模拟地和数字地。ADC的5脚、6脚和7脚分别连接到主控芯片的43、42和41脚；ADC的8脚连接至5V电源。主控芯片输出数字信号经过数模转换成模拟电压，经过运放的隔离，加到音圈电机上面，形成可控的电流。该电流由场效应管连接至电源提供，其大小转换为电压由AD7694进行检测并反馈给主控芯片，进行进一步的调整。
[0041]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，包括副镜涂电容，副镜面型检测电路，主控电路，副镜调整电路，音圈电机，实时通信电路和电源电路，其中音圈电机的一输出端连接所述副镜涂电容的一极， 所述副镜面型检测电路的两输入端连接副镜涂电容两端，用于测量表征副镜形变量的副镜涂电容的电容量大小，并将电容量大小数据的输出端连接主控电路的一输入端； 所述主控电路用于根据表征副镜形变量的电容量大小对镜面形变信息进行分析产生控制信号输出至副镜调整电路； 所述副镜调整电路用于根据主控电路的控制信号控制音圈电机上导通电流大小方式来控制音圈电机的吸合力，从而控制副镜面型； 所述实时通信电路用于向上位机实时报告目前的测量数据以及系统运行状态； 所述电源电路用于提供整个系统的工作电压。
2.根据权利要求1所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述副镜涂电容的具体设置方式为，在副镜的薄镜面背面镀一层金属膜作为电容的一极，在副镜的镜面后面的微晶玻璃参考基板上镀另一层金属膜作为电容的另一极，两个极之间的距离为0.05mm-0.15mm。
3.根据权利要求1或2所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述音圈电机的具体设置方式为，一块磁铁黏合在副镜面上，音圈电机固定在其正上方的微晶玻璃参考基板上，磁铁和音圈电机中间隔空，距离为0.05mm-0.15mm。
4.根据权利要求1或2所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述主控电路包括主控芯片STM32、8MHz无源晶振Y1、第六二极管D6、第十瓷片电容C1、第i^一瓷片电容Cll和第十二瓷片电容C12、第二十三贴片电阻R23和一个按键开关SI，其中ClO和Cll分别一端连Y1，一端接地；D6和R23两端分别并联，一端到3.3V电压端，另一端到C12和SI的一端，C12和SI另一端都连接至地；STM32的4脚和5脚分别连接Yl的两端；STM32的7脚连至D6的阴极；8脚、44、47脚连接到地；9脚、24脚、36和48脚连接到3.3V电压端；13脚、14脚、15脚、16脚、17脚分别连至副镜面型检测电路；STM32的21脚、22脚、26脚、28脚和45脚、41脚、42脚和43脚连到副镜面型调整电路。
5.根据权利要求1或2所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述副镜面型检测电路部分包括一块电容数字转换芯片PCAP01AD，第八电阻R8和第九电阻和R9，基准电容C16，以及去耦瓷片电容C13，其中PCAPOIAD的I脚、10脚和25脚连接去耦瓷片电容C13的阳极到地，PCAP01AD的6脚和19脚连到3.3V电源；PCAP01AD的16脚连接主控模块；PCAPOIAD的20、21、22、23脚分别连主控模块；PCAP01AD的24和33脚连接到地；PCAP01AD的26脚经过第八电阻连接到地；PCAP01AD的27和28连接基准电容的两端，29和30连接待测电各副镜涂电各的两端。
6.根据权利要求1或2所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述副镜调整电路进一步包括数模转换模块，电压跟随模块，电流驱动模块和电压检测模块，所述数模转换模块将主控电路输出的控制信号转换成第一电压信号，经过电压跟随模块隔离输出第二电压至音圈电机两端，同时输入音圈电机的电流由5V电压源经电流驱动模块提供，采用电压检测模块对电磁两端电压进行采集从而得到真实的电流大小，和主控模块预期想要产生的电流比较进行进一步的控制。
7.根据权利要求6所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述数模转换模块的主芯片为16位数模转换器AD5668。
8.根据权利要求6所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述电压跟随模块402的主芯片为高速运算放大器0PA890。
9.根据权利要求6所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述电流驱动模块的主芯片为低压贴片场效应管FDS9926。
10.根据权利要求6所述的大口径超薄自适应副镜控制系统，其特征在于，所述电压检测模块的主芯片为16位模数转换器AD7694。
【文档编号】G05D3/12GK104267746SQ201410502130
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】马军, 黄峰, 何淑飞 申请人:杭州墨锐机电科技有限公司