[发明专利]一种快速控制反射镜

说明书

发明领域

本发明属于光束控制技术领域，具体涉及一种快速控制反射镜。

背景技术

空间光通信是一种无线的光通信，不需要线缆或者光缆，而且通信保密性好，通信密度高，成为未来通信的一种发展方向。快速控制反射镜作为空间光通信的一个关键器件，其性能直接影响空间光通信的通信质量。快速控制反射镜的角度控制精度直接影响到空间光通信的信道稳定性。传统的快速控制反射镜基于二维转台，响应速度不高，转台机架的谐振频率低，容易引起谐振。

美国专利US2003/0197910A1中公布的快速扫描反射镜，反射镜固定于一个由内外环组成的万向节，万向节的内外环都会增加系统的转动惯量，由此导致系统的谐振频率降低，控制带宽也会相应降低。这种内外环也会限制反射镜面的尺寸，使其反射镜面积偏小。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种快速控制反射镜，具有结构紧凑、角度控制精度高、无摩擦损耗、谐振频率高的优点。

一种快速控制反射镜，上支撑架5的上表面通过弹性支撑架13依次连接附镜架14和主镜架2，主镜架2和附镜架14分别固定有主反射镜1和附反射镜15；上支撑架5的上表面对称分布有四个直线音圈电机，并在中心处开有通孔16；上支撑架5的下方分别设有半导体激光器12、位敏探测器7和呈45°倾斜放置的分光镜9，半导体激光器12发出的激光通过分光镜9，穿过通孔16，到达附反射镜15，附反射镜15将激光反射回分光镜9，分光镜9再将激光反射到位敏探测器7。

本发明的技术效果体现在：

按照本发明制作的快速控制反射镜，其一阶谐振频率可达到115Hz，闭环控制带宽达到300Hz，二维方向的机械偏转角度可到±5°。由于使用了弹性支撑结构，反射镜在偏转运动中无摩擦损耗，使其工作寿命更长，无需润滑，可免维护。系统的角度控制精度可达5urad。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图，其中图1(a)为整体外观示意图，图1(b)为具体结构示意图；

图2为主镜架及X轴方向的音圈电机的线圈示意图；

图3为图2的侧视图；

图4为上支撑架及弹性支撑架示意图；

图5为上支撑架及四个音圈电机磁座示意图；

图6为本发明实施例剖面结构图；

图7为本发明实施例工作原理示意图；

图8为本发明偏转角度闭环控制框示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明实施例。

图1(a)为本发明实施例整体外观示意图，具体结构参见图1(b)，实施例的快速控制反射镜包括：主反射镜1、主镜架2、四个直线音圈电机、弹性支撑架13、附镜架14、附反射镜15、上支撑架5、支撑壳6、分光镜9、分光镜架10、位敏探测器7、位敏探测器架8、底座11和半导体激光器12。直线音圈电机包括线圈和磁座两部分。

参见图2、图3和图4，主镜架2顶面粘接主反射镜1，底面连接附镜架14，附镜架14用于支撑附反射镜15；主镜架2底面还与弹性支撑架13的上端相接，弹性支撑架13的下端连接上支撑架5。上支撑架5的上表面对称分布四个直线音圈电机，直线音圈电机的线圈3A、3B、3C、3D通过螺钉与主镜架2底面相接，直线音圈电机的磁座固定在上支撑架5上的四个圆形凹槽内。如图5所示，上支撑架5中心开有一个通孔(16)。图6为本发明剖面结构图，上支撑架5的下表面通过支撑壳6与底座11相接，底座11中心安放有半导体激光器(LD)12，在底座11上半导体激光器(LD)12旁分别安放有位敏探测器架8和分光镜架10，位敏探测器架8用于支撑位敏探测器(PSD)7，分光镜架10上粘接有一个倾斜45°角放置的分光镜9，LD12位于分光镜9下方，并且正对着分光镜架10中心的圆孔，以使LD12发出的激光可以透过圆孔到达分光镜9。

快速控制反射镜内部有偏转角度实时探测系统，可实现偏转角度闭环控制。实时探测系统的光路如图7所示，LD12发出的激光穿过分光镜架10中间的圆孔，通过分光镜9，穿过通孔16到达附反射镜15，附反射镜15将光反射回分光镜9，再由分光镜9反射，到达PSD7。当主镜架2发生偏转时，主反射镜1和附反射镜15会发生相同的偏转，反射光就会发生偏转，PSD7上的光斑位置就会发生移动。PSD7利用了横向光电效应，可以探测光斑在PSD表面的位置。

快速控制反射镜的偏转角度闭环控制框图如图8所示，其中r(t)为目标偏转角度，θ(t)为实际偏转角度。沿X轴的两个电机4A，4D和沿Y轴的两个电机4B，4C分别为一对，两对电机独立控制，沿X轴线方向的两个音圈电机做推拉运动会引起反射镜以Y轴为中心偏转，沿Y轴线方向的两个音圈电机做推拉运动会引起反射镜以X轴为中心偏转。闭环控制方法的实现步骤为：给每对音圈电机施加反向的电流，可使音圈电机分别产生上升或下降的驱动力，从而使主镜架2发生偏转，同时连接在主镜架2下的附镜架14和附反射镜15也会发生相同的偏转，由此导致射到PSD7的光斑位置发生移动，位敏探测器探测的信号经模数转换(A/D)到达DSP(数字信号处理器)数字控制器，计算出光斑移动的距离，从而由几何关系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(D/A)和功率放大，施加到音圈电机上，可以实现反射镜偏转角度的闭环控制。