[发明专利]基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置

说明书

技术领域

本发明属于光束控制技术领域，主要涉及一种基于反射镜平动的超高频响高灵敏度光束偏转控制装置。

背景技术

光束快速偏转控制装置常用于光学系统中，控制光束的快速角度偏转，实现光束的方向校正与稳定。如自适应光学系统中用于校正光束波前的整体倾斜；无线光通信技术领域中用于实现光束的对准与稳定；激光雷达中用于激光光束的大范围扫描以及对目标的快速瞄准与跟踪；高能激光以及精密准直领域中用于实现光束方向的稳定。在这些光学系统的应用中，为了提高光束控制精度，获得良好的补偿、跟踪和控制效果，要求光束快速偏转控制装置必须具有高的角偏转灵敏度以及快速响应的能力，即高角灵敏度与高频响，并且在激光雷达等一些场合要求同时具有较大的角度扫描范围。

目前，光束的快速偏转控制方法包括有机械式光束偏转器，传统的机械式光束偏转器主要是基于万向节或柔性铰链结构实现的，是目前应用较多的一种光束偏转方式。

万向支架结构是将反射镜安装在万向支架上，通过万向支架的旋转带动反射镜实现出射光束任意角度的偏转，万向支架结构的优点是可实现极大空间角度的光束偏转，但用这种万向支架结构进行光束的偏转控制，均需操作整个机架，由于机架结构惯量大，频带窄，响应慢，要达到高的精度是较困难的，只适合作中等精度或低速情况下的光束偏转控制。

基于柔性铰链结构的快速偏转反射镜具有结构紧凑、无摩擦损耗等特点，利用压电陶瓷或音圈电机驱动器推动柔性铰链或直接推动反射镜实现角度偏转，由于采用高位移灵敏度的压电陶瓷或音圈电机驱动器，可以实现非常高的光束偏转灵敏度，但是其快速偏转时的响应速度受柔性铰链自身的谐振频率限制，随着实际应用中对光束偏转灵敏度要求的提高，在压电陶瓷驱动器输出的位移分辨力一定的情况下，为了增加柔性铰链结构的角度偏转灵敏度，一方面要求柔性铰链的柔性要尽可能好，另一方面需要增加柔性铰链转臂的长度，这两方面都会降低其自身的谐振频率，使得基于柔性铰链结构的微角摆控制反射镜在角度偏转灵敏度与动态响应速度之间存在矛盾。

中国科学院光电技术研究所李新阳等人制作了单点柔性支撑非对称结构的二维高速倾斜镜，根据测量数据建立了高速倾斜反射镜机械谐振的动态数学模型，提出采用网络滤波技术来减小倾斜反射镜的机械谐振，使得高速倾斜反射镜的控制稳定性和控制带宽都得到了较大改善。但是该方法并没有从系统结构上解决机械谐振的问题，并且该方法中的动态数学模型直接会影响到网络滤波的效果，建立准确的动态数学模型比较困难，限制了控制稳定性和带宽的进一步提高。

中国科学院光电技术研究所朱衡等人提出一种基于薄板径向支撑的高速压电倾斜镜，在镜片与驱动器连接处添加了薄板径向支撑，用以限制径向偏移，同时增大轴向刚度，有效改进了倾斜镜的整体刚度分布，提高了原结构倾斜镜的谐振频率。但结构较复杂，对安装要求较高，并且驱动点距反射镜转动中心的距离较小，限制了系统的角度分辨力。

国防科学技术大学范大鹏等人在2010年申请的发明专利“基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置”(申请号：CN 101794020.A)中，提出一种采用分辨率倍增杠杆结构，利用倍增杠杆的两端位移量成比例变化的特点来提高系统的角度分辨力，具有结构紧凑、定位精度高、角度分辨力高等特点，但由于平行导向柔顺机构和分辨率倍增杠杆的柔性铰链均为弹簧片结构，系统的响应速度较低，无法在需要快速响应的情况下使用。

新型的机械式光束偏转器主要有偏心透镜式、旋转棱镜式、偏心微透镜阵列式、可控微棱镜阵列式。

美国Dayton大学J.Gibson等人提出的偏心透镜式光束偏转器，将前后两个透镜共焦面放置，前一个透镜固定，通过后一个透镜相对于前一透镜的横向平移实现出射光束的角度偏转，与传统的机械式偏转结构相比，具有无旋转光轴、偏转角大(可达到45°)等特点；前苏联建立的用于直线度平面度测量的国家专用基准装置中用到一种同样的结构，通过后一个透镜的平移将入射光束相对于光轴的角度变化转换为出射光束的平移，实现出射光束相对于入射光束的角度偏转，以达到校正光束角漂移量的目的；J.Gibson等人还提出一种旋转楔形棱镜式光束偏转器，将两个双胶合消色散楔形棱镜相对放置，两个楔形棱镜以入射光束为旋转轴作圆周旋转运动，实现出射光束方向的偏转；以上两种光束偏转器均能达到分辨力1mrad、偏转速度1rad/s以及大于45°的二维角度偏转范围。由于装置中采用透镜、楔形棱镜的运动实现光束偏转，体积、质量和功耗没有得到改善，光束偏转响应速度难以得到提高，并且透镜的二维平移容易产生耦合，两个楔形棱镜的旋转运动控制过程较复杂。