[发明专利]二维控制反射镜及其控制方法与包含其的激光扫描器

说明书

本发明公开了二维控制反射镜及其控制方法与包含其的激光扫描器，本发明通过三个压电驱动结构支撑反射镜，其支撑点呈正三角排布，克服了现有技术中反射镜非对称支撑结构存在的稳定性差、轴间干扰严重的问题，使得反射镜支撑结构稳定，从而提高了二维控制反射镜的控制精度。此外，本发明还通过对三个压电驱动结构的约束算法控制，使得反射点位置在反射镜偏转过程中在纵向方向上的位移为零，从而保障了反馈光路的几何模型的稳定性，进而有效保障了二维控制反射镜的控制精度及扫描激光指向控制精度。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及二维控制反射镜及其控制方法与包含其的激光扫描器。

背景技术

激光扫描器在近代尖端工业生产和科学研究中有着广泛的应用。其中激光扫描器包括反射镜控制部件，其为一种可精确控制激光束指向的器件，可以补偿激光的抖动误差，保证激光束能够实时对准，常用于高精度工业加工系统、高能激光系统、激光通信系统和成像系统等。

现有技术中，如压电激光扫描器是采用压电陶瓷作为驱动源、柔性铰链作为传动机构的一种新型激光扫描器，具有结构小巧、驱动速度快、扫描精度高、容易集成和可实现单镜面二维扫描等优点，近年来得到了学术界和工业界的广泛重视。

其中，现有技术中提出过一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜及其控制系统，提出了采用PSD(Position Sensitive Detector，位置敏感探测器)作为反馈核心的思想。其利用两个带压电陶瓷的柔性铰链-位移放大支撑结构和一个不带压电陶瓷的固定支撑结构共同构成支架的三个支点支撑反射镜，通过给两个压电陶瓷施加一定的驱动电压，使压电陶瓷伸缩方向位移发生变化，从而可以使反射镜在二维方向上发生偏转。反射镜发生偏转时，入射到PSD上的激光束也会发生偏转，通过测量PSD光斑的偏移量并经过一定的几何计算，可以计算出反射镜的偏转角度用以作为反馈信号，提升控制精度。然而，该技术方案存在以下问题：

1.稳定性差，轴间干扰严重。当两个压电陶瓷驱动时，它们有向下的位移而固定支撑结构没有，这会使得支架的三个支撑点无法保持在一个高度上从而导致反射镜始终处于倾斜状态无法保持水平。这种非对称的支撑结构，稳定性差，轴间干扰严重，这种结构上本身带来的误差无法通过控制算法改善，使得反射镜控制部件的偏转角度精度受限。

2.反射点容易偏移。这种射镜控制部件的光学反馈方式在反射镜的一侧，随着反射镜的反射角度不同，反射镜背面的反射点并不是保持不变，可能会在纵向方向(平行于压电驱动结构的位移方向)产生偏移，这会导致反馈光路的几何模型发生偏差，从而导致反馈精度变差，这种原理上的硬伤同样无法单纯的由控制算法解决，进而影响二维控制反射镜的控制精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可有效提高反射镜支撑结构的稳定性、减少支撑结构轴间干扰的二维控制反射镜、激光扫描器及其控制方法。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种基于直接光学反馈的二维控制反射镜，包括平行光束发射器、半反半透镜、反射镜、位置敏感探测器、闭环控制电路和用于支撑反射镜的三个压电驱动结构，所述三个压电驱动结构对反射镜的支撑点呈正三角形排列；所述反射镜包括用于反射平行光束发射器所发出光束的反射点，反射点位于所述正三角形的中心，所述平行光束发射器发出的光束由半反半透镜反射至反射镜背面的反射点上，所述光束经反射镜反射后再入射到半反半透镜上，所述入射到半反半透镜上的部分光束透过半反半透镜而直接投射到位置敏感探测器上；所述闭环控制电路采集位置敏感探测器接收到光束的位置信号并根据该位置信号计算得到反射镜的二维角度实际偏转量，根据二维角度实际偏转量和二维角度理想偏转量的偏差值输出控制信号，分别控制三个压电驱动结构的纵向形变，使反射镜在二维方向上偏转到二维角度理想偏转量，进而控制反射镜的偏转角度。

优选地，所述闭环控制电路还用于通过控制三个压电驱动结构的形变来使反射点位置在纵向方向上的位移为零。