[发明专利]一种双面快速转向反射镜结构

说明书

技术领域：

本发明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：

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。

本发明采用一种柔性机构，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。

发明内容：

本发明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。

本发明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。

可以实现本发明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。

本发明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。

本发明有如下有益效果：