[发明专利]一种基于压电叠堆的光学稳像装置及其控制系统

说明书

本发明公开了一种基于压电叠堆的光学稳像装置，包括镜头安装架，镜头安装架位于第一位移放大模块的位移放大方向，并通过连接块连接该第一位移放大模块，整体设在第一矩形框架内；第一矩形框架位于第二位移放大模块的位移放大方向，并通过连接块连接该第二位移放大模块，整体设在第二矩形框架内；第一、第二位移放大模块为并联设置，二者在外加电压的作用下伸长，分别产生作用于镜头安装架正向和负向的位移输出。本发明的位移放大模块在正反方向位移解耦，使得压电叠堆在初始阶段不需要预电压维持一定的预位移。本发明还设计有闭环控制系统，通过稳像装置内置的位移传感器测试位移指标，由中央处理器模块解算并进行高精度位移控制。

技术领域

本发明专利属于精密光学仪器领域，特别涉及一种基于压电叠堆的光学稳像装置及其控制系统。

背景技术

由于成像载体受姿态变化和振动的影响，将会导致所获取不清晰的图像，影响图像信息的有效性。稳像技术能减轻或消除运动摄像载体对像面的影响，提高所获图像信息的有效性。

目前的稳像技术按照原理进行分类可以分为三种：机械稳像、电子稳像与光学稳像。机械式稳像是利用陀螺等传感器和伺服系统构成的稳定平台来补偿动基座上的摄像系统的相对运动来实现稳像的。电子稳像技术不借助专门的传感器或设备，应用图像处理和电子技术对模糊的图像进行处理。它直接对图像进行算法处理，计算出视频相邻数帧图像间的全局运动矢量，并对其进行补偿，从而达到补偿视频图像帧间抖动的目的。光学稳像技术主要是利用特殊的镜头或CCD(电荷耦合元件)感光元件最大程度地降低外部抖动对拍摄照片质量的影响。其工作原理为：在稳像的光学组件中，设置一些光学元件，如棱镜、反射镜、光楔等，当系统受载体的外部激励而产生任意的抖动时，利用光学元件调整补偿抖动产生的光轴偏移，使得稳像元件能够保持不动或相对运动以保持出射光束方向或像点位置保持不动，即满足了稳像的要求。光学稳像技术区别于机械稳像稳定整个光学仪器/光学系统的方法，只需要稳定光学元件，因此相对于机械稳像技术具有体积重量小、易于实现、稳像效果好等优点，更利于小型化、降低成本。

现有的光学稳像机构，通过多种电弹簧等机构提供光学器件所需位移。由于传统电磁理论的技术瓶颈存在，电磁式位移作动机构的精度与响应带宽等关键参数均受到限制。为了提升稳像精度与系统的响应带宽，近年以来诸多研究机构提出了基于压电作动器的光学稳像机构。这些利用压电材料高精度高可靠性的优点，通过对压电陶瓷叠堆施加电压，并通过三角位移放大机构对位移进行放大输出到光学元件上，利用压电叠堆的稳像系统可以实现纳米级位移控制。但是由于压电叠堆与放大机构的限制，现有的光学稳像机构多利用压电叠堆施加预电压形成预变形，并通过调节电压改变叠堆伸长长度的方式实现正反方向的位移控制，这一方法需要叠堆持续供电，造成一定的能量损失，且陶瓷长时间通电有可能会导致材料退极化。

授权公告号为CN 105071690 B的中国发明专利于2017.08.04公开了一种压电直线作动二维稳像平台。该发明提供了一种新型压电直线作动二维稳像平台，该作动平台在X和Y方向可以分别做双向主动位移输出，从而组合成平面内任意位置的作动。该发明在单方向上的两个压电叠堆的输出位移会相互影响，在X和Y方向的压电叠堆的输出位移也会彼此影响，该机构整体结构刚度较小，高频信号激励下位移放大倍数低，并且二维稳像调节为开环调节，调节精度差，响应速度慢。

发明内容

针对以上提出的问题，本发明提出了一种基于压电叠堆的光学稳像装置及其控制系统，可在正反方向位移解耦，控制精度高，并且不需要施加预电压，有效降低无效能耗。

一种基于压电叠堆的光学稳像装置，包括中空的第一矩形框架、第二矩形框架和镜头安装架，镜头安装架位于第一位移放大模块的位移放大方向，并通过连接块连接该第一位移放大模块，整体设在第一矩形框架内；第一矩形框架位于第二位移放大模块的位移放大方向，并通过连接块连接该第二位移放大模块，整体设在第二矩形框架内；其中，第一位移放大模块和第二位移放大模块为并联设置，二者在外加电压的作用下伸长，分别产生作用于镜头安装架的正向和负向的位移输出。