專利名稱：大口徑高速壓電振鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種以一定掃描角度和掃描頻率工作的光電器件，尤其涉及一種 對于大口徑紅外測譜的光學系統(tǒng)，特別涉及一種大口徑壓電振鏡。
背景技術(shù)：
高速振鏡主要由鏡面和掃描頭(或叫驅(qū)動頭)構(gòu)成。鏡面大小由通光口徑?jīng)Q定，隨 著通光口徑增加，鏡面轉(zhuǎn)動慣量就增大，這會嚴重影響高速振鏡的工作頻率，所以高速振鏡 通光口徑的擴大與工作頻率的提高是矛盾的。掃描頭根據(jù)不同需求有電磁式、壓電式等，一 般電磁式由于驅(qū)動力和響應(yīng)速度的原因，用在口徑較小、頻率不太高的場合，而壓電式可用 于口徑較大、工作頻率較高的場合。目前國內(nèi)外研制的高速振鏡，口徑一般在幾毫米到十幾 毫米范圍，頻率在幾十赫茲到幾千赫茲，掃描頭一般采用電磁驅(qū)動方式。美國CTI公司生產(chǎn) 的高速振鏡系列最具代表性，其口徑從幾毫米到幾十毫米，工作頻率隨著口徑增大而降低， 例如在40mm 口徑時，工作頻率基本不超過1000Hz，這是由高速振鏡電磁驅(qū)動力和響應(yīng)速度 限制的；國內(nèi)如武漢新特光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ST振鏡系列口徑一般不超過20mm，全部 采用高速擺動電機，以電磁力驅(qū)動；國外有報道采用壓電片驅(qū)動的壓電式振鏡，其工作頻率 可以達到十千赫茲以上，但通光口徑僅有幾毫米。以目前的技術(shù)狀況，同時具有大通光口徑 (一般大于40mm)、高工作頻率(幾千赫茲)且又具有一定轉(zhuǎn)角(大于30')的高速振鏡研 制難度很大，國內(nèi)外沒有這方面技術(shù)或產(chǎn)品的公開報道。
實用新型內(nèi)容本實用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大口徑高速壓電振鏡，采用高強度 壓電驅(qū)動堆為掃描頭，利用諧振原理驅(qū)動一塊無應(yīng)力粘結(jié)于彈性結(jié)構(gòu)上的輕量化鏡面，研 制大通光口徑GOmm以上)、高工作頻率(大于2000Hz)、較大工作轉(zhuǎn)角(大于30')、并具 有良好動靜態(tài)光學面形的高速振鏡，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。為解決上述的技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案一種大口徑高速壓電振鏡，包括鏡面、鏡座、柔性頭、驅(qū)動器、位置傳感器和底座， 其中鏡面無應(yīng)力粘結(jié)鏡座之上，鏡座下方與柔性頭相連，驅(qū)動器下端固定于底座之上，驅(qū)動 器上端粘有柔性頭，位置傳感器固定于底座中部上方同時位于鏡座下方，用于感知鏡面的 實際轉(zhuǎn)角位置，所述的驅(qū)動器為壓電驅(qū)動器，并且有一對，分別安裝在鏡座的兩側(cè)，工作時 互做反方向運動，形成與鏡面相同工作模式的外部激勵力矩，使鏡面受迫振動，從而實現(xiàn)高 速壓電振鏡的轉(zhuǎn)角輸出；而鏡座分為彈性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)，剛性結(jié)構(gòu)的中間部分位于鏡面 下方并直接與鏡面粘接，彈性結(jié)構(gòu)與柔性頭相連；鏡座的外部輪廓為帶圓角的矩形，所述的 剛性結(jié)構(gòu)由位于鏡面下方的鏡面基座、位于鏡座兩側(cè)的矩形長邊以及位于矩形短邊的中間 部分的短件構(gòu)成，彈性結(jié)構(gòu)則呈兩個“T”字形，彈性結(jié)構(gòu)中“T”字形的頂部橫邊和剛性結(jié)構(gòu) 的短件固定，彈性結(jié)構(gòu)中“T”字形的豎邊和剛性結(jié)構(gòu)的鏡面基座固定，彈性結(jié)構(gòu)為驅(qū)動器提 供預(yù)壓力。采用一對對稱布置、同步反相驅(qū)動的壓電堆作為壓電振鏡的驅(qū)動頭，是實現(xiàn)大口徑、高頻率的關(guān)鍵。而鏡座的彈性結(jié)構(gòu)傳遞壓電堆振動能量，并以諧振方式放大壓電堆驅(qū)動 器的振動幅度，從而實現(xiàn)大口徑壓電振鏡的大角度輸出，其剛度決定大口徑壓電振鏡的工 作頻率。更進一步的技術(shù)方案是所述鏡面使用超硬鋁或碳化硅材料，具有大于40mm以上的通光口徑，其形狀為圓 形或橢圓形。所述的鏡面基座的形狀與鏡面形狀相配合，為圓環(huán)形或橢圓環(huán)形。本實用新型實現(xiàn)上述技術(shù)目標的技術(shù)原理是為了實現(xiàn)大通光口徑、高工作頻率、 大角度掃描范圍等要求，以諧振模式為基本工作原理。用系統(tǒng)強迫振動響應(yīng)公式表述如 下孖)= /r2!2其中Η(ω)表示系統(tǒng)響應(yīng)的振幅與系統(tǒng)在恒力作用下靜態(tài)位移之比，也叫系統(tǒng)的 放大因子；ω為系統(tǒng)的激勵頻率；ωη為系統(tǒng)的固有頻率，ξ為系統(tǒng)阻尼。當振鏡的工作頻率盡量接近振鏡的固有頻率時，高速振鏡具有穩(wěn)定和放大的角度 輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是所用壓電驅(qū)動器具有大的負載能力 和快速響應(yīng)能力，能實現(xiàn)高速振鏡的大通光口徑GOmm以上)、高工作頻率(2000Hz以上)、 較大轉(zhuǎn)角范圍(30'以上)等技術(shù)要求，而壓電堆驅(qū)動器和鏡座彈性結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)這些技術(shù) 的關(guān)鍵，彈性結(jié)構(gòu)和剛性部分設(shè)計為一體。剛性結(jié)構(gòu)與鏡面粘接，彈性結(jié)構(gòu)既能對壓電驅(qū)動 器進行預(yù)緊和非運動方向的約束，又能傳遞壓電驅(qū)動器的激勵能量，并在諧振模式中將壓 電驅(qū)動器的微量伸縮運動轉(zhuǎn)化為鏡面的大角位移輸出。
圖1為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的鏡座的立體圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步闡述。如附圖1所示，一種大口徑高速壓電振鏡，包括鏡面1、鏡座2、柔性頭3、壓電驅(qū)動 器4、位置傳感器5和底座6，其中鏡面1無應(yīng)力粘結(jié)在鏡座2之上，鏡座2下方與柔性頭3 相連，壓電驅(qū)動器4下端固定于底座6之上，壓電驅(qū)動器4上端粘有柔性頭3，柔性頭3的 主要作用是減小壓電驅(qū)動器4所承受的剪切力。位置傳感器5固定于底座6中部上方同時 位于鏡座2下方，用于感知鏡面1的實際轉(zhuǎn)角位置，可與計算機及驅(qū)動電路構(gòu)成高速振鏡的 閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)高速振鏡的精密位置輸出。所述的壓電驅(qū)動器4有一對，分別安裝在鏡 座2的兩側(cè)，工作時互做反方向運動，形成與鏡面1相同工作模式的外部激勵力矩，使鏡面 1受迫振動，從而實現(xiàn)高速壓電振鏡的轉(zhuǎn)角輸出。如圖2所示，鏡座2分為彈性結(jié)構(gòu)21和剛性結(jié)構(gòu)，鏡座2的外部輪廓為圓角矩形， 所述的剛性結(jié)構(gòu)由位于鏡面下方的鏡面基座22、位于鏡座2兩矩形長邊23以及位于矩形短邊的中間部分的短件M構(gòu)成，彈性結(jié)構(gòu)21則呈兩個“T”字形，，彈性結(jié)構(gòu)21中“T”字形 的頂部橫邊和剛性結(jié)構(gòu)的短件M固定，彈性結(jié)構(gòu)21中“T”字形的豎邊和剛性結(jié)構(gòu)的鏡面 基座22固定，彈性結(jié)構(gòu)21將剛性結(jié)構(gòu)的多個組成部分連接在一起，剛性結(jié)構(gòu)的鏡面基座 22位于鏡面1下方并直接與鏡面1粘接，彈性結(jié)構(gòu)與21與柔性頭3和底座6相連；彈性結(jié) 構(gòu)21為壓電驅(qū)動器4提供預(yù)壓力。鏡座2的作用是用來連接鏡面1，與鏡面1采用同類材 料，以保證高速振鏡的溫度穩(wěn)定性；鏡座2具有一定的剛度，可減小因高速振鏡工作時的扭 力造成鏡面1的變形；鏡座2由剛性結(jié)構(gòu)和彈性結(jié)構(gòu)21組成，并設(shè)計為一體，并通過彈性結(jié) 構(gòu)21連接到底座6和柔性頭3上。鏡座2的彈性結(jié)構(gòu)21參數(shù)影響大口徑高速壓電振鏡的 工作頻率增加彈性結(jié)構(gòu)剛度，就能提高大口徑高速壓電振鏡的諧振頻率，因基于諧振工作 原理，也就提高了大口徑高速壓電振鏡的工作頻率；另外，為保持鏡面1的原始光學面形， 鏡面1與鏡座2不采用機械連接，而采用無應(yīng)力粘結(jié)技術(shù)連接，減小鏡面1裝配引起的面形 變化。彈性結(jié)構(gòu)兩個T字形結(jié)構(gòu)，與柔性頭3、底座6相連，其作用是為壓電驅(qū)動器4提供預(yù) 壓力，并約束壓電驅(qū)動器4除伸縮變形方向以外的運動自由度；彈性結(jié)構(gòu)還將壓電驅(qū)動器 4的伸縮運動轉(zhuǎn)化為鏡面1的轉(zhuǎn)動，這一轉(zhuǎn)化是在彈性結(jié)構(gòu)的諧振模式中進行的，在非諧振 頻率處，鏡面1幾乎不會轉(zhuǎn)動；彈性結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)尺寸厚度和長度是決定高速振鏡工作 頻率和轉(zhuǎn)角范圍關(guān)鍵參數(shù)；剛性部分主要與鏡面1粘結(jié)，并減小工作扭力對鏡面1面形的影 響。鏡面1具有大于40mm的通光口徑，為圓形或橢圓形，鏡面使用超硬鋁或碳化硅材 料，采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使鏡面在保持良好動靜態(tài)光學面形時，具有盡量小的轉(zhuǎn)動慣量; 鏡面1單獨進行光學加工和鍍膜，然后進行組裝。鏡面基座22的形狀與鏡面1相配合，為 圓環(huán)形或橢圓環(huán)形。鏡面轉(zhuǎn)角輸出與壓電驅(qū)動器的激勵輸入比可用系統(tǒng)強迫振動響應(yīng)公式表述如 下
權(quán)利要求1.一種大口徑高速壓電振鏡，包括鏡面(1)、鏡座O)、柔性頭(3)、驅(qū)動器G)、位置傳 感器(5)和底座(6)，其中鏡面⑴無應(yīng)力粘在結(jié)鏡座(2)之上，鏡座(2)下方與柔性頭(3) 相連，驅(qū)動器(4)下端固定于底座(6)之上，驅(qū)動器(4)上端粘有柔性頭(3)，位置傳感器 (5)固定于底座(6)中部上方同時位于鏡座(2)下方，用于感知鏡面(1)的實際轉(zhuǎn)角位置， 其特征在于所述的驅(qū)動器(4)為壓電驅(qū)動器，并且有一對，分別安裝在鏡座O)的兩側(cè)， 工作時互做反方向運動，形成與鏡面(1)相同工作模式的外部激勵力矩，使鏡面(1)受迫振 動；而鏡座(2)分為彈性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)，剛性結(jié)構(gòu)的中間部分位于鏡面(1)下方并 直接與鏡面⑴粘接，彈性結(jié)構(gòu)與柔性頭⑶相連；鏡座⑵的外部輪廓為帶圓角的 矩形，所述的剛性結(jié)構(gòu)由位于鏡面正下方的鏡面基座(22)、位于鏡座(2)兩側(cè)的矩形長邊 (23)以及位于矩形短邊的中間部分的短件04)構(gòu)成，彈性結(jié)構(gòu)則呈兩個“T”字形，彈 性結(jié)構(gòu)中“T”字形的頂部橫邊和剛性結(jié)構(gòu)的短件04)固定，彈性結(jié)構(gòu)中“T”字 形的豎邊和剛性結(jié)構(gòu)的鏡面基座02)固定，彈性結(jié)構(gòu)為驅(qū)動器(4)提供預(yù)壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑高速壓電振鏡，其特征在于所述鏡面(1)使用超硬 鋁或碳化硅材料，具有大于40mm的通光口徑，其形狀為圓形或橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑高速壓電振鏡，其特征在于所述的鏡面基座02)形 狀與鏡面形狀相配合，為圓環(huán)形或橢圓環(huán)形。
專利摘要本實用新型公開了一種大口徑高速壓電振鏡，所述的驅(qū)動器(4)為壓電驅(qū)動器，并且有一對，分別安裝在鏡座(2)的兩側(cè)，工作時互做反方向運動，形成與鏡面(1)相同工作模式的外部激勵力矩，使鏡面(1)受迫振動，從而實現(xiàn)高速壓電振鏡的轉(zhuǎn)角輸出；而鏡座(2)分為彈性結(jié)構(gòu)(21)和剛性結(jié)構(gòu)，剛性結(jié)構(gòu)的中間部分位于鏡面(1)下方并直接與鏡面(1)粘接，彈性結(jié)構(gòu)與(21)與柔性頭(3)相連；本實用新型的有益效果是所用壓電驅(qū)動器具有大的負載能力和快速響應(yīng)能力，能實現(xiàn)高速振鏡的大通光口徑(40mm以上)、高工作頻率(2000Hz以上)、較大轉(zhuǎn)角范圍(30′以上)等技術(shù)要求。
文檔編號G02B26/08GK201828711SQ20102055957
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者葉青秀, 姜文漢, 官春林, 張小軍, 胡羿云, 饒長輝 申請人:成都邁科高技術(shù)開發(fā)有限責任公司