专利名称：大口径高速压电振镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种以一定扫描角度和扫描频率工作的光电器件，尤其涉及一种 对于大口径红外测谱的光学系统，特别涉及一种大口径压电振镜。
背景技术：
高速振镜主要由镜面和扫描头(或叫驱动头)构成。镜面大小由通光口径决定，随 着通光口径增加，镜面转动惯量就增大，这会严重影响高速振镜的工作频率，所以高速振镜 通光口径的扩大与工作频率的提高是矛盾的。扫描头根据不同需求有电磁式、压电式等，一 般电磁式由于驱动力和响应速度的原因，用在口径较小、频率不太高的场合，而压电式可用 于口径较大、工作频率较高的场合。目前国内外研制的高速振镜，口径一般在几毫米到十几 毫米范围，频率在几十赫兹到几千赫兹，扫描头一般采用电磁驱动方式。美国CTI公司生产 的高速振镜系列最具代表性，其口径从几毫米到几十毫米，工作频率随着口径增大而降低， 例如在40mm 口径时，工作频率基本不超过1000Hz，这是由高速振镜电磁驱动力和响应速度 限制的；国内如武汉新特光电技术有限公司生产的ST振镜系列口径一般不超过20mm，全部 采用高速摆动电机，以电磁力驱动；国外有报道采用压电片驱动的压电式振镜，其工作频率 可以达到十千赫兹以上，但通光口径仅有几毫米。以目前的技术状况，同时具有大通光口径 (一般大于40mm)、高工作频率(几千赫兹)且又具有一定转角(大于30')的高速振镜研 制难度很大，国内外没有这方面技术或产品的公开报道。
实用新型内容本实用新型克服了现有技术的不足，提供一种大口径高速压电振镜，采用高强度 压电驱动堆为扫描头，利用谐振原理驱动一块无应力粘结于弹性结构上的轻量化镜面，研 制大通光口径GOmm以上)、高工作频率(大于2000Hz)、较大工作转角(大于30')、并具 有良好动静态光学面形的高速振镜，解决了现有技术中存在的问题。为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案一种大口径高速压电振镜，包括镜面、镜座、柔性头、驱动器、位置传感器和底座， 其中镜面无应力粘结镜座之上，镜座下方与柔性头相连，驱动器下端固定于底座之上，驱动 器上端粘有柔性头，位置传感器固定于底座中部上方同时位于镜座下方，用于感知镜面的 实际转角位置，所述的驱动器为压电驱动器，并且有一对，分别安装在镜座的两侧，工作时 互做反方向运动，形成与镜面相同工作模式的外部激励力矩，使镜面受迫振动，从而实现高 速压电振镜的转角输出；而镜座分为弹性结构和刚性结构，刚性结构的中间部分位于镜面 下方并直接与镜面粘接，弹性结构与柔性头相连；镜座的外部轮廓为带圆角的矩形，所述的 刚性结构由位于镜面下方的镜面基座、位于镜座两侧的矩形长边以及位于矩形短边的中间 部分的短件构成，弹性结构则呈两个“T”字形，弹性结构中“T”字形的顶部横边和刚性结构 的短件固定，弹性结构中“T”字形的竖边和刚性结构的镜面基座固定，弹性结构为驱动器提 供预压力。采用一对对称布置、同步反相驱动的压电堆作为压电振镜的驱动头，是实现大口径、高频率的关键。而镜座的弹性结构传递压电堆振动能量，并以谐振方式放大压电堆驱动 器的振动幅度，从而实现大口径压电振镜的大角度输出，其刚度决定大口径压电振镜的工 作频率。更进一步的技术方案是所述镜面使用超硬铝或碳化硅材料，具有大于40mm以上的通光口径，其形状为圆 形或椭圆形。所述的镜面基座的形状与镜面形状相配合，为圆环形或椭圆环形。本实用新型实现上述技术目标的技术原理是为了实现大通光口径、高工作频率、 大角度扫描范围等要求，以谐振模式为基本工作原理。用系统强迫振动响应公式表述如 下孖)= /r2!2其中Η(ω)表示系统响应的振幅与系统在恒力作用下静态位移之比，也叫系统的 放大因子；ω为系统的激励频率；ωη为系统的固有频率，ξ为系统阻尼。当振镜的工作频率尽量接近振镜的固有频率时，高速振镜具有稳定和放大的角度 输出。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是所用压电驱动器具有大的负载能力 和快速响应能力，能实现高速振镜的大通光口径GOmm以上)、高工作频率(2000Hz以上)、 较大转角范围(30'以上)等技术要求，而压电堆驱动器和镜座弹性结构是实现这些技术 的关键，弹性结构和刚性部分设计为一体。刚性结构与镜面粘接，弹性结构既能对压电驱动 器进行预紧和非运动方向的约束，又能传递压电驱动器的激励能量，并在谐振模式中将压 电驱动器的微量伸缩运动转化为镜面的大角位移输出。
图1为本实用新型整体结构示意图；图2为本实用新型的镜座的立体图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步阐述。如附图1所示，一种大口径高速压电振镜，包括镜面1、镜座2、柔性头3、压电驱动 器4、位置传感器5和底座6，其中镜面1无应力粘结在镜座2之上，镜座2下方与柔性头3 相连，压电驱动器4下端固定于底座6之上，压电驱动器4上端粘有柔性头3，柔性头3的 主要作用是减小压电驱动器4所承受的剪切力。位置传感器5固定于底座6中部上方同时 位于镜座2下方，用于感知镜面1的实际转角位置，可与计算机及驱动电路构成高速振镜的 闭环反馈系统，实现高速振镜的精密位置输出。所述的压电驱动器4有一对，分别安装在镜 座2的两侧，工作时互做反方向运动，形成与镜面1相同工作模式的外部激励力矩，使镜面 1受迫振动，从而实现高速压电振镜的转角输出。如图2所示，镜座2分为弹性结构21和刚性结构，镜座2的外部轮廓为圆角矩形， 所述的刚性结构由位于镜面下方的镜面基座22、位于镜座2两矩形长边23以及位于矩形短边的中间部分的短件M构成，弹性结构21则呈两个“T”字形，，弹性结构21中“T”字形 的顶部横边和刚性结构的短件M固定，弹性结构21中“T”字形的竖边和刚性结构的镜面 基座22固定，弹性结构21将刚性结构的多个组成部分连接在一起，刚性结构的镜面基座 22位于镜面1下方并直接与镜面1粘接，弹性结构与21与柔性头3和底座6相连；弹性结 构21为压电驱动器4提供预压力。镜座2的作用是用来连接镜面1，与镜面1采用同类材 料，以保证高速振镜的温度稳定性；镜座2具有一定的刚度，可减小因高速振镜工作时的扭 力造成镜面1的变形；镜座2由刚性结构和弹性结构21组成，并设计为一体，并通过弹性结 构21连接到底座6和柔性头3上。镜座2的弹性结构21参数影响大口径高速压电振镜的 工作频率增加弹性结构刚度，就能提高大口径高速压电振镜的谐振频率，因基于谐振工作 原理，也就提高了大口径高速压电振镜的工作频率；另外，为保持镜面1的原始光学面形， 镜面1与镜座2不采用机械连接，而采用无应力粘结技术连接，减小镜面1装配引起的面形 变化。弹性结构两个T字形结构，与柔性头3、底座6相连，其作用是为压电驱动器4提供预 压力，并约束压电驱动器4除伸缩变形方向以外的运动自由度；弹性结构还将压电驱动器 4的伸缩运动转化为镜面1的转动，这一转化是在弹性结构的谐振模式中进行的，在非谐振 频率处，镜面1几乎不会转动；弹性结构的主要结构尺寸厚度和长度是决定高速振镜工作 频率和转角范围关键参数；刚性部分主要与镜面1粘结，并减小工作扭力对镜面1面形的影 响。镜面1具有大于40mm的通光口径，为圆形或椭圆形，镜面使用超硬铝或碳化硅材 料，采用轻量化结构设计，使镜面在保持良好动静态光学面形时，具有尽量小的转动惯量; 镜面1单独进行光学加工和镀膜，然后进行组装。镜面基座22的形状与镜面1相配合，为 圆环形或椭圆环形。镜面转角输出与压电驱动器的激励输入比可用系统强迫振动响应公式表述如 下
权利要求1.一种大口径高速压电振镜，包括镜面(1)、镜座O)、柔性头(3)、驱动器G)、位置传 感器(5)和底座(6)，其中镜面⑴无应力粘在结镜座(2)之上，镜座(2)下方与柔性头(3) 相连，驱动器(4)下端固定于底座(6)之上，驱动器(4)上端粘有柔性头(3)，位置传感器 (5)固定于底座(6)中部上方同时位于镜座(2)下方，用于感知镜面(1)的实际转角位置， 其特征在于所述的驱动器(4)为压电驱动器，并且有一对，分别安装在镜座O)的两侧， 工作时互做反方向运动，形成与镜面(1)相同工作模式的外部激励力矩，使镜面(1)受迫振 动；而镜座(2)分为弹性结构和刚性结构，刚性结构的中间部分位于镜面(1)下方并 直接与镜面⑴粘接，弹性结构与柔性头⑶相连；镜座⑵的外部轮廓为带圆角的 矩形，所述的刚性结构由位于镜面正下方的镜面基座(22)、位于镜座(2)两侧的矩形长边 (23)以及位于矩形短边的中间部分的短件04)构成，弹性结构则呈两个“T”字形，弹 性结构中“T”字形的顶部横边和刚性结构的短件04)固定，弹性结构中“T”字 形的竖边和刚性结构的镜面基座02)固定，弹性结构为驱动器(4)提供预压力。
2.根据权利要求1所述的大口径高速压电振镜，其特征在于所述镜面(1)使用超硬 铝或碳化硅材料，具有大于40mm的通光口径，其形状为圆形或椭圆形。
3.根据权利要求1所述的大口径高速压电振镜，其特征在于所述的镜面基座02)形 状与镜面形状相配合，为圆环形或椭圆环形。
专利摘要本实用新型公开了一种大口径高速压电振镜，所述的驱动器(4)为压电驱动器，并且有一对，分别安装在镜座(2)的两侧，工作时互做反方向运动，形成与镜面(1)相同工作模式的外部激励力矩，使镜面(1)受迫振动，从而实现高速压电振镜的转角输出；而镜座(2)分为弹性结构(21)和刚性结构，刚性结构的中间部分位于镜面(1)下方并直接与镜面(1)粘接，弹性结构与(21)与柔性头(3)相连；本实用新型的有益效果是所用压电驱动器具有大的负载能力和快速响应能力，能实现高速振镜的大通光口径(40mm以上)、高工作频率(2000Hz以上)、较大转角范围(30′以上)等技术要求。
文档编号G02B26/08GK201828711SQ20102055957
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年10月13日
发明者叶青秀, 姜文汉, 官春林, 张小军, 胡羿云, 饶长辉 申请人:成都迈科高技术开发有限责任公司