基于柔性支承的快速反射镜系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于柔性支承的快速反射镜系统，所述快速反射镜系统中的反射镜组件包括反射镜、粘接块、柔性镜框；驱动组件包括柔性连接头、音圈电机；传感器组件包括位移传感器、套筒和锁紧螺母。本实用新型中的柔性支承能够为反射镜组件提供支承和绕X轴、Y轴的两维旋转自由度并限制其他方向的自由度，并具有大的角度转动范围；柔性镜框能够减小温度、振动等对反射镜面型和位置的影响；采用三个驱动组件联动调节，增加了结构的对称性和稳定性；驱动组件和传感器组件对称交错布置，减小了系统结构尺寸；柔性连接头能够补偿驱动位移的微小偏量；音圈电机能够保证反射镜具有较大的角度调整范围；位移传感器对反射镜转角实时测量以提高角度调整精度。
【专利说明】基于柔性支承的快速反射镜系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于精密光学机械结构设计【技术领域】，具体涉及一种基于柔性支承的快速反射镜系统，可用于实现反射镜“偏转-倾斜”方位角度的快速调整。
【背景技术】
[0002]快速反射镜(Fast Steering Mirror, FSM)是近年发展起来的一种用于精密跟踪的技术手段，用以控制发射和接受光轴的方向和对光束指向的变化进行校正。快速反射镜工作于光源或接收器与目标之间，是调整和稳定光学系统视轴或光束指向的重要部件。国内外相关单位均致力于快速反射镜系统的研究，并已经成功应用于天文望远镜、自适应光学、空间激光通信以及激光武器等领域。
[0003]目前，快速反射镜的结构形式主要分为有轴系和无轴系两种结构形式。其中，无轴系结构因采用柔性结构代替传统的机械结构，具有体积小、无摩擦和间隙、灵敏度高、重复性好以及运动平稳等诸多优点，因此已越来越多的为快速反射镜系统所采用。无轴系快速反射镜系统的结构主要包括:安装基座、反射镜及其安装结构、驱动器、传感器及柔性支承等器件。柔性支承是快速反射镜系统中的关键部件，起到支承反射镜及其安装结构，并对反射镜沿各个方向运动刚度进行合理分配的重要作用，因此，设计柔性支承是快速反射镜系统研究的一种关键工作。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种基于柔性支承的快速反射镜系统。
[0005]本实用新型解决上述技术问题的方案是:
[0006]本实用新型的基于柔性支承的快速反射镜系统，其特点是，所述的快速反射镜系统含有反射镜组件、柔性支承、驱动组件、传感器组件和安装基座；其中，所述的反射镜组件包括反射镜、粘接块、柔性镜框；所述的柔性支承，包括中心固定柱、矩形柔性片和柔性外环；所述驱动组件包括柔性连接头、音圈电机；所述的传感器组件包括位移传感器、套筒、锁紧螺母；所述的安装基座外形呈等边三角形，其连接关系是，所述的安装基座上设置有音圈电机的连接孔以及用于安装传感器组件的凸台；传感器组件安装在安装基座对应的凸台上；驱动组件中的音圈电机通过连接孔固定于安装基座上；反射镜组件通过柔性镜框与柔性连接头连接；反射镜通过粘接块固定于柔性镜框中；柔性支承分别与柔性镜框、安装基座连接；柔性支承的中心轴线与柔性镜框的轴线重合。
[0007]所述的反射镜组件中的柔性镜框的内圆周上均布有结构相同的圆弧形柔性片，所述的圆弧形柔性片上设置有用于安装所述粘接块的螺纹孔，粘接块粘接在反射镜的外圆柱面上，所述反射镜通过粘接块固定于柔性镜框上，所述柔性镜框的外圆周上均布有三个结构相同的用于安装所述驱动组件的凸耳；反射镜组件通过凸耳与驱动组件的柔性连接头连接。
[0008]所述的中心固定柱设置在柔性支承的中心位置，矩形柔性片由四个尺寸相同且沿中心固定柱轴线对称布置的矩形柔性板单元组成，限制了柔性支承沿X、Y轴的移动自由度和绕Z轴的转动自由度；所述柔性外环由上环、中环、下环构成，限制了柔性支承沿Z轴的移动自由度；上环与柔性镜框连接以带动反射镜组件做相应的运动；所述中心固定柱、下环分别与安装基座连接以固定柔性支承；所述中环中加工有沿中心固定柱轴线对称布置且与矩形柔性片方位一致的第一柔性板单元和第二柔性板单元，其中，第一柔性板单元与所述上环连接，第二柔性板单元与下环连接；所述矩形柔性片、第一柔性板单元和第二柔性板单元共同工作，实现对反射镜组件的支承和提供X、Y向的转动自由度而限制其他方向的自由度，并能提供较大的转角范围。
[0009]所述的驱动组件中的柔性连接头作为过渡件分别与柔性镜框上的凸耳、音圈电机连接；所述音圈电机固定于安装基座上三对均布的安装孔固定。
[0010]所述的传感器组件中的位移传感器装入套筒孔内，外圆柱面上设置有螺纹的套筒分别装入安装基座上三个对应的凸台螺纹孔内，分别通过锁紧螺母锁紧。
[0011]粘接块材料的热特性与反射镜相匹配，以减小温度变化所导致的镜片变形和热应，而且柔性镜框中的六个柔性片可以沿径向产生一定的弹性变形以进一步减小温度变化、振动等因素所导致的镜面变形和反射镜位置的变化。
[0012]具体地，柔性支承中所述第一柔性板单元的中心平面与柔性镜框中任一凸耳柱面的轴线重合。
[0013]最后，本实用新型的整个快速反射镜系统通过安装基座5底面上的螺纹孔固定于外部设备上。
[0014]本实用新型的原理是:本实用新型中的柔性支承能够提供X向和Y向的旋转自由度而限制其他方向的自由度；驱动器组件中的音圈电机接收来自控制系统的驱动信号，产生线位移，并且通过柔性连接头带动柔性镜框的凸耳产生相应的线位移，从而使得反射镜组件产生相应的空间方位角度的变化以带动反射镜完成规定的转角运动；柔性连接头作为音圈电机和柔性镜框之间的柔性过渡件，仅限制了沿其轴线方向的自由度而保持其他方向的柔度以补偿驱动方向上的微小位移偏量以避免出现“卡死”现象；传感器组件将对柔性镜框背部各测量点的位移进行检测，从而实时测量反射镜组件实际的角度变化量并反馈给控制系统，从而对音圈电机的输出位移进行校正以保证反射镜角度调整的精度。
[0015]本实用新型的特点是:
[0016](I)根据快速反射镜系统中反射镜的两维方位角度的调整要求，设置一种柔性支承结构可用于快速反射镜系统中，并基于该柔性支承设计了相应的快速反射镜系统。
[0017](2)本实用新型中的柔性支承，由矩形柔性板单元拓扑而成，可以为反射镜组件提供支承和绕X轴和Y轴两维旋转自由度并限制其他方向的自由度，能够满足快速反射镜系统的自由度要求并具有较大的角度调整范围。
[0018](3)采用材料热特性与反射镜相匹配的粘接块作为过渡件，可以减小温度变化所带来的反射镜面型变化和热应力
[0019](4)反射镜采用柔性安装方式可以进一步削弱温度变化、振动等因素对反射镜面型及位置的影响。
[0020](5)采用三个相同的驱动组件联动调节的方式，提高了快速反射镜系统的总体结构刚度，增加了结构的对称性和稳定性，有利于提高转动精度。[0021](6)驱动组件和传感器组件沿反射镜轴线对称交错布置，减小了快速反射镜系统的总体结构尺寸。
[0022](7)采用柔性连接头连接柔性镜框和音圈电机，可以补偿驱动位移的微小偏量并防止“卡死”现象发生。
[0023](8)采用了音圈电机驱动，可以使得反射镜具有较大的角度调整范围，而且采用位移传感器实时测量和反馈控制，可以提高反射镜的角度调整精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型中的快速反射镜系统总体结构示意图；
[0025]图2为本实用新型中的快速反射镜系统去除反射镜后的结构示意图；
[0026]图3为本实用新型中的快速反射镜系统去除反射镜组件后的结构示意图；
[0027]图4为本实用新型中的反射镜组件的结构示意图；
[0028]图5为本实用新型中的柔性镜框的结构示意图；
[0029]图6为本实用新型中的柔性支承的总体结构示意图；
[0030]图7为本实用新型中的柔性支承的外环结构示意图；
[0031]图8为本实 用新型中的驱动组件的结构示意图；
[0032]图9为本实用新型中的传感器组件的结构示意图；
[0033]图10为本实用新型中的安装基座的结构示意图。
[0034]图中，1.反射镜组件 2.柔性支承3.驱动组件4.传感器组件 5.安装基座 11.反射镜 12.粘接块 13.柔性镜框 14.圆弧形柔性片 15.凸耳 21.中心固定柱 22.矩形柔性片 23.柔性外环24.上环 25.第一柔性板单元 26.第二柔性板单元 27.中环 28.下环31.柔性连接头 32.音圈电机 41.位移传感器 42.套筒 43.锁紧螺母51.安装孔 52.凸台。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本实用新型作详细描述。
[0036]实施例1
[0037]图1为本实用新型中的快速反射镜系统总体结构示意图，图2为本实用新型中的快速反射镜系统去除反射镜后的结构示意图，图3为本实用新型中的快速反射镜系统去除反射镜组件后的结构示意图，图4为本实用新型中的反射镜组件的结构示意图，图5为本实用新型中的柔性镜框的结构示意图，图6为本实用新型中的柔性支承的总体结构示意图，图7为本实用新型中的柔性支承的外环结构示意图，图8为本实用新型中的驱动组件的结构示意图，图9为本实用新型中的传感器组件的结构示意图，图10为本实用新型中的安装基座的结构示意图。在图广图10中，本实用新型的基于柔性支承的快速反射镜系统，含有反射镜组件1、柔性支承2、驱动组件3、传感器组件4和安装基座5 ;其中，所述的反射镜组件I包括反射镜11、粘接块12、柔性镜框13 ;所述的柔性支承2，包括中心固定柱21、矩形柔性片22和柔性外环23 ;所述驱动组件3包括柔性连接头31、音圈电机32 ;所述的传感器组件4包括位移传感器41、套筒42、锁紧螺母43 ;所述的安装基座5外形呈等边三角形；其连接关系是，所述的安装基座5上设置有音圈电机32的连接孔、用于安装传感器组件4的凸台52 ;传感器组件4安装在安装基座5对应的凸台52上；驱动组件3中的音圈电机32通过连接孔固定于安装基座5上；反射镜组件I通过柔性镜框13与柔性连接头31连接；反射镜11通过粘接块12固定于柔性镜框13中；柔性支承2分别与柔性镜框13、安装基座5连接；柔性支承2的中心轴线与柔性镜框13的轴线重合。
[0038]所述的反射镜组件I中的柔性镜框13的内圆周上均布有结构相同的圆弧形柔性片14，所述的圆弧形柔性片14上设置有用于安装所述粘接块12的螺纹孔，粘接块12粘接在反射镜11的外圆柱面上，所述反射镜11通过粘接块12固定于柔性镜框13上，所述柔性镜框13的外圆周上均布有三个结构相同的用于安装所述驱动组件3的凸耳15 ;反射镜组件I通过凸耳15与驱动组件3的柔性连接头31连接。如图4、5所示。
[0039]所述的中心固定柱21设置在柔性支承2的中心位置，矩形柔性片22由四个尺寸相同且沿中心固定柱21轴线对称布置的矩形柔性板单元组成，限制了柔性支承2沿X、Y轴的移动自由度和绕Z轴的转动自由度；所述柔性外环23由上环24、中环27、下环28构成，限制了柔性支承2沿Z轴的移动自由度；上环24与柔性镜框13连接以带动反射镜组件I做相应的运动；所述中心固定柱21、下环28分别与安装基座5连接以固定柔性支承2 ;所述中环27中加工有沿中心固定柱21轴线对称布置且与矩形柔性片22方位一致的第一柔性板单元25和第二柔性板单元26，其中，第一柔性板单元25与所述上环24连接，第二柔性板单元26与下环28连接；所述矩形柔性片22、第一柔性板单元25和第二柔性板单元26共同工作，实现对反射镜组件I的支承和提供X、Y向的转动自由度而限制其他方向的自由度，并能提供较大的转角范围。如图6、7所示。
[0040]所述的驱动组件3中的柔性连接头31作为过渡件分别与柔性镜框13上的凸耳15、音圈电机32连接；所述音圈电机32固定于安装基座5上三对均布的安装孔51固定。如图8所示。
[0041]所述的传感器组件4中的位移传感器41装入套筒42孔内，外圆柱面上设置有螺纹的套筒42分别装入安装基座5上三个对应的凸台52螺纹孔内，并分别通过锁紧螺母43锁紧。如图9所示。
[0042]本实用新型的基于柔性支承的快速反射镜系统角度调整过程如下:
[0043]驱动器组件3中的音圈电机32接收来自控制系统的驱动信号，产生线位移，并且通过柔性连接头31带动柔性镜框13的凸耳15产生相应的线位移，从而使得反射镜组件I产生相应的空间方位角度的变化以带动反射镜11完成规定的转角运动；柔性连接头31作为音圈电机32和柔性镜框13之间的柔性过渡件，仅限制了沿其轴线方向的自由度而保持其他方向的柔度以补偿驱动方向上的微小位移偏量以避免出现“卡死”现象；传感器组件4将对柔性镜框12背部各测量点的位移进行检测，从而实时测量反射镜组件I实际的角度变化量并反馈给控制系统，从而对音圈电机32的输出位移进行校正以保证反射镜11角度调整的精度。
【权利要求】
1.一种基于柔性支承的快速反射镜系统，其特征在于:所述的快速反射镜系统含有反射镜组件(I)、柔性支承(2)、驱动组件(3)、传感器组件(4)和安装基座(5);其中，所述的反射镜组件(I)包括反射镜(11)、粘接块(12)、柔性镜框(13);所述的柔性支承(2)，包括中心固定柱(21)、矩形柔性片(22)和柔性外环(23);所述驱动组件(3)包括柔性连接头(31)、音圈电机(32);所述的传感器组件(4)包括位移传感器(41)、套筒(42)、锁紧螺母(43);所述的反射镜组件(I)、柔性支承(2)、驱动组件(3)均为圆环状，安装基座(5)外形呈等边三角形；其连接关系是，所述的安装基座(5)上设置有音圈电机(32)的连接孔以及用于安装传感器组件(4)的凸台(52);传感器组件(4)安装在安装基座(5)对应的凸台(52)上；驱动组件(3)中的音圈电机(32)通过连接孔固定于安装基座(5)上；反射镜组件(I)通过柔性镜框(13 )与柔性连接头(31)连接；反射镜(11)通过粘接块(12 )固定于柔性镜框(13 )中；柔性支承(2)分别与柔性镜框(13)、安装基座(5)连接；柔性支承(2)的中心轴线与柔性镜框(13)的轴线重合。
2.根据权利要求1所述的快速反射镜系统，其特征在于:所述的反射镜组件(I)中的反射镜(11)通过粘接块(12)固定于柔性镜框(13)上，所述柔性镜框(13)的外圆周上均布有三个结构相同的用于安装驱动组件(3)的凸耳(15);反射镜组件(I)通过凸耳(15)与驱动组件(3)的柔性连接头(31)连接。
3.根据权利要求1所述的快速反射镜系统，其特征在于:所述的中心固定柱(21)设置在柔性支承(2)的中心位置，矩形柔性片(22)由四个尺寸相同且沿中心固定柱(21)轴线对称布置的矩形柔性板单元组成；所述柔性外环(23)由上环(24)、中环(27)、下环(28)构成；上环(24)与柔性镜框(13)连接以带动反射镜组件(I)做相应的运动；所述中心固定柱(21)、下环(28)分别与安装基座(5)连接以固定柔性支承(2);所述中环(27)中加工有沿中心固定柱(21)轴线对称布置且与矩形柔性片(22 )方位一致的第一柔性板单元(25 )和第二柔性板单元(26)，其中，第一柔性板单元(25)与所述上环(24)连接，第二柔性板单元(26)与下环(28)连接。
4.根据权利要求1所述的快速反射镜系统，其特征在于:所述的作为过渡件的柔性连接头(31)分别与柔性镜框(13)上的凸耳(15)、音圈电机(32)连接。
5.根据权利要求1所述的快速反射镜系统，其特征在于:所述的传感器组件(4)中的位移传感器(41)装入套筒(42)孔内，外圆柱面上设置有螺纹的套筒(42)分别装入安装基座(5 )上三个对应的凸台(52 )螺纹孔内，并分别通过锁紧螺母(43 )锁紧。
【文档编号】G02B7/198GK203551874SQ201320708758
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】汪宝旭, 朱明智, 陈晓娟, 王美聪, 阙兴华, 陈刚, 黄湛, 吴文凯, 徐元利, 傅学农 申请人:中国工程物理研究院总体工程研究所