CN101477248A - 双扭杆谐振扫描反射镜 - Google Patents
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Abstract
双扭杆谐振扫描反射镜,包含:扫描反射镜组件:包含有两根扭转杆和反射镜镜身,在接受与扫描反射镜机械谐振频率相同的周期力激励下产生与激励力幅度对应的绕两杆连线的往复振动;支撑***:由基板和支臂组成,为扫描反射镜组件提供必要的支撑和约束;驱动***:由永磁体和驱动线圈构成,用来无接触驱动扫描反射镜组件振动;位置反馈***:由位置传感器及反馈信号处理电路组成,用来高灵敏度和噪声抑制性地获取与扫描反射镜组件的振幅成比例的位置反馈信号;闭环控制***:由驱动***、位置反馈***、驱动信号产生电路组成,用来控制扫描反射镜组件的稳定振动;本发明的双扭杆谐振扫描反射镜可以实现大口径高频率光束扫描。
Description
技术领域
本发明涉及一种为光学***提供光束扫描的谐振扫描装置。
背景技术
扫描器(scanner)是通过移动反射或透射部件将电磁辐射波束沿直线进行往复扫描的元件,它往往是光学、机械、电等分部件的结合体。扫描器有着广泛的用途,从高速打印机、光学存储设备、条形码阅读器、凸版照相机、激光照相机、激光扫描显微镜、计算机缩微设备到预警***、跟踪***、卫星通信等都有它的应用,从地面设备到卫星上的光学仪器都有它的身影,并且它的应用范围在不断的扩大中。现有扫描器种类很多,按照运动方式分为连续转动扫描器和振动式扫描器,驱动方式来分,有检流计式、声光式、压电式、谐振式等不同类型的扫描器,它们应用于不同的场合中。
在诸如高速扫描成像***及对光信号进行高频调制的某些情况下需要大通光口径和高频率的扫描器,特别的是对于弱红外目标提取应用中,为了减弱红外探测中的1/f噪声,以及从强辐射背景中提出弱红外目标信号,需要对目标信号进行高频调制,这都要用到大通光口径和高扫描频率的扫描器。转动式扫描器、检流计式扫描器由于本身转动惯量较大很难应用于高频调制的场合,现有的谐振式扫描器大都采用单杆、S形弹簧片或直片簧等机构形式,也很难同时兼顾高频率和大口径。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术不足,本发明提供一种双扭杆谐振扫描反射镜,能够解决大通光口径高频扫描的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:本发明提出了一种双扭杆谐振扫描反射镜。它的振动部件—扫描反射镜是由扫描反射镜镜身和两根可做弹性扭转的杆组成的扭振***,扫描反射镜镜身绕两根杆形成的轴系振动,使得入射到反射镜面上的光束产生扫描的作用。它的扫描频率工作在机械结构的谐振频率上,扫描幅度正比于驱动力矩的幅度。双扭杆结构可以提供高的结构刚度,经过轻量化的扫描反射镜部件削减了负载的转动惯量,因此这种结构可以产生高的机械谐振频率。驱动形式采用动磁电磁驱动形式,永久磁铁安装在扫描反射镜上,驱动线圈固定于扫描反射镜下的基板上,驱动电路给驱动线圈提供频率与机构机械谐振频率相同的交变驱动信号。一对压电晶体安装在扫描反射镜上,在扫描反射镜振动时输出与振动幅度成比例的相位互差180°的差分电压信号,此电压信号经过反馈电路处理后提供出扫描反射镜的位置反馈信号。反馈信号提交给驱动信号产生电路用于产生闭环驱动信号,对驱动线圈进行稳定驱动。
本发明与现有技术相比所具有的优点是:本发明的振动部件采用反射镜镜身和两根可做弹性扭转的杆组成的扭振***,双扭杆结构提供高的结构刚度和稳定性,轻量化的扫描反射镜镜身削减了负载的转动惯量,此种结构可以产生高的机械谐振频率;采用动磁电磁驱动形式,做到无接触驱动减少对反射镜面的面形影响;差分式压电位置传感器提高了探测灵敏度和噪声抑制性,闭环驱动保证了扫描振幅的稳定性;本发明的双扭杆谐振扫描反射镜可以实现大口径高频率光束扫描。
附图说明
图1双扭杆谐振扫描反射镜的一个实例的结构透视图;
图2图1的***视图;
图3闭环控制原理图;
图4驱动***磁场方向;
图5扫描反射镜组件的仰视图;
图6扫描反射镜组件的俯视图;
图7扫描反射镜组件的侧视图;
图8谐振扫描反射镜振动过程中镜面位置的偏移;
图9驱动线圈部件;
图10压电位置传感器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
图1和图2对本发明的双扭杆谐振扫描反射镜的机械振动部分的构成做了整体描述,图3~图10对分部件做了详细描述。5是整个机构的安装基板,通过孔6A和6B用螺钉将反射镜组件支臂9A和9B固连于基板5之上,通过安装孔7A和7B用螺钉将驱动线圈2A和2B固连于基板5之上,8是固定本双扭杆谐振扫描反射镜用的安装孔。所述的支臂9A和9B与基板5一体加工或由支臂零件与基板零件固连形成支撑***。扫描反射镜组件1是本机械振动机构的核心,它的两个方形安装块12A和12B安装于支臂9的凹槽10A和10B中,通过压板4A和4B从上压紧安装块12A和12B使得扫描反射镜组件1固定在支臂9上,经过固定的扫描反射镜组件形成机械谐振***,40是反射镜镜身,11为反射镜镜面,是进行光束扫描的反射面。永磁体21A和21B固定安装在反射镜镜身40背面的凹槽27A和27B中,驱动线圈2A和2B的导磁柱17的上端面与永磁体21A和21B保持同轴并间隔一定距离,驱动线圈2A、2B和永磁体21A、21B构成本双扭杆谐振扫描反射镜的驱动***—动磁电磁驱动***。压电位置传感器20A和20B固连于反射镜镜身40的背面的弹性扭转杆13A和13B连线的的两侧,位置反馈信号经过反馈信号处理电路24处理后提供给控制电路23用于形成闭环控制信号。压电位置传感器20A、20B和反馈信号处理电路24构成反馈***。
本发明的双扭杆谐振扫描反射镜的机械谐振***。
双扭杆谐振扫描反射镜的机械振动部分是扫描反射镜组件1,包含有由弹性扭转杆13A和13B以及质量负载(反射镜镜身40)构成的弹簧质量块谐振***。弹性扭转杆13A和13B的两端通过安装块12A和12B固定于支臂9上,为了保证机械振动的稳定,限制安装块12A和12B各个方向的自由度,弹性扭转杆13A和13B连线构成扫描反射镜振动的旋转轴35。扫描反射镜绕轴35振动的谐振频率由弹性扭转杆13A和13B的长度、截面面积以及材料的弹性模量和反射镜镜身40的转动惯量等因素决定,谐振频率会随环境温度的变化而变化,选用对温度不敏感的材料会有助于提高谐振频率的温度稳定性。弹性扭转杆13A和13B的弹性模量越大截面积越大长度越短,反射镜镜身40的转动惯量越小,谐振频率就越高,反之越低。高频率对应着扫描反射镜组件1有高的刚度,低频率对应着扫描反射镜组件1有低的刚度,于是在相同的反射面积和相同的驱动力激励下,高频率振动机构的振幅会比低频率振动机构的振幅要小。为了尽量的提高扫描反射镜的振动幅度,必须减小它的转动惯量,底部以及侧面的减重槽26起到减轻质量从而减小转动惯量的作用,永磁体安装孔27A、27B为永磁体21A、21B的安装孔,为了减小转动惯量,永磁体安装孔27A、27B深入反射镜镜身40内部,永磁体21A、21B嵌入反射镜镜身40内部,尽量选择磁性强而质量小的永磁体。改变弹性扭转杆13A和13B长度和横截面积以及反射镜镜身40的结构尺寸,可以产生几赫兹到几十万赫兹的机械谐振频率。所述的扫描反射镜组件1还包含有反射镜镜面11,所述的反射镜镜面11在反射镜镜身40上抛光获得或将加工好的反射镜零件固定于反射镜镜身40上;反射镜镜身40与两根扭转杆13A和13B为整体加工而成或是反射镜镜身零件与两根扭转杆零件装配而成;而且两根扭转杆13A和13B在反射镜镜身40两边对称分布,两根扭转杆13A和13B的连线通过反射镜镜身40的对称中心。
本发明的双扭杆谐振扫描反射镜的驱动***41。
本发明的驱动***由安装于反射镜镜身40背部的永磁体21A、21B和驱动线圈2A和2B构成,形成动磁电磁驱动模式。驱动线圈2由导磁柱17、压圈16、线圈骨架18、线圈绕组19构成。导磁柱17由高磁导率且剩磁少的材料制成,将交变磁场集中到导磁柱内,导磁柱17A、17B和永磁体21A、21B之间产生磁力的作用。为了减少线圈的热损耗,采用线径较粗的漆包线制作线圈绕组19。永磁体21A和驱动线圈2A构成一个动磁电磁驱动器,永磁体21B和驱动线圈2B构成一个动磁电磁驱动器,驱动信号产生电路23产生的驱动信号在驱动线圈2A、2B中产生无相位差的的交变磁场,以弹性扭转杆13A、13B为旋转轴形成在一边为拉力另一边为推力的力偶,为维持扫描反射镜的振动提供动力。所述的驱动***41中,两个永磁体21A、21B固定于扫描反射镜镜身40上,两个驱动线圈2A、2B固定于基板上,对应的永久磁铁和驱动线圈对构成动磁电磁驱动器,两个驱动器形成力偶,驱动信号在驱动线圈中产生的交变磁场与永久磁铁的磁场发生相互作用产生推动扫描反射镜做扭摆振动的交变力。所述的两个永久磁铁21A、21B的磁极相同或相反,驱动线圈2A、2B串联连接或并联连接只要具备形成力偶的条件即可。
本发明的双扭杆谐振扫描反射镜的位置反馈***42。
如图8所示,37是在驱动***不工作时反射镜镜面11所处的位置,定为位置的零位,36和38是镜面11正反向偏离零位的位置。位置反馈***的作用是获得扫描反射镜组件1振动时反射镜镜面11的位置,反馈***由压电位置传感器20A、20B和反馈信号处理电路组成。位置传感器20A、20B对称于旋转轴35安装在反射镜镜身40的背面。20A、20B在扫描反射镜振动过程中产生频率为振动频率相位互相差180度的正弦信号,形成信号差分对,两路信号经由输入反馈信号处理电路24,反馈信号处理电路24对差分信号做幅度调整、相减、移相、滤波、放大等处理获得正比于振动振幅的与驱动信号同相位的正弦位置信号,此位置信号作为控制电路的负反馈源用于稳定本扫描装置的振幅。位置传感器20A和20B包含有外壳29、压圈30、压电晶体31、粘结剂32、阳极引线33、阴极引线34,压电晶体31一极通过粘结剂32固连于外壳29上,另一极为自由状态,压电晶体31在扫描反射镜振动过程中因受到加速度的作用而发生变形,从而在阳极引线33、阴极引线34之间产生相应的电压,由于正弦运动的加速度与位置有相同的形式,阳极引线33、阴极引线34之间产生的电压也就反应了扫描反射镜的偏离零位的位置。所述的位置反馈***42中,压电位置传感器(20A、20B)利用压电晶体的压电特性和谐振机械***加速度曲线与位置曲线具有相同形式的特点获取扫描反射镜的角位置,两个压电位置传感器对(20A、20B)在扫描反射镜镜身(40)上,在旋转轴(35)的两侧对称安装,形成差分信号源对。
本发明的双扭杆谐振扫描反射镜的闭环控制***。
闭环控制***由驱动***41、位置反馈***42、驱动信号产生电路23组成。驱动信号产生电路23将来自外部信号源的频率为振动结构谐振频率的正弦信号与来自反馈信号处理电路24的位置反馈信号相减后进行功率放大形成驱动信号,驱动信号为驱动***41提供动力使得扫描反射镜1振动,位置反馈***42采集扫描反射镜组件1振动的位置信号,位置反馈信号输入到驱动信号产生电路23驱动线圈提供为驱动信号,如此循环,形成闭环控制机制。
本发明的双扭杆谐振扫描反射镜的使用。
本发明作为一种光束扫描装置通过安装孔8固连于被应用的光路中,光束对准反射镜镜面11且使得光路行进的方向与本扫描反射镜的扫描方向一致,本机构可以水平、竖直以及倾斜放置。提供给驱动电路的信号源的频率与机构的机械谐振频率相同,幅度视实际需要而定,可以用两个驱动线圈驱动,也可以只用一个驱动线圈驱动。本发明通过调节结构参数可以获得不同谐振频率不同通光口径的谐振扫描反射镜,一个具体的例子,扫描反射镜材料用铝合金,口径为35mm×50mm的椭圆,厚度W=11mm,扭转杆直径D=8.8mm,长度L=24mm,谐振频率为2050Hz,振幅4°(峰峰值)。
Claims (10)
1、双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:包含以下组成部分:
A 扫描反射镜组件(1),包含有两根扭转杆(13A,13B)和反射镜镜身(40),在与扫描反射镜机械谐振频率相同的周期力激励下产生与激励力幅度对应的绕两杆连线的往复振动;
B 支撑***,由基板(5)和支臂(9A,9B)组成,为扫描反射镜组件(1)提供必要的支撑和约束;
C 驱动***(41),由永磁体(21A、21B)和驱动线圈(2A,2B)构成,用来驱动扫描反射镜组件(1)振动;
D 位置反馈***(42),由压电位置传感器(20A、20B)及反馈信号处理电路(24)组成,用来获取与扫描反射镜组件(1)的振幅成比例的位置反馈信号;
F 闭环控制***,由驱动***(41)、位置反馈***(42)、驱动信号产生电路(23)组成,用来控制扫描反射镜组件(1)的稳定振动。
2、根据权利要求1所述的双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:所述的扫描反射镜组件(1)中,两根扭转杆(13A,13B)在反射镜镜身(40)两边对称分布,两根扭转杆(13A,13B)的连线通过反射镜镜身(40)的对称中心。
3、根据权利要求1所述的双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:所述的扫描反射镜组件(1)还包含有扫描反射镜镜面(11),所述的扫描反射镜镜面(11)在反射镜镜身(40)上抛光获得或将加工好的反射镜零件固定于反射镜镜身(40)上。
4、根据权利要求1所述的双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:所述的反射镜镜身(40)底部以及侧面具有减少转动惯量的减重槽(26)。
5、根据权利要求1所述的双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:所述的扫描反射镜组件(1)中反射镜镜身(40)与两根扭转杆(13A,13B)整体加工而成或是反射镜镜身零件与两根扭转杆零件装配而成。
6、根据权利要求1所述的双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:所述的支撑***,由支臂(9A,9B)与基板(5)一体加工或由支臂零件与基板零件固连形成。
7、根据权利要求1所述的双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:所述的驱动***(41)中,两个永磁体(21A,21B)固定于扫描反射镜镜身(40)上,两个驱动线圈(2A,2B)固定于基板上,对应的永久磁铁和驱动线圈对构成动磁电磁驱动器,两个驱动器形成力偶,驱动信号在驱动线圈中产生的交变磁场与永久磁铁的磁场发生相互作用产生推动扫描反射镜做扭摆振动的交变力。
8、根据权利要求1所述的双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:所述的驱动***(41)中,两个永久磁铁(21A,21B)的磁极相同或相反,驱动线圈(2A,2B)串联连接或并联连接只要具备形成力偶的条件即可。
9、根据权利要求1所述的双扭杆谐振扫描反射镜,其特征在于:所述的位置反馈***(42)中,压电位置传感器(20A、20B)利用压电晶体的压电特性和谐振机械***加速度曲线与位置曲线具有相同形式的特点获取扫描反射镜的角位置,两个压电位置传感器对(20A、20B)在扫描反射镜镜身(40)上,在旋转轴(35)的两侧对称安装,形成差分信号源对。
10、根据权利要求9所述的压电位置传感器,其特征在于:压电位置传感器(20A、20B)包含有外壳(29)、压圈(30)、压电晶体(31)、粘结剂(32),阳极引线(33)、阴极引线(34),其中压电晶体(31)一极固连于外壳(29)上,另一极成自由状态,阴极引线(34)及阳极引线(33)连接到压电晶体(31)的两极。
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