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【走进压电】之【压电偏转镜】

2024/6/19 2:32:11发布32次查看
压电偏转镜的命名实际由它的驱动原理及应用目的相结合而来的。“压电”指的是它的驱动原理,即利用pzt压电陶瓷来作为驱动源从而产生运动;而“偏转镜”则是它的应用目的,即用来使镜片产生偏转运动。但通常情况下,压电偏转镜本身是不带有镜片的,通过粘接或镜持夹持方式将镜片固定于压电偏转镜的移动台面上。
此外,因为压电偏转镜对光路的快速控制作用,也常被称作快速转向镜。也经常被称作为压电倾斜镜、压电快反镜、压电反射镜、摆镜等。
小科普:pzt压电陶瓷在施加电压后,会产生微米级的伸长运动。
什么是压电偏转镜?
压电偏转镜就是指将pzt压电陶瓷集成于机械柔性铰链,再将除运动面外的其他整个结构封装进机械外壳,从而能够产生偏转运动的运动平台产品。它将pzt压电陶瓷的直线微米级(μm,1μm=0.001mm)的运动,转换为机械部件的毫弧度级(mrad,17mrad=1°)偏转运动。反射镜片安装于压电偏转镜的运动台面上,压电偏转镜运动台面的偏转带动反射镜的偏转运动。
压电偏转镜的种类 
根据压电偏转镜的运动维度,一般可分为三类,即一维θx轴偏转运动、二维θxθy偏转运动、三维θxθy偏转及z向运动。
小科普:θx偏转运动即是沿着x轴线进行旋转的运动。
1)一维θx压电偏转镜
• 一维θx压电偏转镜运动效果
• 一维θx压电偏转镜原理
一维θx压电偏转镜分为两种结构,一种为单个压电促动器驱动、单铰链支撑型,铰链确定了轴心点,并加倍了作用于压电促动器的预紧力。该结构的优点是结构简单、体积小巧、性价比高。
另一种为双压电促动器驱动型,即由两支陶瓷促动器的推拉运动来驱动平台台面偏转,这种结构的优点是可承载更大,不受工作环境温度变化的影响。
•一维θx压电偏转镜可实现的反射光路调节范围 - 线段
在压电偏转镜固定好,同时与下一个光接收位置间距离固定的情况下,一维θx压电偏转镜对光路调整范围为一定范围的线段,线段的长度取决于压电偏转镜的最大偏转角度及压电偏转镜与下一个光接收位置间的距离。
2)二维θx、θy压电偏转镜
•二维θx、θy压电偏转镜原理
二维压电偏转镜是基于平行运动学设计,具有共面轴及移动面。四个执行机构为四支压电促动器,以90°角平分放置,成对的差分控制分布。两对差分驱动压电促动器在较大温度范围内提供最高可实现的角度稳定性。它的偏摆运动是由两对压电促动器以推拉模式来实现,采用桥式连接电路控制。
•二维θxθy压电偏转镜可实现的反射光路调节范围 - 圆
二维θx θy压电偏转镜对光路调整范围为一个圆面,圆面的面积大小取决于压电偏转镜的最大偏转角度及压电偏转镜与下一个光接收位置间的距离。
3)三维θx、θy偏转及z向压电偏转镜
•三维θx、θy偏转及z向压电偏转镜运动效果
•三维θx、θy偏转及z向压电偏转镜原理
三维压电偏转镜是三脚驱动方式,在较大的温度范围内提供了*化的角度稳定性。这种平台的设计具有几个优势:体积更小巧;两轴具有相同的大小及相同的动态性能;更快的响应及更好的线性度。它也防止了偏振旋转。
内部三支压电陶瓷促动器是由三通道控制器来分别单独驱动以产生俯仰/偏转运动或同时并联驱动以产生直线升降运动。
•三维θx、θy偏转及z向压电偏转镜可实现的反射光路调节范围 - 椎体
三维θx θy及z向压电偏转镜对光路调整范围可形成一个锥形体,锥形体截面圆的面积大小及锥体高度取决于压电偏转镜的偏转角度、直线运动范围及压电偏转镜与下一个光接收位置间的距离。
压电偏转镜的特点
压电偏转镜之所以存在,是因它的高精度偏转运动以及超快速的响应速度,否则,它可能会被任意具有偏转范围的产品所替代。
这个高精度到底有多高呢?可≤0.01μrad!
压电偏转镜的偏转分辨率可高至比0.01微弧度(μrad,1μrad=0.00005°)还小,请注意:微弧度是一个角度单位,而这个角度有多大呢?这就相当于把一个360度的圆,以圆心为定点,平均分成2万个扇形,其中一个扇形的角度大小就是0.01μrad!压电偏转镜可以实现0.01μrad的高精度角度偏转。
而超快速响应速度又是多快呢?可<1ms!
从控制压电偏转镜运动的瞬间,至压电偏转镜运动到角度的时间,可快至1毫秒(ms,1ms=0.001s)以下,即在千分之一秒内,就可完成一定角度的偏转运动。
而压电偏转镜如此高的精度和速度,是用来做什么应用呢?
压电偏转镜的应用
芯明天压电偏转镜的高精度以及快速响应的特点在许多光学系统中得到广泛应用,从图像跟踪、扫描到激光材料加工,再到光通信中的抖动稳定,都用到了压电偏转镜。
近些年芯明天压电偏转镜已成功搭载于风云三号卫星、北斗卫星等十多个型号上天,2022年也已有多个型号完成正样交付验收并等待发射。
芯明天s37.t8压电偏转镜的21g抗力学环境试验报告如下图所示。
1)压电偏转镜应用于卫星激光通信
未来的多媒体卫星需要大带宽的通信,这可以通过卫星光通信链路来实现。
卫星激光通信是指在空间传输的激光束作为信息载体,在两个或多个终端之间实现的通信方式,即在空间信道中利用激光取代微波进行链路和信号传输。其基本原理为:信息电信号通过调制加载在光上,通信的双端通过粗定位和调整,再经过光束的瞄准-捕获-跟踪(pat) 建立起光通信的链路,然后再通过光在真空或大气信道中的传输来传递信息。
可建立的星间激光链路
瞄准、捕获和跟踪(pointing,acquisition and tracking,简称pat)
卫星间要进行可靠的通信链路,其关键技术是实现对光信号的瞄准、捕获和跟踪(pointing,acquisition and tracking,简称pat)。由于卫星间的信号传输光束束宽非常窄、传输距离长,所以对卫星光通信pat系统的控制精度要求远高于对卫星微波通信系统的要求。所以这就对精瞄系统提出了较高精度要求,如果精瞄系统的精度和工作带宽达不到相应的要求就会导致通信链路的失败。在卫星光通信精瞄系统中,实现高精度的光束控制是核心问题,目前采用的控制工具主要就是压电偏转镜。芯明天研发生产的压电偏转镜具有控制精度高、响应速度快和工作频率宽等优点。
2)压电偏转镜用于光学成像系统
在光学成像过程中,由于平台振动和姿态随机扰动等各种影响因素都会使相机光轴偏移,使目标与焦面相对运动,在焦面上产生像移,从而会造成成像模糊问题。例如,在地面天文观测中,由于大气湍流和望远镜的抖动等原因也会造成望远镜焦平面图像的随机抖动,极大地降低了望远镜的空间分辨率。
平台振动的特点一般是带宽高、低频幅值大、高频幅值衰减等。复杂的振动环境,振动频带很宽,振动幅度也不尽相同。而这种振动会耦合到相机的光轴上,使被摄景与相机焦面发生相对运动。在ccd相机曝光时间内,景物和焦面之间相对运动,即产生像移。当相机的空间分辨率很高时,这种像移会导致像质退化,影响图像品质,其表现为图像变得模糊,高频细节信息被淹没,很难识别和判读等。
因此,如何减小或消除平台振动干扰对成像品质的影响就成为稳像技术的关键所在。
相关跟踪适用于面元观测对象,实时探测、实时校正光轴随机抖动的图像稳定技术,它就是利用ccd快速成象技术,以频域分析算法,把实时采集的图象和参考图象进行相关运算,求出两幅图象间的相对位移量,进而用数字pid控制算法求出实际的控制量,由快速摆镜完成图象的实时修正。从而在确定的曝光时间内得到高分辨率的图象。相关跟踪已经在地面的天文观测中获得了广泛的应用。
另外,在以卫星平台为基础的空间天文观测中,由于卫星运动和其它控制执行机构带来的望远镜的抖动也会造成图象的模糊。因此,为了保证在足够的曝光时间内得到高信噪比、高分辨率的图象,都必须设计利用快速补偿实时稳定光轴,来减小和消除像移。
系统工作原理如下图,简单说,相关跟踪的原理就是由快速探测得到的图像经相关计算后得到光轴的即时偏移量,据此控制摆镜校正主光轴方向,使主光路上长时间积分ccd的主光轴基本稳定不动,即保持图像不动,从而消弱由于随机扰动引起的模糊,得到高信噪比、高分辨率的图像。
运动目标光线经过镜头后,需经过快速补偿镜和分光反射镜分光,其中一路光线进主成像相机,另一路光线进高速小面阵ccd相机。调整小面阵ccd相机对运动的目标按帧进行采样。像移测量利用相关方法对输出的图像序列进行处理,求解像移量。稳像控制器进行像移补偿算法的运算,输出控制量给压电偏转台带动快速补偿镜,完成对像移量的闭环控制,使相机光轴在曝光时间内保持稳定,从而使主成像相机的图像清晰,达到光学稳定成像的目的。
3)压电偏转镜用于激光稳定系统实验
在很多科研领域的人员,出于对原理的验证等原因,会采用压电偏转镜来搭建激光稳定系统。
根据用户的实际使用需求及光学的特点,芯明天公司推出了一阶、二阶或更复杂的基于外部psd位置传感进行闭环实时位置检测的压电偏转系统。下图为一套二阶激光稳定系统的系统图。
1 :激光器,光源;
2:e70压电控制器,控制干扰用压电偏转镜;
3、4:e70压电控制器,控制补偿用压电偏转镜;
5 : p33.t2压电偏转镜,产生干扰信号,使激光传输不稳;
6、7 : p33.t2压电偏转镜,产
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