精密光路偏转及焦距调整机构的发展

　　1　引　言

　　在精密光学设备的研制过程中,需要高精度的光束指向控制机构和高频光路调整机构,同时,为了补偿地面振动和其他干扰因素对光路产生的影响,也需要对快速反射镜进行微调[1-12]。基于压电陶瓷和音圈电机的微位移执行机构近年来得到了深入的研究,并在超精加工等纳米定位领域等到了广泛的应用[13-15];基于压电陶瓷和音圈电机的快速精密旋转机构的研究和应用也逐渐成为国内外关注的热点之一,国外已经有性能优良但价格昂贵的产品出现。

　　传统的精密调焦机构采用滚珠丝杠、蜗轮蜗杆或是凸轮等机械传动方式,传动精度、最大运行速度和最大运行加速度都受到了一定的限制,系统的可靠性和可维修性均存在不足[16-21]。直线电机直接驱动技机构不需要用机械辅助方法将旋转运动转化为直线运动,因此简化了系统的结构,从而避免了由于中间环节的弹性变形、间隙、磨损和发热等因素带来的运动误差。其最明显的优点是响应快,可达到瞬时的高加速度和减速度[22-26]。但是直线电机的成本较高、发热较严重、组成的控制系统比较复杂,且存在隔磁和防磁问题,所以其应用受到了一定的限制。

　　2　精密光路调整和稳定机构的发展现状

　　根据致动器类型,用于精密光路调整和稳定的微定位机构可分为六大类:压电陶瓷致动器、音圈电机、磁致伸缩致动器、形状记忆合金致动器、电致伸缩致动器、静电微致动器。国内外研究现状表明,目前用于角度快速调整的精瞄偏转微定位机构,以压电陶瓷致动和音圈电机致动为主。以下分别介绍以压电陶瓷和音圈电机为致动器的用于角度快速调整的精瞄偏转机构的研究情况。

　　2. 1　基于压电陶瓷致动的快速精密偏转机构

　　当对压电晶体施加一电场时,晶体会产生形变这种现象称为逆压电效应。压电陶瓷致动器就是利用了逆压电效应的原理,当可调整的高压信号作用到压电陶瓷上,可以产生相应的微位移运动,避免了机械结构造成的误差。与音圈电机比较,压电陶瓷致动器有结构简单、体积小、分辨率高、高频响、高载荷、无磁场等优点,但存在行程小、有迟滞、蠕变特性等缺点。

　　随着需求的发展和技术的进步,研究者提出了基于压电陶瓷直线位移驱动机构实现微角位移的概念,并进行了广泛的研究,在图像和视线稳定、光束控制、对准和切换、光束稳定和振动隔离、大存储量设备(CD、DVD)测试和制造等一系列场合得到了成功的应用。其中,在深空星间激光通信、星载或机载光电侦察等领域的应用尤为突出。

　　从偏转轴的数目来说,快速压电偏转机构有单轴和多轴之分,其差别在于使用1个、2个或多个压电陶瓷线位移驱动器。从本质上说,利用压电陶瓷线位移驱动器实现角度偏转的原理比较简单,其核心问题在于机械结构的设计、最终实现角度偏转的精度、可控性以及带宽,如德国Physik Instruments公司的一款高速压电两轴偏转平台S-340,具有2 mrad的偏转范围、亚μrad的偏转精度以及900 Hz的共振频率。下面以三个压电陶瓷线位移驱动器实现两轴偏转和轴向位移为例,说明该类快速偏转机构的原理,图1是三个压电驱动器安装位置的示意图。