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【巅慧科技纳米级微运动】之【快反镜】

巅慧科技

2023-06-09

导读：点击上方“蓝字”，关注更多精彩快反镜（Fast steering mirror, FSM）是一种快速微纳角度

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快反镜（Fast steering mirror, FSM）是一种快速微纳角度定位机构；它是利用反射镜来控制光束方向的装置，是光学定位及扫描系统中重要组成部件，通常也称为偏摆镜或精瞄镜；

以执行器为基准，快反镜分为压电快反镜和音圈快反镜，压电快反镜是压电陶瓷叠堆作为驱动源，音圈快反镜是以音圈电机模组作为驱动源。

从驱动方式来看，快反镜采用背部直推式；从安装反射镜片的背部，用多组差分驱动源，形成一边推一边拉的杠杆运动模式，从而驱动反射镜片偏转；从运动方式来看，快反镜实现的是精度等级为微弧度的偏转运动。

行业现状和发展趋势

快速反射镜(fast steering mirror, FSM)作为在光源和接收器之间进行光束指向控制的反射镜器件，结合了高精度角度测量技术、微位移驱动技术、先进控制理论等多种先进技术理论，相比传统框架结构大大提高了指向控制精度、控制带宽、角度分辨率。由于其体积小巧的优点，快速反射镜可以更好地应用在多种光机电系统中以此改善系统性能。

快速反射镜的研究开始于 20 世纪 80 年代，经过多年发展，国内外研究机构研制出不同性能特点的快速反射镜。国外研究机构快速反射镜普遍采用柔性支撑结构，使用反作用质量块设计可提高快速反射镜系统开环谐振频率至 1. 8 kHz。性能上其闭环带宽可达 10kHz,闭环控制精度 >0. 1μrad 左右。国内研究机构结构设计上没有用反作用质量块，开环谐振频率较低为 100 Hz, 闭环带宽 1 kHz 左右，闭环控制精度 1μrad 左右。

中国快反镜的研究，开始于 2010 年前后，由重庆大学光电工程学院、长春光机研究所、北京航空航天大学等单位开始研究，其中重庆大学光电工程学院以王代华教授带头研发的快速反射镜最早形成产品，并应用于航空航天、军工、科学研究等领域。

压电快反镜

压电快反镜是将PZT压电陶瓷与柔性铰链结构、金属壳体结构相结合，并配备有机械固定安装接口与负载安装接口。

压电快反镜可直接带动负载进行微角度调节，其运动面有夹持机构用于安装固定负载。此外，压电快反镜可集成于各类高精密装备，为其提供微弧度级运动控制、光路控制等。

图1. 压电快反镜产品图

双轴压电快反镜

双轴压电快反镜由单个双轴快速控制反射镜、控制器模块，电源转换模块三大件构成。图2为二轴快反镜及控制系统系统连接拓扑关系。其中双轴快速控制反射镜由电压驱动的压电陶瓷执行器提供驱动力，经过位移放大机构，柔性机构推动反射镜面偏转，由于叠堆型压电陶瓷执行器响应速度快，体积小，出力大刚度高，可以根据控制信号实现反射镜面毫秒级快速偏转。

图2. 双轴压电快反镜及控制系统系统连接拓扑关系

压电快反镜采用应变片或电容传感器传感光束指向反射镜面的偏摆角度，通过应变片或电容传感器前置放大器处理后反馈到控制器模块，实现基于PZT压电陶瓷致动的双轴快反镜及控制系统的闭环反馈控制。

采用位移放大机构实现执行器输出位移的放大，如图3所示。位移放大机构为杠杆机构，将PZT压电陶瓷驱动的的输出位移转换为扫描运动的同时实现位移放大。执行器与镜面在旋转中心偏距L处固连，旋转中心的底座和位移放大机构底端相对壳体固定。初始状态时镜面与水平面存在夹角，当位移放大机构顶端产生的向下位移时，镜面将绕旋转中心O偏转；当位移放大机构顶端位置恢复到初始状态时，镜面将恢复到与水平面的初始状态。因此，通过精确控制位移放大机构顶端的位移，即可实现对镜面偏转角度的精确控制。

位移放大机构采用精密线切割加工实现，所包含的柔性铰链采用双边直圆柔性铰链实现，具有结构简单、转动中心固定、径向刚度高、运动中无摩擦、无空回等优点。

上述设计结果达到了预期的大扫描角度。

设计方案的优点：体积小、重量轻、无机械摩擦、镜面偏摆轴固定、偏摆轴与镜面共面。

图3. 双轴压电反射镜的基本工作原理示意图

音圈快反镜

音圈快反镜是将音圈电机模组与柔性铰链结构、金属壳体结构相结合，并配备有机械固定安装接口与负载安装接口。

音圈快反镜可直接带动负载进行微角度调节，其运动面有夹持机构用于安装固定负载。此外，音圈快反镜可集成于各类高精密装备，为其提供微弧度级运动控制、光路控制等。

图4. 音圈快反镜产品图

压电快反镜与音圈快反镜的对比

压电快反镜采用压电陶瓷叠堆作为执行器，音圈快反镜采用音圈电机模组作为执行器，由于执行器的不同，两者之间有如下区别：

压电快反镜与音圈快反镜的工作原理基本相同，均采用执行器+位移放大机构+柔性铰链使负载进行杠杆运动，并将实时角度位置信息通过传感器采集处理后回传；由于压电快反镜利用的是压电陶瓷叠堆的逆压电效应，所以系统设计可以在开环/闭环中进行选择，而音圈快反镜利用的是电磁学中的安培原理，所以系统仅能设计成闭环模式；从上表可以看出，通用产品型号中，压电快反镜的最大工作行程较小，闭环伺服带宽较高，音圈快反镜的最大工作行程较大，闭环伺服带宽较低。

目前存在问题和关键技术难点

快反镜主要由支撑铰链、工作镜体、驱动元件、检测元件和控制系统等。国内外针对快反镜的关键技术难点包括:刚性或柔性连接方式的设计、工作镜体的轻量化设计、高性能驱动器的设计、高分辨力和高测量精度检测传感器的设计、稳定可靠的控制算法的设计。

1）快反镜的支撑铰链

主要用于连接系统的运动部分与不动部分，其精度直接影响 FSM 的整体性能，研究较多的支撑铰链主要是柔性铰链，这也是快反镜的关键技术难点。目前我们已经掌握了较为成熟的柔性铰链技术，能将快反镜的控制精度提高。

2）压电陶瓷驱动器

压电陶瓷具有驱动力大、分辨力高、响应速度快等优点，且能够与应变片组合实现自身伸缩长度的实时测量，然而，此种驱动器所需要的驱动电压较高，行程却只有几十微米，且抗冲击、振动能力极差。

多年来，国内外研究人员针对此问题做了大量的研究工作一方面，通过巧妙的机械结构设计实现压电陶瓷行程的放大；另一方面，通过改变驱动器的使用方式，提高压电陶瓷的抗剪切、冲击能力。目前，我们掌握了压电陶瓷的多种应用设计，同时也有较为成熟的配料和生产工艺。

3）电容位移传感器

电容位移传感器属于非接触式测量，凭借测量精度高、响应速度快、探头体积小等优点广泛应用于快反镜系统。但高精度的电容传感器价格昂贵，且存在严重的温度漂移现象，成了限制其推广应用的主要因素。我们自主研究的电容位移传感器已经克服温漂问题，在快反镜系统上得到了全面应用。

4）控制系统

控制系统主要用来控制实现快反镜的定位或快速偏转等功能，可采用模拟控制器或数字控制器来实现。其中，模拟控制器具有带宽大、分辨率高、设计简单等优点，但存在元件老化、温度漂移等缺陷。而数字控制器不仅实现方便、灵敏度高、抗干扰能力强，而且精度不受噪声、漂移等的影响，尤其在实现复杂控制规律方面具有模拟控制器无可比拟的优势。

我公司全部采用的数字控制算法，能提高系统的控制带宽和稳定性并通过理论计算、实验分析参数自寻等手段，获得最佳的控制参数，实现快反镜系统最好的控制效果。

总之，在驱动方式上，压电陶瓷和音圈电机凭借其高精度、高分辨率、高响应速度等优点，依然是快反镜统驱动元件的首选。在工作镜体的设计方面，选择刚度高、散热性好的新型材料，并进行合理的轻量化结构设计，以适应快反镜大口径、高响应方向发展的趋势。在支撑铰链选择上，为了克服现有柔性无轴式结构承载能力不足的缺陷，针对柔性铰链的研究依然是热点和难点；在测量元件方面，采用小体积、高精度、高响应、易于集成的微位移传感器成为主流；在控制系统方面，采用高运算速度的数字处理器结合先进的控制算法，以实现快反镜系统更优的控制精度和动态响应性能。

典型产品介绍