專利名稱：一種用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置及控制方法。具體是指采用壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器作為掃描驅(qū)動(dòng)部件，能夠在低溫環(huán)境下工作的掃描裝置。本發(fā)明主要應(yīng)用在空間紅外成像系統(tǒng)的低溫光學(xué)系統(tǒng)中，用于進(jìn)行像方掃描。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)研究和軍事技術(shù)的發(fā)展，空間遙感儀器的分辨率要求越來(lái)越高。在空間低溫背景條件下，影響儀器探測(cè)率的背景輻射往往主要是自身光學(xué)系統(tǒng)和視場(chǎng)內(nèi)儀器本身元部件的熱輻射。降低它們的溫度可以減少背景光子通量，有效發(fā)揮背景限探測(cè)器的作用， 提高儀器探測(cè)靈敏度。因此，在星載和空載高分辨率的紅外遙感儀器中，尤其在遠(yuǎn)紅外波段，采用低溫光學(xué)系統(tǒng)是必然的選擇。像方掃描作為低溫光學(xué)系統(tǒng)中的重要組成部分，要求在低溫下能夠正常工作，并且能夠保證較高的性能。因此，研制一種適用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置對(duì)于提高空間遙感儀器性能具有重要意義。目前國(guó)外空間遙感儀器低溫光學(xué)系統(tǒng)中使用低溫電機(jī)掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行像方掃描，然而由于電機(jī)具有發(fā)熱和相對(duì)摩擦較大的固有缺陷，越來(lái)越不能滿足高分辨率探測(cè)的需要。 壓電陶瓷具有不發(fā)熱，響應(yīng)快，無(wú)相對(duì)摩擦等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠在低溫下工作，是低溫掃描驅(qū)動(dòng)的優(yōu)良材料。本發(fā)明采用壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用壓電陶瓷能夠在低溫下工作的特點(diǎn)，采用壓電雙晶片作為驅(qū)動(dòng)部件， 構(gòu)建用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置，以滿足低溫光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行像方掃描的需求。本發(fā)明的裝置組成包括掃描機(jī)構(gòu)外框I、墊塊2、壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3、連桿機(jī)構(gòu) 4、固定軸掃描鏡5、軸承6以及掃描驅(qū)動(dòng)控制單元7。壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3 —端固定在掃描機(jī)構(gòu)外框I上，中間用墊塊2間隔，構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)；固定軸掃描鏡5軸端通過(guò)軸承6與掃描機(jī)構(gòu)外框I連接；壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3的輸出端通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)4與固定軸掃描鏡5相連。掃描裝置的頂視示意圖如圖I所示，掃描裝置的側(cè)視示意圖如圖2所示。由于逆壓電效應(yīng)的存在，壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3在電壓激勵(lì)下發(fā)生彎曲變形，這一變形通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)4傳遞到固定軸掃描鏡5的端面上，使掃描鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，掃描運(yùn)動(dòng)如圖3 所示。由于壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3會(huì)輸出水平和垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)4可以消除它對(duì)掃描鏡的橫向作用力，不至于產(chǎn)生擠壓變形，連桿機(jī)構(gòu)如圖4所示。所述的連桿機(jī)構(gòu)4、墊塊2和掃描機(jī)構(gòu)外框I使用殷鋼進(jìn)行加工；固定軸掃描鏡5 使用微晶玻璃進(jìn)行加工；軸承6使用自潤(rùn)滑的陶瓷軸承。所述的掃描驅(qū)動(dòng)控制單元7負(fù)責(zé)固定軸掃描鏡5的運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)，包括掃描波形控制模塊8和高壓驅(qū)動(dòng)模塊9。掃描波形控制模塊8輸出的掃描驅(qū)動(dòng)波形為任意掃描波形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描鏡的任意控制。高壓驅(qū)動(dòng)模塊9能夠?qū)⑤斎氲目刂齐妷翰ㄐ芜M(jìn)行高壓和功率的放大，輸出較高的電壓和電流，并具有較高的放大倍數(shù)和較小的紋波。本發(fā)明的掃描控制方法如下 I)掃描波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在掃描驅(qū)動(dòng)控制單元7的掃描波形控制模塊8中。掃描波形控制模塊8控制輸出電壓波形的幅度和頻率，讀取波形數(shù)據(jù)并輸出控制電壓波形。2)掃描系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制單元7的高壓驅(qū)動(dòng)模塊9對(duì)掃描波形控制模塊8輸出的控制電壓波形進(jìn)行高壓和功率的放大，達(dá)到壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3的驅(qū)動(dòng)要求。3)在高壓驅(qū)動(dòng)波形的驅(qū)動(dòng)下，壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3發(fā)生彎曲變形，輸出端面位置發(fā)生變化，并通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)4傳遞到固定軸掃描鏡5的端面上，固定軸掃描鏡5隨之開始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入掃描狀態(tài)。


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具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的一個(gè)較好實(shí)施例。壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所的WDS60產(chǎn)品， 它是一個(gè)并聯(lián)型壓電雙晶片，中間為彈性金屬薄片，兩面為極化方向相同的壓電晶片。它的工作電壓為-100V +100V，最大位移正負(fù)Imm ;壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3通過(guò)方形墊塊2用低溫膠粘接在掃描機(jī)構(gòu)外框I上。固定軸掃描鏡5采用微晶玻璃作為材料，并安裝在掃描鏡外框上，掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)軸與掃描鏡外框?yàn)橐惑w加工，掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)自潤(rùn)滑的氧化鋯陶瓷軸承安裝在掃描機(jī)構(gòu)外框I上。掃描鏡外框端面與壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器3端面之間用連桿機(jī)構(gòu)4進(jìn)行連接，連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整個(gè)掃描裝置中的所有金屬部分全部采用熱膨脹系數(shù)小的殷鋼材料進(jìn)行加工，包括掃描機(jī)構(gòu)外框I、掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)軸、掃描鏡外框，連桿機(jī)構(gòu)4、墊塊2等。掃描驅(qū)動(dòng)控制單元框圖如圖5所示。掃描波形控制模塊8基于Xilinx的FPGA Spartan_3E，片內(nèi)Blockram存儲(chǔ)掃描驅(qū)動(dòng)波形數(shù)據(jù)，掃描段和回掃段時(shí)間比例為9 I。FPGA產(chǎn)生DDS控制時(shí)序從而控制輸出波形頻率，DDS芯片采用AD9850 ；FPGA控制幅度DAC從而控制輸出波形幅度，幅度控制DAC 采用MAX507 ;FPGA讀取掃描驅(qū)動(dòng)波形數(shù)據(jù)并通過(guò)輸出DAC輸出驅(qū)動(dòng)波形，輸出DAC采用12 位的AD565。掃描波形控制模塊8輸出電壓范圍-5V +5V。高壓驅(qū)動(dòng)模塊9采用兩級(jí)放大構(gòu)成負(fù)反饋電路，第一級(jí)采用0P07，第二級(jí)采用APEX公司的PA85高壓運(yùn)算放大器，高壓電源采用航天朝陽(yáng)電源生產(chǎn)的高壓直流模塊 I-FA150-D-S。高壓驅(qū)動(dòng)模塊9輸出電壓范圍-150V +150V，最大輸出電流200mA，紋波小于 IOmA0
掃描裝置安裝在空間紅外成像系統(tǒng)的像方光路中，光學(xué)系統(tǒng)溫度為120K，掃描視場(chǎng)為2° X2°，其中一維由掃描實(shí)現(xiàn)，另一維由TDI探測(cè)器實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置，包括掃描機(jī)構(gòu)外框(I)、墊塊(2)、壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器(3)、連桿機(jī)構(gòu)(4)、固定軸掃描鏡(5)、軸承(6)以及掃描驅(qū)動(dòng)控制單元(7)，其特征在于，用于掃描鏡驅(qū)動(dòng)的壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器(3) —端固定在掃描機(jī)構(gòu)外框(I)上，中間用墊塊(2)間隔，構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)；固定軸掃描鏡(5)軸端通過(guò)軸承(6)與掃描機(jī)構(gòu)外框 (I)連接；壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器(3)的輸出端通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)(4)與固定軸掃描鏡(5)相連；掃描驅(qū)動(dòng)控制單元(7)驅(qū)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行掃描工作。所述的掃描驅(qū)動(dòng)控制單元(7)，包括掃描波形控制模塊(8)和高壓驅(qū)動(dòng)模塊(9)，掃描波形控制模塊(8)產(chǎn)生任意驅(qū)動(dòng)波形，高壓驅(qū)動(dòng)模塊(9)將掃描驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行高壓功率放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置，其特征在于，所述的連桿機(jī)構(gòu)(4)、墊塊(2)和掃描機(jī)構(gòu)外框(I)采用殷鋼材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置，其特征在于，所述的固定軸掃描鏡(5)采用微晶玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的一種用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置，其特征在于，所述的軸承(6)采用自潤(rùn)滑的陶瓷軸承。
5.一種如權(quán)利要求I所述裝置的控制方法，其特征在于包括以下步驟.1)掃描波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在掃描驅(qū)動(dòng)控制單元(7)的掃描波形控制模塊(8)中，掃描波形控制模塊(8)控制輸出電壓波形的幅度和頻率，讀取波形數(shù)據(jù)并輸出控制電壓波形；.2)掃描系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制單元(7)的高壓驅(qū)動(dòng)模塊(9)對(duì)掃描波形控制模塊(8)輸出的控制電壓波形進(jìn)行高壓和功率的放大，達(dá)到壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器(3)的驅(qū)動(dòng)要求；.3)在高壓驅(qū)動(dòng)波形的驅(qū)動(dòng)下，壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器(3)發(fā)生彎曲變形，輸出端面位置發(fā)生變化，并通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)(4)傳遞到固定軸掃描鏡(5)的端面上，固定軸掃描鏡(5)隨之開始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入掃描狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于低溫光學(xué)系統(tǒng)的像方掃描裝置及控制方法。本發(fā)明采用壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器作為低溫掃描系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件，結(jié)合該驅(qū)動(dòng)器的位移輸出特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適合這一驅(qū)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)中考慮了低溫工作的應(yīng)用條件，使用適合低溫環(huán)境的材料。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的掃描裝置，在低溫120K環(huán)境下具有較高的性能，能夠滿足空間紅外成像系統(tǒng)中低溫光學(xué)像方掃描的需要。
文檔編號(hào)G02B26/10GK102608759SQ20121007296
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者張旋, 李曉平, 潘鳴, 蔣范明, 裴云天, 趙高飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所