李永鋒，王 誠，穆讓修，李軍芳，劉曉英

（西安應(yīng)用光學研究所 陜西 西安 710065）

激光束偏轉(zhuǎn)及其掃描在半導體加工、軍事探測、航空航天、生物醫(yī)學、納米科學研究等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，同時對其性能要求也越來越高，受其體積，掃描頻率，掃描精度，掃描分辨率等諸多因素的制約，傳統(tǒng)的機械掃描方式越來越難以滿足要求。各國也都在嘗試不同的方式解決這一難題，出現(xiàn)了大量滿足不同應(yīng)用需要的激光偏轉(zhuǎn)掃描器，以滿足工業(yè)以及軍事國防方面的需求。主要有機械掃描、聲光掃描、電光掃描、二元光學掃描和反射式掃描等[1]。

機械掃描通過鏡面轉(zhuǎn)動，利用幾何光學的原理實現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)，如多面轉(zhuǎn)鏡掃描器，掃描角度大、回掃快和速度穩(wěn)定性高等有點[2]，在早期應(yīng)用比較廣泛。但受其體積大，掃描頻率低，掃描精度低等缺陷的制約，在如今的某些小型化、高速化、精準化的掃描場合很難得以應(yīng)用。聲光掃描和電光掃描通過晶體的聲光、電光效應(yīng)實現(xiàn)入射光的偏轉(zhuǎn)，在體積和掃描頻率、掃描精度等方面得到了顯著的提高[3]，得到了大范圍的使用，但其掃描視場小，光束質(zhì)量差。二元光學掃描器掃描角度小，透過率低，在工程上的應(yīng)用還不成熟。而反射式掃描具有小巧輕便、掃描頻率快、精度高和掃描角大等優(yōu)點，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用與各個行業(yè)。

反射式的掃描成為當今的主流，主要的掃描器有激光振鏡（檢流計式）和快速偏擺鏡?；跈z流計式的振鏡具有很大擺動角度但帶寬有限，在進行高頻掃描時掃描最大角度和線性度都會嚴重下降?；谝羧﹄姍C或壓電陶瓷驅(qū)動器的快速偏轉(zhuǎn)鏡具有很高的諧振頻率，掃描角度小、分辨率高、線性度好，一般應(yīng)用于自適應(yīng)光學、光束跟蹤和穩(wěn)定等需要快速響應(yīng)和小角度偏轉(zhuǎn)的領(lǐng)域。相比音圈和檢流計之類的驅(qū)動器，壓電陶瓷驅(qū)動的偏轉(zhuǎn)鏡具有更快的加速度和更高的帶寬，具有零摩擦和零粘力的鉸鏈導向，并且導向精確性優(yōu)良，采用壓變片傳感器或電容傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)，具有很高的精確度。壓電偏擺鏡采用壓電陶瓷驅(qū)動器直接驅(qū)動，多用于圖象處理/穩(wěn)定、激光掃描、通信、光線偏轉(zhuǎn)、光束偏轉(zhuǎn)/穩(wěn)定等系統(tǒng)[4]。

1 壓電偏轉(zhuǎn)鏡工作原理

壓電偏轉(zhuǎn)鏡主要由反射鏡、壓電陶瓷促動器、柔性鉸鏈、傳感器及電子線路組成。如圖1所示，偏轉(zhuǎn)臺由兩對壓電陶瓷促動器（X軸和Y軸）驅(qū)動，呈90°空間排列，每對都以推拉模式支撐偏轉(zhuǎn)臺運動，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)臺的θX、θY任一角度的精密和快速的二維偏轉(zhuǎn)，緊密和零摩擦的鉸鏈導向結(jié)構(gòu)，有著高可靠性和高穩(wěn)定度。以X軸為例，工作時，一個促動器伸長，一個促動器縮短，通過柔性鉸鏈將促動器的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，以推拉模式使偏轉(zhuǎn)臺繞X軸偏轉(zhuǎn)。繞Y軸偏轉(zhuǎn)的原理一樣。四個壓電陶瓷由一個橋結(jié)構(gòu)連通，并由一個固定電壓和2個可變電壓驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)的特點在于整合了保證導向精確性的零摩擦和零粘力的柔性鉸鏈，有著高可靠性和高穩(wěn)定度[5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工作原理

激光掃描工作原理如圖2所示，激光束L以一定入射角照射到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射，投射到掃描平面上的某一點p（x，y），設(shè) θx 為反射鏡在 X 方向的偏轉(zhuǎn)角，θy 為反射鏡在 Y方向的偏轉(zhuǎn)角，當θx、θy均為0時，則光束會打在掃描平面的原點位置O′（0，0）。當激光光束投射到掃描平面上的任意一點p（x，y）時對應(yīng)的 X、Y 軸的偏轉(zhuǎn)角分別為、，則有如下關(guān)系式：

圖1 壓電偏轉(zhuǎn)鏡工作原理圖Fig.1 Working principle of the piezoelectric deflecting mirror

d為反射鏡中心到掃描平面的垂直距離。反射鏡在X、Y方向按照一定的規(guī)律進行二維偏轉(zhuǎn)運動，反射光束將在掃描平面上按照一定的規(guī)律進行掃描。

圖2中，反射鏡沿X軸偏轉(zhuǎn)α后，Y軸不動，光束從O’點移動到A點。

反射鏡沿Y軸偏轉(zhuǎn)β后，X軸不動，光束從O’點移動到B點。

圖2 激光掃描原理圖Fig.2 Schematics of laser scanning system

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖3所示，主要由壓電偏擺鏡（內(nèi)部集成柔性鉸鏈、壓電陶瓷執(zhí)行機構(gòu)、應(yīng)變式傳感器）、控制器及擺鏡驅(qū)動器組成。

圖3 系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Structure diagram of the hardware system

2.2.1 壓電驅(qū)動器

壓電驅(qū)動器的主要功能是將微弱的外部模擬輸入信號或計算機通過D/A給出的模擬信號或其它的控制信號，通過功率驅(qū)動模塊內(nèi)部的電壓放大器與功率放大電路，將微弱的信號放大到能夠滿足對壓電陶瓷驅(qū)動的要求；功率驅(qū)動模塊要能夠提供較高的輸出電壓、功率、分辨率、精度、帶寬、線性度、穩(wěn)定度和極低的輸出紋波、極小的溫度漂移等特性。

擺鏡驅(qū)動組成如圖4所示，擺鏡驅(qū)動從外部輸入0~10 V的連續(xù)可調(diào)模擬信號，然后送線性功率放大電路進行電壓和功率放大，得到0~150 V的連續(xù)可調(diào)電壓信號送壓電陶瓷促進器。高壓穩(wěn)壓電路產(chǎn)生兩路電壓，一路為功率放大電路提供能量來源；一路產(chǎn)生穩(wěn)定的直流150 V輸出給壓電陶瓷促進器。

圖4 擺鏡驅(qū)動組成框圖Fig.4 Component diagram of oscillating mirror driven circuit

2.2.2 擺鏡控制器

擺鏡控制組成如圖5所示，MCU接收激光同步信號后，向D/A轉(zhuǎn)換電路輸入擺鏡下一位置的驅(qū)動信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬信號送運算放大器進行放大，然后送功率放大器放大，然后驅(qū)動壓電陶瓷促進器位移。

圖5 擺鏡控制器組成Fig.5 Component diagram of oscillating mirror controller

為了消除壓電陶瓷的非線性，減少環(huán)境和實際使用時的各種干擾因素其驅(qū)動控制造成影響，實現(xiàn)輸出位置的精密控制，采用帶有對輸出位移量進行反饋的閉環(huán)控制。閉環(huán)控制主要通過位電阻應(yīng)變片傳感器或電容傳感器對壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移進行檢測、采樣，通過信號轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換送回控制系統(tǒng)，不斷地朝設(shè)定值進行反饋校正，以提高精度。

系統(tǒng)采用兩通道16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5762R，該轉(zhuǎn)換器為串行接口，很方便與單片機接口。圖6為數(shù)模轉(zhuǎn)換原理圖。

圖6 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖Fig.6 Diagram of digital-analog conversion circuit

3 系統(tǒng)測試

測試系統(tǒng)組成如圖7所示，壓電偏轉(zhuǎn)鏡為哈爾濱芯明天的XS-340.4SL型，二維壓電偏轉(zhuǎn)鏡，控制器為該公司的XE-501模塊化控制器，自準值儀使用德國ELCOMAT 3000自準直儀器[5]。

測試內(nèi)容包括：偏轉(zhuǎn)范圍測試、偏轉(zhuǎn)分辨率測試、重復(fù)定位精度測試、線性度測試、動態(tài)性能測試等內(nèi)容。

在閉環(huán)模式下，輸入偏擺角度2 mrad的階躍信號，用示波器捕捉由傳感器反映的階躍響應(yīng)，響應(yīng)時間為20 ms。

圖7 測試系統(tǒng)框圖Fig.7 Structure diagram of test system

4 結(jié) 論

壓電陶瓷偏擺鏡具有體積小、位移分辨率高、頻響高、無噪聲、不發(fā)熱等特點[6]。試驗驗證了壓電偏轉(zhuǎn)鏡分辯率高，重復(fù)定位精度高，在要求偏轉(zhuǎn)角度為mrad量級、分辨率要求urad量級的激光掃描系統(tǒng)中表現(xiàn)出很好的特性。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Test result of the piezoelectric deflecting mirror

圖8 閉環(huán)階躍響應(yīng)測試界面Fig.8 Interface chart of closed-loop step response tests

[1]邵兵，孫立寧，曲東升.自由空間光通信ATP系統(tǒng)中精瞄偏轉(zhuǎn)鏡的設(shè)計[J].光學精密工程，2006，14（1）：43－47.SHAO Bing，SUN Li-ning，QU Dong-sheng.Design of fine pointing deflecting mirror in ATP free space optical communication system[J].Precision Engineering of Optics，2006，14（1）:43-47.

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[3]董斌.用于成像激光雷達的線掃描振鏡關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙，國防科學技術(shù)大學，2011.

[4]趙建偉，孫徐仁.低頻壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動電源研制[J].壓電與聲光2002，24（2）：107－110.ZHAOJian-wei，SUNXu-ren.Design of drivepower in Low_frequency piezo ceramic actuator[J].Piezoelectric and Sound_light 2002，24（2）:107-110.

[5]徐飛飛，紀明，謝靜.FSM在高精度瞄準線穩(wěn)定系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用光學，2012（1）:10-13.XU Fei-fei，JI Ming，XIE Jing.Application of FSM in high accuracy line-of-sight stabilization system[J].Journal of APPlied Optics，2012（1）:10-13.

[6]Yunhe Yu，Nagi Naganathan，Rao Dukkipati.Preisach modeling of hysteresis for the piezoceramic actuator system，Mechanism and Machine Theory，2002（37）:49-59.