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【走进压电】之【压电偏转镜】

  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。

  

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  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

  

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  • 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。

  

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  •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。 

  

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  2二维θx、θy压电偏转镜

  •二维θx、θy压电偏转镜原理

 

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  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。

  

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  •二维θx θy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。

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  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

  

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  •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最优化的角度稳定性。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。

  

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  •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。

  

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  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。

  

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  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。

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  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。

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可建立的星间激光链路

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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。

   

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  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。  

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  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,产生补偿信号,使激光传输保持稳定;

  8 : 45°分光镜;

  9、10:PSD激光位置探测器,实时探测并反馈激光的位置;

  11:电脑,闭环补偿控制与补偿效果显示。

该系统原理如下图。 

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  该系统为二阶补偿激光稳定系统,先设定了光束接收的目标位置坐标,光源通过干扰压电偏转镜、补偿压电偏转镜1、补偿压电偏转镜2后,再经过分光镜到达PSD位置探测器。

  PSD位置探测器可对光束的光斑进行实时位置检测,并反馈给补偿压电控制器,补偿压电控制器对PSD位置探测器反馈的传感器信号进行采集、放大,同时向补偿压电偏转镜输出相应的补偿控制电压信号,补偿压电偏转镜根据补偿控制电压信号进行快速角度调整,使得光信号准确、完整的接收,从而达到成像或光通信等目的。

  与采用内置传感器的闭环版本压电偏转镜相比,开环压电偏转镜具有更快的响应速度及更高的分辨率,因此采用外部PSD位置探测器检测,可提高光束的调整速度。

  另外,PSD可直接对光斑位置进行测量,是光束偏转方向的直接反应。而内置传感器的闭环版本压电偏转镜的特点是使得控制电压与偏转角度间成线性关系。

  通过计算机显示可观看光束跟踪及稳定情况。 

  4)压电偏转镜用于材料加工

  对于加工孔径及孔距精度要求非常高,例如几微米至几百微米的孔径、几十微米的孔距等,利用芯明天压电偏转镜对激光的精确方向控制及它的快速响应速度等特性,可以彻底解决微小孔加工精度低、孔径不圆滑等问题。

  在涉及到微米级小孔的超快激光加工应用中集成压电偏转镜,具有加工精度高、加工速度快等特点。已广泛应用于航天器件微小孔加工、异形孔加工等领域。 

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  P33.T8S系列压电偏转镜是具有快速响应且体积紧凑等特点的偏转平台,提供顶端面的高精度角度运动,与其他执行器相比,柔性铰链导向的压电偏转平台可提供更高的加速度,使阶跃响应时间在亚毫秒范围。P33.T8S在10mrad满行程工作频率达50Hz,可连续工作15天。       

  

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  芯明天与德国进口压电偏转镜对比

  

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  下面将芯明天压电偏转镜与德国进口的同类产品进行性能参数的对比,芯明天公司压电偏转镜产品以小体积、高动态、快速定制、任意参数定制、使用环境定制、快速供货等为主要特点。

  1)3mrad角度偏转行程下的参数对比

以芯明天P33.T2S压电偏转镜、德国进口S-330.2S压电偏转镜以及芯明天的新品S38.T2S压电偏转镜来进行对比。其中,S38.T2S压电偏转镜不仅能实现P33.T2S的参数性能,并且具有比P33.T2S更小的外形尺寸,可替代P33.T2S压电偏转镜。

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芯明天P33.T2S与S38.T2S压电偏转镜

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三款压电偏转镜型号尺寸图(S38更小巧)

以上三种压电偏转镜参数对比:

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  从以上参数对比中,可看出,在同样3mrad偏转范围下,芯明天P33.T2S与S38.T2S压电偏转镜具有更小的尺寸、更灵活的定制方式、更高的工作频率以及更高的精度,更适合空间受限的高动态应用。

  2)10mrad角度偏转行程下的可靠性对比

  一般情况下,外径相同时,行程越大的压电偏转镜,它的长度越长。而在长度增加的基础上,压电偏转镜的可靠性将随之降低。然而,目前很多应用对压电偏转镜的可靠性要求越来越高,很多标准品已不能满足应用要求。为解决此问题,芯明天采用抗震加固、全闭环的方式,以达到最优化的可靠性及精度,并且通过了抗振实验。下面再将芯明天压电偏转镜与德国进口同类产品进行对比。对比对象分别为芯明天P33.T8S压电偏转镜(该压电偏转镜具有12.5mrad偏转行程,采用抗震加固、全闭环优化性能)、德国进口的S-330.8S压电偏转镜及芯明天新品S37压电偏转镜。
 

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  芯明天新品S37系列高可靠性压电偏转镜实物及尺寸

   以上三款压电偏转镜参数对比:

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在以上大偏转角度型号对比中可看出,芯明天P33.T8S压电偏转镜具有更高精度及工作频率以及可选的更高可靠性,体积也更小。从可靠性上看,芯明天S37系列可靠性是相对更高的,非常适合于严苛环境应用,并且它是针对航天应用设计,标品就可以满足航空航天应用。针对以上对比,可见国产芯明天的压电偏转镜更具优势。在压电偏转镜产品上,国内技术已赶超国外。 所以,对于使用环境振动较大,要求可靠性较高的应用,推荐选用芯明天的S37系列压电偏转镜,可靠性高、更稳定。如果只是做些简单的实验室实验,也推荐芯明天的P33或者S38系列压电偏转镜,精度更高,体积也更小。而且,有任何问题沟通起来要比国外的方便得多,时效更快。 

 

  FSM压电偏转镜安装操作说明      

  1)安全指南

  压电偏摆镜采用先进的技术和安全标准设计而成,为了您的自身安全及产品的正确使用,使用时请注意以下几点。

  温度改变和压力都会给压电驱动器充电,与控制器断开连接的一段时间压电驱动器也会保持带电状态,所以操作者在使用时要注意: 

  · 不要擅自拆卸压电偏摆镜;

  · 在安装以前给压电偏摆镜进行放电,这个可以通过和控制器连接实现;

  · 在操作过程中不要拔出控制器;

  · 使用前首先检查本产品的连接线是否完好,产品及控制器是否进行了有效的接地保护,操作过程中应严格规范操作,上电后不要用手触碰产品(最高可达150V电压),以防发生危险。 

  为了防止不当操作对产品造成损坏,使用时应注意以下几点: 

  · 压电偏摆镜尽量在无尘、无油、无润滑剂的环境中使用; 

  · 由于产品采用柔性结构设计,建议负载不要超过本产品的承载能力,装载时注意扭力不要过大,不要撬或扭转负载面,以免损伤结构; 

  · 长期使用建议使用电压范围为0~120V; 

  · 请勿对产品进行拆解,以免造成产品损坏; 

  · 避免拉伸和弯曲电缆接口,防止对电缆造成损坏; 

  · 使用我公司提供的专用电缆连接压电偏摆镜和控制器; 

  · 不能随便使用电缆延长线,如需要更长电缆请联系我司客服。

  2)安装及操作

  安装前首先要进行安全检查,如连接线有无破损、断线,驱动电源有无接地保护等。安装示意图如下所示: 

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安装示意图

  粘贴镜片前先清洁镜片粘贴平面,镜片粘贴后等待一段时间后再进行固定安装,也可以选用镜片转接架,如图所示;

  

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镜片粘接剂及镜片转接架

  B、选用M3螺钉固定安装,也可通过转接方式进行偏摆镜的安装。安装前先清洁安装支架,也可以联系我们选择合适的转接方式进行安装;

  C、将产品固定在安装平面上或者通过相关工装固定在安装平面上,注意相关转镜产品如要进行其他放置(如侧置、斜置等)请咨询我司客服。


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转接方式

D、连接接地保护,如下图所示;

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接地保护示意图

E、将压电偏摆镜的连接线与控制器连接起来;LEMO连接头接线方式如下图所示:

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连接头示意(芯明天具有多种电压与传感连接器,上图连接器为其中一种)

安装注意事项:

· 不要磕碰产品运动部分,防止柔性铰链变形影响运动精度,甚至损坏产品;

· 柔性铰链缝隙中不要滴入镜片粘结剂,也不要有其他物体阻碍运动,以免影响精度或损坏设备;

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柔性铰链示意图

· 请选择合适的螺钉进行固定连接,防止安装不牢,偏摆镜脱落摔伤,造成破坏。整个安装、操作过程中注意规范操作,学员请在专业人士的指导下进行相关操作。加载安装镜片负载时确保质量小于偏摆镜最大承载,尽量将镜片安装在运动面中心位置。负载的正确放置方式如下图所示:

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负载加在工作台的台面中心

· 对于产品的保护我们不建议负载过高,如必须采用较高的负载请适当减小负载重心位置,错误放置方式如下图所示:

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尽量不要让负载重心远远超过活动平台

· 禁止将负载加载在运动台的一侧,这会对产品造成严重的破坏,如下图所示:

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禁止加载较长负载且加在活动台的一侧

 · 安装镜片转接架时,扭矩不要太大,以免损伤机构;

· 避免拉伸电缆和弯曲电缆;

· 使用我公司提供的专用电缆连接压电偏摆镜和控制器;

· 不要擅自延长电缆,如需更长电缆请联系我司客服。

操作电源启动之前请再次确认以下信息:

· 偏摆镜已经接地保护;

· 使用环境符合产品工作环境要求;

· 固定螺钉必须拧紧。 

以上信息确定以后进行控制器相关操作:

A、操作前请仔细阅读用户所选用的控制器用户手册,然后再启动控制器;

B、先对控制器置零设置;

C、检查无异常现象后,根据需求输入电压值(键盘或模拟控制);

D、可在压电陶瓷额定电压范围内(0~120V,最大不要超过150V)正常工作;

E、使用完毕后请进行电压清零操作;请在操作中放轻脚步,不要磕碰产品,以免影响产品使用甚至损坏产品。产品自身的分辨率是没有限制的,分辨率取决于产品控制器的性能,为了更好的达到台体的运动精度,推荐使用我公司的配套产品控制器。控制器的具体操作方法请参照控制器使用手册,确保能够正确操作以后再进行相关操作。

注意:

· 操作过程中不要移除接地保护,如果需要暂时移除,再次启动前请重新连接好接地保护;

· 驱动电压不要超过偏摆镜允许的最大电压;

· 使用过程中如果出现异常响动或者振荡,则立即关闭电源检查参数设置。


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