[发明专利]一种用于低温光学系统的像方扫描装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于低温光学系统的像方扫描装置及控制方法。具体是指采用压电双晶片驱动器作为扫描驱动部件，能够在低温环境下工作的扫描装置。本发明主要应用在空间红外成像系统的低温光学系统中，用于进行像方扫描。

技术背景

随着科学研究和军事技术的发展，空间遥感仪器的分辨率要求越来越高。在空间低温背景条件下，影响仪器探测率的背景辐射往往主要是自身光学系统和视场内仪器本身元部件的热辐射。降低它们的温度可以减少背景光子通量，有效发挥背景限探测器的作用，提高仪器探测灵敏度。因此，在星载和空载高分辨率的红外遥感仪器中，尤其在远红外波段，采用低温光学系统是必然的选择。像方扫描作为低温光学系统中的重要组成部分，要求在低温下能够正常工作，并且能够保证较高的性能。因此，研制一种适用于低温光学系统的像方扫描装置对于提高空间遥感仪器性能具有重要意义。

目前国外空间遥感仪器低温光学系统中使用低温电机扫描机构进行像方扫描，然而由于电机具有发热和相对摩擦较大的固有缺陷，越来越不能满足高分辨率探测的需要。压电陶瓷具有不发热，响应快，无相对摩擦等优点，并且能够在低温下工作，是低温扫描驱动的优良材料。本发明采用压电双晶片驱动器构建用于低温光学系统的像方扫描装置。

发明内容

本发明利用压电陶瓷能够在低温下工作的特点，采用压电双晶片作为驱动部件，构建用于低温光学系统的像方扫描装置，以满足低温光学系统中进行像方扫描的需求。

本发明的装置组成包括：扫描机构外框1、垫块2、压电双晶片驱动器3、连杆机构4、固定轴扫描镜5、轴承6以及扫描驱动控制单元7。

压电双晶片驱动器3一端固定在扫描机构外框1上，中间用垫块2间隔，构成悬臂梁结构；固定轴扫描镜5轴端通过轴承6与扫描机构外框1连接；压电双晶片驱动器3的输出端通过连杆机构4与固定轴扫描镜5相连。扫描装置的顶视示意图如图1所示，扫描装置的侧视示意图如图2所示。

由于逆压电效应的存在，压电双晶片驱动器3在电压激励下发生弯曲变形，这一变形通过连杆机构4传递到固定轴扫描镜5的端面上，使扫描镜发生转动，扫描运动如图3所示。由于压电双晶片驱动器3会输出水平和垂直两个方向的运动，通过连杆机构4可以消除它对扫描镜的横向作用力，不至于产生挤压变形，连杆机构如图4所示。

所述的连杆机构4、垫块2和扫描机构外框1使用殷钢进行加工；固定轴扫描镜5使用微晶玻璃进行加工；轴承6使用自润滑的陶瓷轴承。

所述的扫描驱动控制单元7负责固定轴扫描镜5的运动控制和驱动，包括扫描波形控制模块8和高压驱动模块9。扫描波形控制模块8输出的扫描驱动波形为任意扫描波形，以实现对扫描镜的任意控制。高压驱动模块9能够将输入的控制电压波形进行高压和功率的放大，输出较高的电压和电流，并具有较高的放大倍数和较小的纹波。

本发明的扫描控制方法如下：

1)扫描波形数据存储在扫描驱动控制单元7的扫描波形控制模块8中。扫描波形控制模块8控制输出电压波形的幅度和频率，读取波形数据并输出控制电压波形。

2)扫描系统驱动控制单元7的高压驱动模块9对扫描波形控制模块8输出的控制电压波形进行高压和功率的放大，达到压电双晶片驱动器3的驱动要求。

3)在高压驱动波形的驱动下，压电双晶片驱动器3发生弯曲变形，输出端面位置发生变化，并通过连杆机构4传递到固定轴扫描镜5的端面上，固定轴扫描镜5随之开始转动，进入扫描状态。

附图说明

图1为扫描装置顶视示意图。

图2为扫描装置侧视示意图。

图3为扫描运动示意图。

图4为连杆机构示意图。

图5为扫描驱动控制单元框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个较好实施例。

压电双晶片驱动器3采用中国电子科技集团公司第二十六研究所的WDS60产品，它是一个并联型压电双晶片，中间为弹性金属薄片，两面为极化方向相同的压电晶片。它的工作电压为-100V～+100V，最大位移正负1mm；压电双晶片驱动器3通过方形垫块2用低温胶粘接在扫描机构外框1上。

固定轴扫描镜5采用微晶玻璃作为材料，并安装在扫描镜外框上，扫描镜转动轴与扫描镜外框为一体加工，扫描镜转动轴通过自润滑的氧化锆陶瓷轴承安装在扫描机构外框1上。扫描镜外框端面与压电双晶片驱动器3端面之间用连杆机构4进行连接，连杆机构结构图如图4所示。