快速反射鏡關鍵技術研究

徐新行，楊洪波，王 兵，高云國

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學院大學，北京100049)

1 引言

快速反射鏡(FSM)作為發射光源與接收端之間控制光束傳播方向的精密光學儀器，集光、機、電技術于一身，具有響應快、精度高、分辨力大等突出優點，已被廣泛應用于天文望遠鏡、激光通訊、圖像穩定、自適應光學、高精度激光合束、復合軸精密跟蹤等領域［1－5］。

長期以來，國內外關于FSM的研究就十分火熱［6－8］。起初，主要立足于一些工程、基金項目如:美國馬薩諸塞州技術研究所(MIT)為空間光通信實驗研制了高帶寬柔性軸式FSM［9－10］;美國左手設計局(LHDC)與噴氣推進實驗室(JPL)合作設計了兩軸柔性指向式FSM，用于補償衛星姿態控制系統引起的抖動［11］;美國國家天文臺(NOAO)為麥哲輪巨型望遠鏡(GMT)的次鏡研制了超大型拼接式FSM，它主要由7個獨立的小型FSM組成，拼接直徑達3.2 m［12－16］。近年來，中科院長春光機所在王兵研究員的帶領下針對車載移動平臺，設計了多種剛性承載式 FSM，主要用于精確控制光束的發射方向［17－21］。國防科學技術大學也在國家自然科學基金的資助下研制了兩維獨立柔性軸式FSM，并針對柔性鉸鏈的結構形式、材料選擇、剛度分析等展開了理論分析計算［22］。華中科技術大學近年來也開始有關于高性能FSM系統的研制成果見諸報端［23－25］。后來，隨著 FSM 應用領域的進一步擴大，國內外一些公司經過多年的研究與積累，開始形成一些系列化產品，并逐漸將其推向市場。如，德國PI公司采用巧妙的柔性環結構實現兩軸擺動，應用壓電陶瓷驅動，生產了高精度、高響應速度的FSM系列產品，其小信號帶寬在500～900 Hz之間［22］。美國 Ball Aerospace ＆ technologies公司采用集中柔性彈片支撐，音圈電機驅動，生產了一系列大角度FSM產品，其轉角范圍可達30'，環境適應性更加優異［22－23］。此外，中科院成都光電所早在20世紀90年代便開始在凌寧教授的帶領下從事FSM的研制工作，目前已生產出58～140口徑的系列化產品［26－31］;哈爾濱芯明天公司也一直致力于高精度、高響應、壓電陶瓷驅動柔性無軸式FSM的研制開發，經過多年的努力取得了不錯的成果。所生產FSM在響應速度方面雖與國外還存在一定差距，但已呈現出取代進口產品的趨勢。

柔性無軸式FSM作為國內外研究的重點，具有結構簡單、無摩擦、響應快等優點，不足之處是承載能力十分有限［32－36］。鑒于此，國內外學者針對柔性支撐鉸鏈做了大量的研究工作，設計出各式各樣的柔性件，以期改善FSM的承載能力與環境適應性，也取得了良好的效果［22，37］。同時，一些新型支撐結構的 FSM 也開始見于文獻報道［17－20，38］，如剛性支撐式FSM從結構原理上保證了系統的承載能力與抗沖擊、振動性能，使FSM開始向車載、機載、艦載等應用領域邁進［17－20，39－40］。

2 FSM的主要性能指標

FSM的主要性能指標包括:有效通光口徑、轉角范圍、角分辨力、控制帶寬和響應頻率等［6，22，41］。其中，有效通光口徑反映了FSM所能校正光束直徑的范圍，它決定了FSM工作鏡體的大小，進而影響系統的負載慣量，最終限制FSM的響應頻率。轉角范圍是指工作鏡體所能轉動的最大角度，從應用方面考慮，它必須能夠覆蓋FSM工作對象所需求的調節范圍。但為了保證系統高的響應頻率，FSM的轉角范圍往往比較小(多為分級)。因此，為了實現大的工作范圍，FSM通常與大慣量的二維轉臺配合使用構成復合軸系統［3］。角分辨力是指FSM的工作鏡體所能實現的最小轉角，它與位置傳感器的分辨力及FSM裝置的加工裝調精度有關;控制帶寬是指FSM控制系統的頻帶寬度。帶寬越高，對外界干擾的抑制能力越強。對于響應頻率要求不高的系統，其控制帶寬較窄，一般遠低于結構件的固有頻率。而對于響應頻率要求較高的系統，其控制帶寬應盡可能大。為了避免諧振的發生，在結構件設計過程中，應保證各階諧振頻率不落在FSM的控制帶寬以內［22］;響應頻率是指FSM系統最終所能達到的響應速度，它直接影響著系統的跟蹤能力，一般響應速度越快，跟蹤精度也就越高。它與FSM的結構諧振頻率，驅動器的響應速度及控制系統的帶寬有關。圖1為FSM的主要性能指標與各組成部分之間的關系圖。

圖1 FSM的性能指標與各組成部分之間關系圖Fig.1 Correlations between FSM performances and constitute

3 FSM的分類

3.1 按支撐結構分類

根據支撐方式的不同，FSM主要分為:柔性無軸式結構、X－Y軸框架式和剛性支撐式3大類，這也是目前最為常用的分類方式。

柔性無軸式FSM的突出優點是:結構簡單、無摩擦阻力矩，響應速度快。致命缺陷是:包括反射鏡在內的載荷主要由柔性件支撐，在振動沖擊等惡劣的環境中，鏡體在期望運動的方向回轉的同時，可能產生微量的軸向位移，從而降低FSM的工作精度，甚至失效。因此，這種結構形式的FSM對柔性件的要求較高，更適于小口徑、輕量型的工作鏡體。圖2為MIT研制的高帶寬FSM的結構爆炸視圖。如圖所示，該FSM的柔性件包括彈性片、彈性圈和彈性軸三部分，用于實現FSM運動部分與不動基座之間的連接。

圖2 柔性無軸式FSM結構圖Fig.2 FSM with Flexure support structure

X－Y框架式FSM的優勢是:旋轉中心穩定、結構剛度好、轉角范圍大、承載能力強。不足之處是軸系結構復雜、轉動慣性大，且軸系精度對FSM工作精度有直接影響，不適于響應頻率要求較高的領域使用。圖3為美國專利中報道的X－Y框架式FSM的結構圖。

圖3 X-Y框架式FSM結構圖Fig.1 FSM with X-Y frame structure

圖4為中科院長春光機所研制的剛性球面副支撐式FSM的實物照片。該型FSM通過自制剛性球面副實現運動部分與不動部分連接，突出優點是:承載能力強、抗沖擊振動性能優異。缺點是:摩擦阻力矩大，響應速度有限。為了保證該型FSM穩定的旋轉中心，系統對自制球面副的加工、裝調精度提出了極高的要求。

圖4 剛性支撐式FSM實物照片Fig.4 FSM with rigidly support structure

3.2 按功能用途分類

根據FSM功能用途及系統中工作鏡體的不同，可分為反射式和透射式兩種。其中，反射式FSM的負載為平面反射鏡，在工程實踐中應用較多，主要用于校正光束的傳播方向。而透射式FSM的負載為合束鏡(對特定波長激光幾乎全部透過，對另外特定波長的激光幾乎全部反射)，主要用于不同波段激光的精確合束與對準。圖5為哈爾濱芯明天公司生產的大口徑透射式FSM的實物照片。

圖5 透射式FSM的實物照片Fig.5 Laser incorporate FSM

4 FSM的組成

FSM系統主要由支撐鉸鏈、工作鏡體、驅動元件、檢測元件和控制系統等5部分組成。目前，國內外針對FSM的研究主要集中在以下6個方面:①剛性或柔性連接方式的設計;②高剛度支撐基座的優化設計;③工作鏡體的輕量化設計;④高性能驅動器的設計與選擇;⑤高分辨力、高測量精度檢測元件的設計與選擇;⑥穩定可靠的控制算法的設計。

4.1 支撐鉸鏈

在FSM裝置中，支撐鉸鏈主要用于連接系統的運動部分與不動部分，其精度直接影響FSM的整體性能。目前研究較多的支撐鉸鏈主要有柔性與剛性兩種。

柔性鉸鏈主要分為四周分散式、中心集中式及四周分散與中心集中相結合式三種。圖6為德國PI公司研制的具有分布柔度的柔性環式支撐鉸鏈，該鉸鏈巧妙地實現了傳統的兩軸系、萬向架功能，雙軸行程可達±600 μrad 。圖7為國防科技大學設計的中心集中柔度柔性鉸鏈，該鉸鏈可方便地實現兩軸自由回轉，各向剛度與切割曲線的形狀有關［22］。圖8為美國MIT設計的中心集中柔度與四周分散柔度相結合的柔性支撐鉸鏈。其中心采用高彈性的金屬桿實現、四周采用高柔性橡膠實現，大幅度增加了柔性鉸鏈的支撐能力［9］。圖9為中科院長春光機所研制的剛性支撐鉸鏈。其中圖9(a)為四周分散式剛性支撐鉸鏈，圖9(b)為中心集中式剛性支撐鉸鏈。該類鉸鏈的承載能力大、環境適應性好，但摩擦阻力矩較大［18，20］。剛性支撐式FSM即采用此類鉸鏈實現運動部分與不動部分之間的連接。

4.2 工作鏡體

工作鏡體作為FSM系統的主要負載與工作部件，根據功能用途的不同，可分為平面反射鏡和合束鏡兩類。其中，平面反射鏡主要用于校正光束的傳播方向，而合束鏡主要用于不同波段激光的精確合束與對準。

為了盡可能減輕FSM系統的負載慣量，提高系統的響應頻率，需要對平面反射鏡進行必要的輕量化設計。現階段最常的輕量化途徑有兩種:一是采用比剛度高、導熱性好、加工性能優異的輕質材料做鏡坯，表1所列為常用反射鏡材料的性能參數;二是采用先進的設計、分析手段對鏡體進行的輕量化結構設計及參數選擇［42－47］。目前常用的輕量化結構有背部開槽式、蜂窩式和拱形結構三種，如圖10所示。

表1 常用反射鏡材料的性能對比Tab．1 material performances and price of several familiar mirror

在有些FSM中，根據鏡體的有效工作面，甚至直接將鏡坯制成橢圓形以最大程度地減輕鏡體質量，圖11所示即為裝有橢圓形鏡體的FSM及其反射鏡的輕量化結構。

4.3 驅動元件

由于FSM一般具有高精度、高分辨力、高響應頻率等特點，因此，對驅動元件的精度、分辨力、響應速度等提出了極高的要求。目前，用于FSM的驅動元件主要有壓電陶瓷和音圈電機兩大類。

4.3.1 壓電陶瓷驅動器

壓電陶瓷具有驅動力大、分辨力高、響應速度快等優點，且能夠與應變片組合實現自身伸縮長度的實時測量，順應了FSM系統驅動傳感一體化、小型化的發展趨勢。然而，此種驅動器所需要的驅動電壓較高，行程卻只有幾十微米，且抗沖擊、振動能力極差［26－28，48］。多年來，國內外研究人員針對此問題做了大量的研究工作。一方面，通過巧妙的機械結構設計實現壓電陶瓷行程的放大;另一方面，通過改變驅動器的使用方式，提高壓電陶瓷的抗剪切、沖擊能力。圖12所示為兩種壓電陶瓷驅動器放大組件的實物照片。其中，“菱形”框架結構的設計不僅放大了驅動器的行程，而且改變了壓電陶瓷的動力輸出方向，增大了驅動器的環境適應性。

圖12 壓電陶瓷驅動器放大組件Fig.12 Magnify assembly of piezoelectric actuator

4.3.3 驅動器的排布方式

對單軸型FSM而言，至少需要一個直線驅動器實現反射鏡的一維偏轉，如圖14(a)所示。此類FSM的優點是加工制作方便、生產成本低，但由于支撐鉸鏈僅單側受驅動力作用，因此系統的工作穩定性及環境適應性較差。為了提高單軸型FSM的工作可靠性與穩定性，使之適應復雜的工作環境，在工程應用領域常采用一對驅動器對稱布置來實現平面反射鏡的一維偏轉，如圖14(b)所示。由于這種FSM的受力狀態較好，因此，對支撐鉸鏈的磨損較小，且更容易實現較高的控制精度。

圖14 單軸FSM驅動器的排布方式Fig.14 Actuator arrange styles of FSM with single axis

4.3.2 音圈電機驅動器

音圈電機自從問世以來，憑借其高精度、快響應、大行程等突出優點一直都倍受關注。一方面，它的驅動電壓只有幾伏到幾十伏，但行程卻是壓電陶瓷的成百上千倍。另一方面，電機動子與定子之間存在必要的工作間隙，因此，在輸出直線位移過程中，動子可以相對定子產生一定角度的偏轉，并且不存在摩擦或碰撞［49－50］。音圈電機優異的環境適應性和強大的抗干擾性能，實現了它在工程領域的應用，甚至高沖擊、高振動的車載平臺系統中［18－20］。圖13為幾種音圈電機驅動器的實物照片。其中，圖13(a)為直線式音圈電機，輸出為直線位移。圖13(b)為圓周式音圈電機，輸出為圓周運動。這兩種驅動器均可應用于FSM系統，其中直線式應用較多。此外，還有些科研單位針對實際FSM的空間要求，自行設計所需要的音圈電機，如圖13(c)所示即為美國MIT研制的專用型音圈電機。

圖13 音圈電機驅動器Fig.13 Voice coil actuator

對雙軸型FSM而言，至少需要兩個直線驅動器實現反射鏡的二維偏轉，如圖15(a)所示。此類FSM的優點是結構簡單、制造成本低，但支撐鉸鏈在工作過程中的受力不均衡，系統的工作穩定性及可靠性較差，因此在工程應用中較少采用。目前，雙軸型FSM較多地采用4個驅動器來實現反射鏡的二維偏轉，如圖15(b)所示。這是因為采用2個驅動器通過推/拉來實現反射鏡在每一維方向上的偏轉，不僅受力狀態好，FSM的工作穩定性、可靠性及環境適應性等得到明顯改善，而且反射鏡在兩個方向上的運動不存在耦合，因此更容易實現系統的閉環控制。不足之處是:4個驅動器在機械結構上是超自由度的，因此對FSM裝置的加工、裝配精度提出了較高的要求。如圖15(c)所示，采用3個直線驅動器均勻布置也能實現平面反射鏡的二維偏轉。這種FSM不僅節省了1個驅動器，而且可實現反射鏡的微量的軸向位移，因此在校正發射光束的角差的同時，還可以對光束微小的位差進行修正。但此種FSM繞兩軸的運動不相互獨立，且每一個方向的偏轉均需要控制3個驅動器來實現，因此，系統的控制方法相對復雜。FSM在各方向上的偏轉角度與驅動器長度之間的關系如圖15中的公式所列。

圖15 雙軸FSM驅動器的排布方式Fig.15 Actuator arrange styles of FSM with double axes

4.4 測量元件

在FSM系統中，測量元件用于對平面反射鏡的位置進行實時測量，以實現FSM偏轉角度的精確閉環控制。因此，測量元件的性能直接決定了FSM系統的整體性能，尤其是FSM的工作精度與分辨力。目前用于FSM系統的測量元件主要有:光柵測微儀、電渦流傳感器、電容傳感器、PSD、四象限探測器和電阻應變片等，如圖16所示。系統中工作鏡體位置的直接測量，且不會對FSM增加額外的測量阻擾［30］;電容傳感器和電渦流傳感器的類似，均屬于非接觸式測量。它憑借測量精度高、響應速度快、探頭體積小等突出優點，已被越來越多地應用于FSM系統中［9］。但高精度的電容傳感器價格昂貴，且存在嚴重的溫度漂移現象，成了限制其推廣應用的主要因素;PSD與四象限探測器類似，都無法直接進行反射鏡位置的測量。具體的測量方法是:指示激光經反射鏡折轉后，由探測器接收，間接實現FSM系統的位置測量與反饋。由于探測器的分辨力有限，因此，它的測量精度與指示激光的光程有關。且探測器距離反射鏡越遠，測量精度越高。所以這種測量方式的組成更為復雜，所占的空間更大，不利于外場實驗和 FSM 系統的小型化［30，39］。

此外，壓電陶瓷驅動的FSM也常常采用電阻應變片與外部電阻構成雙臂電橋來實現壓電陶瓷伸縮位移的測量，進而間接獲得反射鏡的位置信息。這種測量方式簡單易行、成本低，順應了FSM驅動傳感一體化、小型化的發展趨勢。但測量電路較為復雜，傳感器的標定效果對系統的測量精度影響較大。并且，當溫度發生變化時，測量結果可能出現較大的偏差。

4.4.2 測量元件的排布方式

圖17所示為直接測量式位置傳感器在雙軸FSM系統中的排布方式。為了實現雙軸FSM在兩維方向上運動的閉環控制，至少需要2個傳感器來實現各自位置信息的測量，如圖17(a)所示，2個傳感器分別布置在2個軸線上。為了進一步提高FSM系統的測量精度，采用每一維方向各布置2個傳感器來實現工作鏡體在該方向上角位移的測量，以消除工作鏡體因軸向位移帶來的誤差，如圖17(b)所示。此外，為了進一步壓縮FSM的體積，常采用在4個驅動器對稱線上均勻布置4個傳感器的方式來實現FSM系統2個方向上位置信息的測量，如圖17(c)所示。如此布置，不僅使FSM的結構更加緊湊，而且每個驅動器的運動位移均由兩側的2個位置傳感器差分獲得，工作鏡體在每個方向上的運動角度

圖16 FSM用位置測量傳感器Fig.16 Position measure sensors used in FSMs

4.4.1 測量元件分析

光柵測微儀具有測量精度高、分辨力大、響應速度快以及環境適應性強等突出優點，廣泛應用于工程測量中，但它的體積偏大，不利于FSM系統的小型化［21］;電渦流傳感器具有結構簡單、靈敏度高、抗干擾能力強等優點，屬于非接觸測量方式，可用于FSM均由4個位置傳感器差分獲得，因此，大幅度提高了FSM系統的測量精度。

圖17 雙軸FSM傳感器的排布方式Fig.17 Sensor arrange styles of FSM with double axes

4.5 控制系統

控制系統主要用來控制FSM實現定位或快速偏轉等功能，可采用模擬控制器或數字控制器來實現。其中，模擬控制器具有帶寬大、分辨率高、設計簡單等優點，但存在元件老化、溫度漂移等缺陷。而數字控制器不僅實現方便、靈敏度高、抗干擾能力強，而且精度不受噪聲、漂移等的影響，尤其在實現復雜控制規律方面具有模擬控制器無可比擬的優勢，因此被越來越多的應用于FSM系統的控制。

在數字控制算法方面，選擇什么樣的控制方案并沒有一個絕對的依據，主要以提高系統的控制帶寬和穩定性為最終目的。目前采用比較多的是PID控制算法，并通過理論計算、實驗分析、參數自尋等手段，獲得最佳的PID控制參數。同時，輔以剔野值算法、濾波算法等，以實現FSM系統較好的控制效果。此外，隨著不同結構形式及功能用途FSM的出現，在傳統PID控制算法的基礎上發展了不完全微分PID算法、模糊PID算法等，也取得了良好的控制效果。

5 結論

隨著FSM系統應用領域的進一步拓寬，對大口徑、大角度、高承載、高響應速度FSM的需求也越來越多。為了適應這些應用需求，FSM呈現出多元化的發展趨勢。

在驅動方式上，壓電陶瓷和音圈電機憑借其高精度、高分辨率、高響應速度等優點，依然是FSM系統驅動元件的首選。在工作鏡體的設計方面，選擇比剛度高、散熱性好的新型材料，并進行合理的輕量化結構設計，以適應FSM向大口徑、高響應方向發展的趨勢。在支撐鉸鏈選擇上，為了克服現有柔性無軸式結構承載能力不足的缺陷，針對柔性鉸鏈的研究依然是熱點。同時，為了從根本上改善柔性無軸式FSM的環境適應性，新型剛性承載式FSM也越來越受到重視。在測量元件方面，采用小體積、高精度、高響應、易于集成的微位移傳感器成為主流。在控制系統方面，采用高運算速度的DSP處理器，結合先進的控制算法，以實現FSM系統更優的控制精度和動態響應性能。

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