基于壓電偏轉鏡的激光掃描系統(tǒng)設計

李永鋒，王 誠，穆讓修，李軍芳，劉曉英

（西安應用光學研究所 陜西 西安 710065）

激光束偏轉及其掃描在半導體加工、軍事探測、航空航天、生物醫(yī)學、納米科學研究等領域得到了越來越多的應用，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，出現了大量滿足不同應用需要的激光偏轉掃描器，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動，利用幾何光學的原理實現光束的偏轉，如多面轉鏡掃描器，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用。聲光掃描和電光掃描通過晶體的聲光、電光效應實現入射光的偏轉，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，光束質量差。二元光學掃描器掃描角度小，透過率低，在工程上的應用還不成熟。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，已經開始廣泛應用與各個行業(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或壓電陶瓷驅動器的快速偏轉鏡具有很高的諧振頻率，掃描角度小、分辨率高、線性度好，一般應用于自適應光學、光束跟蹤和穩(wěn)定等需要快速響應和小角度偏轉的領域。相比音圈和檢流計之類的驅動器，壓電陶瓷驅動的偏轉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動器直接驅動，多用于圖象處理/穩(wěn)定、激光掃描、通信、光線偏轉、光束偏轉/穩(wěn)定等系統(tǒng)[4]。

1 壓電偏轉鏡工作原理

壓電偏轉鏡主要由反射鏡、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，偏轉臺由兩對壓電陶瓷促動器（X軸和Y軸）驅動，呈90°空間排列，每對都以推拉模式支撐偏轉臺運動，實現偏轉臺的θX、θY任一角度的精密和快速的二維偏轉，緊密和零摩擦的鉸鏈導向結構，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化為旋轉運動，以推拉模式使偏轉臺繞X軸偏轉。繞Y軸偏轉的原理一樣。四個壓電陶瓷由一個橋結構連通，并由一個固定電壓和2個可變電壓驅動，這種結構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，經反射鏡反射，投射到掃描平面上的某一點p（x，y），設 θx 為反射鏡在 X 方向的偏轉角，θy 為反射鏡在 Y方向的偏轉角，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）時對應的 X、Y 軸的偏轉角分別為、，則有如下關系式：

圖1 壓電偏轉鏡工作原理圖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α后，Y軸不動，光束從O’點移動到A點。

反射鏡沿Y軸偏轉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（內部集成柔性鉸鏈、壓電陶瓷執(zhí)行機構、應變式傳感器）、控制器及擺鏡驅動器組成。

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

2.2.1 壓電驅動器

壓電驅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，通過功率驅動模塊內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動的要求；功率驅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。

擺鏡驅動組成如圖4所示，擺鏡驅動從外部輸入0~10 V的連續(xù)可調模擬信號，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)可調電壓信號送壓電陶瓷促進器。高壓穩(wěn)壓電路產生兩路電壓，一路為功率放大電路提供能量來源；一路產生穩(wěn)定的直流150 V輸出給壓電陶瓷促進器。

圖4 擺鏡驅動組成框圖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轉換電路輸入擺鏡下一位置的驅動信號，經數模轉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動控制造成影響，實現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變片傳感器或電容傳感器對壓電陶瓷驅動器的輸出位移進行檢測、采樣，通過信號轉換和A/D轉換送回控制系統(tǒng)，不斷地朝設定值進行反饋校正，以提高精度。

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

圖6 數模轉換電路圖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，壓電偏轉鏡為哈爾濱芯明天的XS-340.4SL型，二維壓電偏轉鏡，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]。

測試內容包括：偏轉范圍測試、偏轉分辨率測試、重復定位精度測試、線性度測試、動態(tài)性能測試等內容。

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，響應時間為20 ms。

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

4 結 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鏡分辯率高，重復定位精度高，在要求偏轉角度為mrad量級、分辨率要求urad量級的激光掃描系統(tǒng)中表現出很好的特性。

表1 測試結果Tab.1 Test result of the piezoelectric deflecting mirror

圖8 閉環(huán)階躍響應測試界面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)中精瞄偏轉鏡的設計[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.

[2]向思樺，陳四海.基于新型壓電驅動器的激光掃描器[J].紅外與激光工程2010，39（1）：67－70.XIANG Si-hua，CHEN Si-hai.Laser scanners based on novel piezoelectric actuators[J].Infrared and Laser Engineering，2010，39（1）:67-70.

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

[4]趙建偉，孫徐仁.低頻壓電陶瓷驅動器驅動電源研制[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)中的應用研究[J].應用光學，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.