摘要： 概述了快速反射镜的作用， 分析了框架式和柔性轴形式两种结构以及国内外研究现状， 并且对其发展方向提出了理论指导。
1引言
在光学跟踪和测量系统中，山于大口径望远镜惯量大、频带窄、响应慢，要求直接实现快速高精度跟踪是极其困难的。要保证对加速度目标进行高精度的跟踪和测量，必须有一个精密的跟踪系统，山粗跟踪和精跟踪两部分构成的复合轴系统是实现精密跟踪的一种行之有效的途径，复合轴的结构如图1所示。粗跟踪系统山伺服系统驭动，可作为俯仰与旋转运动的转台;精跟踪系统是采用在大惯量跟踪架上安装一个高低方位可微动的反射镜。精跟踪反射镜称为子轴反射镜，也称为快速控制反射镜(Fast Steering Mirror简写FSM )。快速控制反射镜是近几年发展起来的一种精密跟踪技术手段.用以控制发射和接受光轴的方向，对光束到达方向的变化进行校正，即光束波前畸变整体倾斜模的校正。它与平系统共同构成复合轴跟踪系统，平要用于校正平系统的跟踪误差及风知、地基、机架和大气等干扰引起的视轴抖动。而且由于其结构具有行程小、谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点， 可以弥补平系统的小足，实现大范围的快速高精度跟踪。
2快速控制反射镜的结构分析
国内外都在大力开展快速控制反射镜FSM的研制。其结构形式平要分为两种:一种为X-Y轴框架形式，也称为有轴系结构;另一种为柔性轴形式，或者称为无轴系形式，其特点是:没有机械轴承限制运动物体的6个自由度，但是其某几个角度具有很好的柔性，而且该结构没有摩擦力矩。
2.1框架式(X-Y轴)
该跟踪架是两轴结构形式，方位轴和俯仰轴分别与地轴平行和垂直，如Ixl 2所示。视轴，即光学或光电传感器的光轴，架设在俯仰轴上，并与水平轴严格地垂直。它的突出优点是跟踪区域覆盖所有大顶区，无大顶盲区，但在观察和测量接近两极的目标时受到限制，然而山于FSM结构行程小，所以并不影响FSM的跟踪范围。反射镜支承采用精密轴 系，外框架轴系的轴承座固定在底板上，镶嵌有子反射镜的内框架轴系安装在外框架上。内外框架的一维转角运动的驭动执行元件是直线电机，即一维转角运动用高度和方位直线电机驭动。子反射镜转角位置山光电自准测角仪实时检测，测角仪在高低和方位两个转角方向上各装一套，完成二维角位置检测。内外框架的一维转角运动的测速元件是直流测速机，但由于测速机体积和摩擦力知大，导致结构的惯量和摩擦力矩大，从而使控制系统存在严重的非线性.很难实现精密跟踪。
2.2柔性轴形式[f21
柔性FSM结构主要包括:基座、反射镜、驱动器、弹性元件和反射镜支撑结构。机械系统的设计平要为满足光学系统的需要。柔性支撑系统的反射镜基座非常重要，它必须具有足够的刚度以便驭动器的反作用力小激发基座的振动模态，有时必须提供一些形式的补偿，如加一个质量补偿块。弹性支撑系统维持反射镜的支撑方式、分配变形JI限制在6个自由度上的运动。为避免驭动器过载，弹性支撑系统一定要有足够的“柔度”，但这个系统也一定要有足够的“刚度”，从而获得需要的快速响应性能。即在期望的运动方向刚度非常小，但在被限制的运动方向刚度足够大，日‘机械滞后要求非常小。山于反射镜的外壳、镜座和弹性元件是在同一种金属上加工而成的，所以它们之间的热膨胀系数必须相互一致，同时要抑制金属的蠕变和疲劳特性。此外，必须考虑6个自由度的运动范围和弹性系统弹力的适当平衡。
反射镜可以是光学玻璃反射镜或金属反射镜。玻璃反射镜价格低、质量好，但是缺乏金属反射镜的设计灵活性。许多反射镜使用具有高强度/质量比的反射镜材料，例如被、一氧化硅，这些材料的刚度(杨氏模量/密度)是普通光学玻璃如BK和普通结构金属如铝、镁、钢的4~6倍。对反射镜的设计必须同时满足机械要求和光学要求。光学要求是以反射镜的通光口径和波向差来衡量，口径的大小是被引导光束大小和反射镜对制造误差和校正误差累加的容忍度的函数，在静态和动态条件卜，波向差与山反射镜平而度误差引起的光束质量降低有关。机械要求是反射镜质量要尽量小，以提高结构谐振频率。虽然反射镜厚度和口径尺寸尽可能的大，可满足光学需求，但是增加的转动惯量与电机设计和相关控制系统的目的是相悖的。在这种情况下，许多反射镜的设计必须通过有限元分析(FEA)决定。为提高运动精度，马这动器一般采用音圈电机或压电陶瓷(PZT)。音圈电机山线圈和永磁铁构成，通过调节线圈电流的幅值、频率和方向，可以实现精确的推拉运动。音圈电机的驭动电压较低，一般只有十几伏，移动范围大，可达几毫米，缺点是响应频率低，用它构成的控制系统频带都在100Hz以下。PZT一般山封装在钢管内的层异压电材料组成，通过可调的高压信号，PZT可以产生小的位移，响应频率高达几千赫兹，所以用它驭动的系统频带可达几百赫兹。它的控制电压为几百伏至上千伏，负载力可达4~5kg，移动范围为士40~50um ,,平要缺点是运动范围小日‘有滞后，在压制时必须进行机械预载。所以，若高频、负载力大和运动范围小，则选择PZT马这动FSM;若运动范围大和负载力低则选择音圈电机
柔性FSM有两种运动方式:一维(单轴驭动)运动方式和一维(双轴驭动)运动方式。单轴驭动是指快速控制反射镜绕控制轴旋转，其跟踪范围即反射镜偏转的最大范围确定了能补偿的范围。根据驭动器数量小同又可分为单驭动器单驭动轴反射镜和双驭动器单驭动轴反射镜。双轴驭动是指反射镜可以在高低和方位两个方向微调，以补偿平系统的跟踪误差。
3国内外快速控制反射镜的研究现状
国内目前所采用的FSM结构形式一般为有轴系形式，其结构形式多样，但功能相似，如某光电跟踪系统的复合轴结构中的FSM装置，采用的是X-Y轴系内外框架结构(极轴)形式;在国外基木是无轴系的，如己研制出的ESO望远镜所用的4in100 )直径的反射镜系统和在夏威夷岛2m望远镜上使用的8.3in反射镜系统国内外柔性快速控制反射镜的结构有以下几种 形式
(l)单驭动轴快速控制反射镜
图3给出一个简单的单轴反射镜结构。在这个结构中，反射镜山单柔性轴支撑单驭动器驭动，柔性轴联结在支点和预载荷两者之间，以保持驭动器一端和镜座之间的平衡。这个设计的优点是:可直接加工且费用低，但如果超过一定的温度范围，角度稳定性则成为平要问题，这时可以使用双驭动器反射镜结构(如图4所示)。
图4所示的结构对温度稳定性更好。该设计的特点是:以推拉方式操作两个PZT马这动器来支撑反射镜。反射镜的外壳、镜座和柔性部分结构是通过FEA用电火花加工(EDM)技术在同一种金属上加工而成，其柔性部分没有摩擦且控制精度高。
(2)双轴驭动快速控制反射镜
a.三驱动器双马这动轴结构
反射镜由3个对称分布在一个三角形上的PZT支撑(见图5)。山于单个PZT的膨胀将影响绕水平轴和俯仰轴的旋转，因此需要软件或硬件的坐标转换。通过这样安排，温度的变化仅影响反射镜的垂直位置，对角度的位置没有影响。与其他使用小同数量驭动器的结构相似.二马这动器结构在一定温度范围内表现出了非常好的角度稳定性。此结构还有一个优点是:除了倾刹一运动，它还具有允许反射镜的平动垂直控制(活塞式运动)—干涉测量应用和光程误差校正的一个重要特点。
b.四驱动器双驱动轴结构
反射镜由4个(两对)间隔900对称分布的PZT支撑(见图6)。每对驭动器作为一个单元以推拉方式工作。该结构小需要坐标变换，但驭动器在机械结构上是超自山度的，因此在加工和安装时需要非常高的精度。当小通电时.反射镜停留在中心位置
4结论
总之，为满足实际应用的需求，使精跟踪系统更加稳定，需要进一步提高快速控制反射镜的功能和性能指标。对于有轴系FSM，机械结构是其高带宽性能的平要影响因素，而伺服回路所使用的检测元件体积重量较大，导致结构惯量、摩擦力知大，所以需要改进检测方法或使用其他的检测元件，以提高跟踪架的结构刚度，降低轴承摩擦力知和小平衡力知。同时，在反射镜的材料和加工工艺上采取措施，提高光束质量，减轻反射镜及其内外框架的重量，减小非线性因素提高子反射镜的谐振频率和传感器的带宽，使系统取得优良的性能。无轴系FSM代表了一类正在发展的，为解决光束控制和稳定性的设计方案。柔性轴这一创新设计使能源损耗降低，运动范围扩大，在没有变形的自山度方向却保持大的刚度。一般来说，运动的类型和范围、动态响应、反射镜口径和反射镜平而度公差限定了发展反射镜的柔性系统、电机类型及控制系统的解决空间，但有特效刚度的材料如被，能为金属反射镜的设计拓展更大的空间，而日‘也可以将减轻应用到金属反射镜的设计中，以使结构性能优化，选择的电机及其控制系统的频率响应最大。山于其没有摩擦力矩，控制精度高，能够实现快速高精度的捕获和跟踪，综合性能优于有轴系，因而是快速控制反射镜研制的重要部分。
参考资料:
I1]陈娟.光电经纬仪数字伺服控制技术[z].长春光机所内部资料，2004.
[2]王永辉.快速控制反射镜结构及其动态特性的研究[D]，国科学院长春光机所，2004.
