基于環(huán)形放大機構(gòu)的透鏡驅(qū)動裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于透鏡驅(qū)動裝置，應(yīng)用于光學系統(tǒng)中光學透鏡、反射鏡等光學元件的軸向掃描或平面轉(zhuǎn)動，具體涉及一種基于環(huán)形放大機構(gòu)的透鏡驅(qū)動裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]基于電致位移驅(qū)動器件的透鏡驅(qū)動裝置，具有驅(qū)動力大、響應(yīng)速度快、定位精度高等優(yōu)點，在光學調(diào)整、超高分辨率光學探測、生物熒光顯微、細胞三維成像、超精密加工等領(lǐng)域中有非常重要的應(yīng)用。隨著生物光子學成像領(lǐng)域的發(fā)展，光學顯微系統(tǒng)對于樣品掃描速度的要求越來越高，掃描速度要達到KHz量級。常用的移動物鏡法，即通過驅(qū)動物鏡軸向移動，改變焦點位置，達到掃描的目的，此方法受到物鏡自身重量產(chǎn)生的機械慣性限制，掃描速度比較低。而通過特殊的光學設(shè)計，驅(qū)動物鏡中少數(shù)鏡片即可實現(xiàn)軸向掃描的功能，因物鏡鏡片很輕，可以實現(xiàn)高速掃描。壓電陶瓷驅(qū)動器的工作行程受壓電陶瓷本身的限制，一般需要位移放大機構(gòu)進行工作行程放大。目前國內(nèi)外最常用的微位移放大機構(gòu)主要有杠桿放大機構(gòu)、對稱放大機構(gòu)和橋型放大機構(gòu)等，這些位移放大機構(gòu)位移放大倍率有限，體積較大，安裝過程中容易引入誤差，工作時產(chǎn)生的摩擦也容易影響響應(yīng)速度?；谶@幾種放大機構(gòu)的透鏡驅(qū)動裝置，也很難同時達到定位精度高、掃描速度快、掃描范圍大、體積小等要求。因此，在保證高定位分辨率、大掃描范圍的前提下，設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、掃描速度快、綜合多功能的透鏡驅(qū)動裝置具有重要的意義，可廣泛應(yīng)用于前沿科學和工程技術(shù)領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于環(huán)形放大機構(gòu)的透鏡驅(qū)動裝置及方法，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，軸向掃描速度快，掃描范圍大。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:基于環(huán)形放大機構(gòu)的透鏡驅(qū)動裝置，包括依次相連的位移輸出平臺、環(huán)形位移放大機構(gòu)、支撐殼體，支撐殼體還通過位移驅(qū)動器件與環(huán)形位移放大機構(gòu)接觸。
[0005]所述的透鏡驅(qū)動裝置，位移驅(qū)動器件還與驅(qū)動控制系統(tǒng)相連。
[0006]所述的透鏡驅(qū)動裝置，位移驅(qū)動器件另一端與設(shè)置在支撐殼體底端的預(yù)緊螺絲接觸。
[0007]所述的透鏡驅(qū)動裝置，支撐殼體為中空圓筒形，環(huán)形位移放大機構(gòu)、位移驅(qū)動器件、預(yù)緊螺絲包含三組，沿支撐殼體軸線對稱布置。
[0008]所述的透鏡驅(qū)動裝置，位移輸出平臺為圓環(huán)狀。
[0009]所述的透鏡驅(qū)動裝置，環(huán)形位移放大機構(gòu)包括杠桿結(jié)構(gòu)，位移驅(qū)動器件的輸出位移由杠桿結(jié)構(gòu)放大后傳送至位移輸出平臺。
[0010]所述的透鏡驅(qū)動裝置，環(huán)形位移放大機構(gòu)包括第一杠桿結(jié)構(gòu)和第二杠桿結(jié)構(gòu)，第一杠桿結(jié)構(gòu)包括一級旋轉(zhuǎn)柔性鉸鏈、一級剛性片段和位移驅(qū)動器件，位移驅(qū)動器件的位移輸出端與一級剛性片段相接觸，一級旋轉(zhuǎn)柔性鉸鏈的一端連接支撐殼體的截面，另一端與一級剛性片段的一端相連，一級剛性片段的另一端作為位移輸出端；第二杠桿結(jié)構(gòu)包括一級位移輸出端柔性鉸鏈、二級剛性片段和二級旋轉(zhuǎn)柔性鉸鏈，一級位移輸出端柔性鉸鏈的一端接至一級剛性片段的位移輸出端，一級位移輸出端柔性鉸鏈的另一端與二級剛性片段相連，二級剛性片段的一端通過二級旋轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與支撐殼體的一個截面相連，二級剛性片段的另一端作為位移輸出端，通過二級位移輸出端柔性鉸鏈與位移輸出平臺的底面相連。
[0011]所述的透鏡驅(qū)動裝置，位移輸出平臺、環(huán)形位移放大機構(gòu)、支撐殼體由一個厚壁圓筒形鋼件通過線切割一體加工而成。
[0012]所述的透鏡驅(qū)動裝置，所述位移驅(qū)動器件為堆疊型壓電陶瓷驅(qū)動器、雙晶片彎曲型壓電陶瓷驅(qū)動器或其他電致位移驅(qū)動器件。
[0013]基于環(huán)形放大機構(gòu)的透鏡驅(qū)動方法，首先調(diào)整預(yù)緊螺絲、環(huán)形位移放大機構(gòu)的各接觸點、柔性鉸鏈的位置和各剛性片段的長度，從而調(diào)整整個環(huán)形位移放大機構(gòu)的位移放大倍率；再將支撐殼體和位移輸出平臺與光學系統(tǒng)或其他需要位移輸出的器件相連，由驅(qū)動控制系統(tǒng)單獨或同步控制各組位移驅(qū)動器件的形變量、振動頻率，以及各組位移驅(qū)動器件之間的響應(yīng)時間差；當驅(qū)動控制系統(tǒng)通過控制信號線給三組位移驅(qū)動器件提供響應(yīng)時間差為零的三組完全同步的控制信號，則三組位移驅(qū)動器件同步伸縮，通過環(huán)形位移放大機構(gòu)使得位移輸出平臺下截面的三個二級位移輸出端柔性鉸鏈產(chǎn)生相同的位移輸出，位移輸出平臺始終保持水平，并沿垂直方向軸向掃描；當驅(qū)動控制系統(tǒng)提供的三組控制信號在信號強度尚有一定差異，或三組信號間存在一定時差時，在同一時間點三組位移驅(qū)動器件的位移量不同，三個二級位移輸出端柔性鉸鏈輸出的位移量存在差異，使得位移輸出平臺相對于水平面旋轉(zhuǎn)一定的角度。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點及效果:
[0015]本發(fā)明使用環(huán)形位移放大機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，位移放大率高，運動傳遞連續(xù)無摩擦，利于模塊化安裝；三組驅(qū)動器件能單獨控制，位移輸出平臺可以實現(xiàn)沿z軸軸向掃描和沿X、y軸轉(zhuǎn)動，可提供較大的驅(qū)動力，軸向掃描速度快；位移輸出平臺上可安裝透鏡、反射鏡等光學元件，用途廣泛。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明裝置單元放大機構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明裝置單元放大機構(gòu)平面示意圖。
[0019]圖中，1:位移輸出平臺；2:環(huán)形位移放大機構(gòu)；3:位移驅(qū)動器件；4:支撐殼體；5:驅(qū)動控制系統(tǒng)；6:預(yù)緊螺絲；7:控制信號線；2a:二級位移輸出端柔性鉸鏈；2b:二級旋轉(zhuǎn)柔性鉸鏈；2c:二級剛性片段；2d:—級位移輸出端柔性鉸鏈；2e:—級剛性片段；2f:—級旋轉(zhuǎn)柔性鉸鏈。
【具體實施方式】
[0020]透鏡驅(qū)動裝置一般包括支撐殼體、位移驅(qū)動器件、位移放大機構(gòu)、位移輸出端。為進一步簡化透鏡驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)、提高軸向掃描速度、增大掃描范圍，本發(fā)明提供一種透鏡驅(qū)動裝置，利用一體加工技術(shù)和環(huán)形位移放大機構(gòu)簡化整體結(jié)構(gòu)、提高位移放大率、減小機械摩擦，分別控制三組中心對稱分布的位移驅(qū)動器件，可實現(xiàn)運動輸出平臺驅(qū)動透鏡進行快速大范圍軸向掃描或平面轉(zhuǎn)動。
[0021]下面結(jié)合實施例以及附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0022]本發(fā)明的基于環(huán)形放大機構(gòu)的透鏡驅(qū)動裝置，通過對位移驅(qū)動器件的控制，實現(xiàn)運動輸出平臺驅(qū)動透鏡進行快速大范圍軸向掃描。該透鏡驅(qū)動裝置包括:支撐殼體、環(huán)形位移放大機構(gòu)、位移輸出平臺、三組位移驅(qū)動器件、三組預(yù)緊螺絲以及驅(qū)動控制系統(tǒng)，其中所述支撐殼體與位移輸出平臺通過環(huán)形位移放大機構(gòu)連接，三者由一個厚壁圓筒形鋼件通過線切割一體加工而成；所述環(huán)形位移放大機構(gòu)由三個中心對稱分布的放大機構(gòu)組成，每個放大機構(gòu)利用杠桿放大原理對位移進行兩級放大；所述支撐殼體壁中沿殼體軸線呈120度角開有三個槽，用于安裝三組位移驅(qū)動器件；所述三組位移驅(qū)動器件沿殼體軸線中心對稱分布，一端與環(huán)形位移放大機構(gòu)的位移輸入端通過點接觸緊密連接，另一端與安裝于殼體底部的預(yù)緊螺絲緊密接觸；所述驅(qū)動控制系統(tǒng)與位移驅(qū)動器件相連接，并對位移驅(qū)動器件進行控制。
[0023]所述位移輸出平臺、環(huán)形位移放大機構(gòu)以及支撐殼體，由一整個筒形鋼件線切割一體加工而成，三者無縫連接。
[0024]所述環(huán)形位移放大機構(gòu)，包括三個結(jié)構(gòu)相同沿軸線中心對稱分布的放大機構(gòu)，每個放大機構(gòu)可單獨工作，并基于杠桿放大原理進行位移兩級放大。
[0025]所述三組位移驅(qū)動器件沿軸線中心對稱分布，每組位移驅(qū)動器件可由驅(qū)動控制系統(tǒng)單獨控制，通過同步控制或分別控制可驅(qū)動位移輸出平臺進行沿z軸軸向掃描和沿X、y軸轉(zhuǎn)動。
[0026]上述位移驅(qū)動器件可以為由多層陶瓷片串聯(lián)形成的堆疊型壓電陶瓷驅(qū)動器，彎曲型壓電陶瓷驅(qū)動器，或其他具有高響應(yīng)速度的電致位移驅(qū)動器件。
[0027]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例作進一步詳細描述:
[0028]如附圖1所示，本基于環(huán)形放大機構(gòu)的透鏡驅(qū)動裝置，由位移輸出平臺1、環(huán)形位移放大機構(gòu)2、三組位移驅(qū)動器件3、支撐殼體4、驅(qū)動控制系統(tǒng)5、三組預(yù)緊螺絲6以及控制信號線7組成；其中所述支撐殼體4與位移輸出平臺I通過環(huán)形位移放大機構(gòu)2連接，三者由一整個中空厚壁圓筒形鋼件通過線切割一體加工而成，各個結(jié)構(gòu)之間通過線切割產(chǎn)生的柔性鉸鏈連接；位移輸出平臺I呈圓環(huán)狀，支撐殼體4為中空圓筒狀；所述環(huán)形位移放大機構(gòu)2、位移驅(qū)動器件3和預(yù)緊螺絲6分別包含三組，且分別沿支撐殼體4的中軸線呈120度角對稱布置；所述支撐殼體4壁中沿殼體軸線呈120度角開有三個槽，用于安裝三組位移驅(qū)動器件3。
[0029]所述位移驅(qū)動器件3 —端與環(huán)形位移放大機構(gòu)2的位移輸入端通過點接