壓電驅(qū)動(dòng)水下微距調(diào)焦研究進(jìn)展

李 沖，梁 康，孫立寧

(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.蘇州大學(xué) 機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心, 江蘇 蘇州 215021)

0 引 言

海洋工程裝備是《中國制造2025》重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，是衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和核心競爭力的重要標(biāo)志，是實(shí)現(xiàn)國家海洋戰(zhàn)略的重要發(fā)展方向。水下微距相機(jī)作為海洋探測器在水下環(huán)境中近距拍攝細(xì)微目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，在海洋探測中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著海洋探測環(huán)境的復(fù)雜化和作業(yè)任務(wù)的精細(xì)化，為了保證相機(jī)具有較高的定位精度和圖像采集效果，要求微距調(diào)焦系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、高精度定位及不受環(huán)境干擾等性能。

微距調(diào)焦是用作微小距離下攝影的一種近距調(diào)焦方式，主要用于拍攝十分細(xì)微的物體，如海洋生物及海底不明物等。為了對距離極近目標(biāo)精確對焦，微距鏡頭要能夠拉伸得更長，以使光學(xué)中心盡可能遠(yuǎn)離感光元件。同時(shí)，在極近距離下，微距調(diào)焦還會(huì)受到不確定水下擾動(dòng)的干擾，加深了聚焦時(shí)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，使得微距相機(jī)的對焦更加困難，故而對調(diào)焦系統(tǒng)響應(yīng)速度和定位精度提出了更高要求。

目前相機(jī)微距調(diào)焦最常用的驅(qū)動(dòng)方式仍是采用電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而電磁電機(jī)相對較低的響應(yīng)特性是影響快速微距聚焦的關(guān)鍵因素之一。此外，海洋環(huán)境中不僅存在天然磁場而且還具有由于海水及探測器在地磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不同程度的感應(yīng)電磁場[1-2]，雖然海洋磁場對電磁電機(jī)的正常運(yùn)行影響很小，但在特定環(huán)境下其對微距調(diào)焦系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性仍會(huì)產(chǎn)生微弱干擾。因此，可通過改變微距調(diào)焦驅(qū)動(dòng)方式來應(yīng)對瞬息萬變的水下微距攝像環(huán)境。可選驅(qū)動(dòng)方式有靜電驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)等，其中壓電驅(qū)動(dòng)兼具響應(yīng)速度快(響應(yīng)時(shí)間<1ms)、定位精度高(納米級)、能量密度高、輸出效率高及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)鏡頭驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用越來越廣泛[3-4]，而日本佳能公司則是最早將壓電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)的典型案例。

鑒于上述背景，本文將對壓電驅(qū)動(dòng)在相機(jī)調(diào)焦中的應(yīng)用進(jìn)行分析、研究和總結(jié)，提出了一種用于水下細(xì)微目標(biāo)聚焦的壓電驅(qū)動(dòng)微距調(diào)焦系統(tǒng)，并為壓電驅(qū)動(dòng)在水下微距調(diào)焦中的應(yīng)用提出建議。

1 壓電驅(qū)動(dòng)在調(diào)焦應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

壓電陶瓷作為一種智能材料，因具有遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的毫秒級響應(yīng)速度和納米級定位精度，而在微型機(jī)器人、精密定位系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程及航空航天等精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[5-8]。

1.1 國外壓電調(diào)焦研究現(xiàn)狀

相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)是壓電驅(qū)動(dòng)在精密定位領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用，在水下環(huán)境中，萬物均處于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化中，水下相機(jī)采集近距細(xì)微目標(biāo)圖像的效果取決于微距調(diào)焦系統(tǒng)的響應(yīng)速度及定位精度。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者在調(diào)焦系統(tǒng)壓電驅(qū)動(dòng)方面取得眾多有價(jià)值的研究成果。日本佳能公司早在1987年就將自主研發(fā)的環(huán)狀壓電超聲電機(jī)應(yīng)用于EOS相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，如圖1所示，壓電驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用不僅使相機(jī)能夠快速聚焦，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了相機(jī)結(jié)構(gòu)簡化和重量減輕，目前佳能已在30多種型號(hào)的相機(jī)中安裝了壓電電機(jī)[9]。

圖1 佳能相機(jī)鏡頭

2002年，賓夕法尼亞州立大學(xué)學(xué)者Burhanettin Koc等[10]研制出一種采用金屬柱體彎曲振動(dòng)模態(tài)的單相驅(qū)動(dòng)微型壓電超聲電機(jī)，被韓國三星公司成功應(yīng)用于手機(jī)相機(jī)的調(diào)焦系統(tǒng)中。隨后，Sigma、Nikon、Pantex等公司也采用壓電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)相機(jī)調(diào)焦。近年來，學(xué)者對于應(yīng)用壓電驅(qū)動(dòng)各種光學(xué)鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)的研究熱度逐漸增加，日本學(xué)者M(jìn)asahiko Hoshina等[11]應(yīng)用一種球狀壓電超聲電機(jī)進(jìn)行管內(nèi)檢查相機(jī)的定位和驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)能夠沿管子進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。澳大利亞A. Michael等[12]利用8只長800 μm、厚1.5 μm的壓電薄膜設(shè)計(jì)了一種用于面外微鏡頭移動(dòng)的作動(dòng)器，如圖3所示，該作動(dòng)器通過壓電薄膜的彎曲彈性變形驅(qū)動(dòng)微型鏡頭運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)24 μm的靜態(tài)面外位移，與其他鏡頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的響應(yīng)頻率，適合快速作動(dòng)。

圖2 球形相機(jī)定位系統(tǒng)

圖3 微型鏡頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)

基于壓電驅(qū)動(dòng)，美國Nazmul Hasan等[13]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)聚焦自適應(yīng)眼鏡，該眼鏡對于改善目前人們的視力退化具有重要的實(shí)用價(jià)值，如圖4所示。根據(jù)手機(jī)相機(jī)拍照所需的高可控性和自動(dòng)聚焦特點(diǎn)，韓國Hyun-Phill Ko等[14]研制出一種用于手機(jī)相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦的壓電作動(dòng)器，如圖5所示，在聚焦時(shí)，壓電作動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間僅為自動(dòng)聚焦時(shí)間的1%，且僅僅當(dāng)其工作時(shí)才消耗能量，平均瞬時(shí)功率僅為65 mW，在能量轉(zhuǎn)化效率方面遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電磁機(jī)構(gòu)。

圖4 可調(diào)焦眼鏡鏡片

圖5 手機(jī)自動(dòng)調(diào)焦鏡頭

1.2 國內(nèi)壓電調(diào)焦研究現(xiàn)狀

雖然國外在相機(jī)調(diào)焦壓電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，但近年來國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者在壓電調(diào)焦方面亦獲得迅猛發(fā)展，典型代表有中科院長春光機(jī)所、南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等。由于在激光直接寫入設(shè)備中需要有高分辨力的調(diào)焦機(jī)構(gòu)對光刻物鏡進(jìn)行調(diào)焦，中科院長春光機(jī)所劉偉等[15]基于壓電驅(qū)動(dòng)研制了一種用于激光直接寫入設(shè)備的調(diào)焦伺服機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的分辨力為10 nm，行程為10 μm，導(dǎo)向精度1.37″，是適合納米定位的理想調(diào)焦機(jī)構(gòu)。針對膠囊內(nèi)置鏡頭的運(yùn)動(dòng)控制的要求，南京航空航天大學(xué)王皆宸等[16]設(shè)計(jì)了一種基于螺紋型壓電超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的直線前進(jìn)速度和后退速度分別為137.3 μm/s和164.5 μm/s，直線行程超過5 mm，且該調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、有良好的精密定位能力，又因采用壓電驅(qū)動(dòng)，該醫(yī)療設(shè)備可與核磁共振成像MRI相兼容。

清華大學(xué)周鐵英團(tuán)隊(duì)[17]設(shè)計(jì)和制造了一種螺母型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的集成透鏡調(diào)焦系統(tǒng)，如圖6所示，該系統(tǒng)以光學(xué)鏡頭作為轉(zhuǎn)子，粘有壓電元件的多面體銅管作為定子，成像傳感器安放在定子軸的底部，驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子的外螺紋與定子的內(nèi)螺紋相互嚙合，該系統(tǒng)工作時(shí)功耗小于0.25 W，靜止時(shí)功耗為0，調(diào)焦精度小于10 μm，響應(yīng)時(shí)間小于10 ms。北京大學(xué)董蜀湘團(tuán)隊(duì)[18]研制一種螺旋傳動(dòng)壓電微電機(jī)用于微型相機(jī)自動(dòng)聚焦和變焦，如圖7所示，該系統(tǒng)由中空壓電定子作為螺母定子，中空轉(zhuǎn)子和鏡頭相連作為螺柱，沿軸向產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)透鏡自動(dòng)調(diào)焦。

圖6 清華大學(xué)研制壓電調(diào)焦系統(tǒng)

圖7 北京大學(xué)研制壓電調(diào)焦系統(tǒng)

2 壓電調(diào)焦機(jī)構(gòu)耦合動(dòng)態(tài)特性研究現(xiàn)狀

壓電調(diào)焦機(jī)構(gòu)/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)或工作環(huán)境間的耦合，會(huì)對其動(dòng)態(tài)輸出特性產(chǎn)生重要影響，造成系統(tǒng)定位精度降低和穩(wěn)定性減弱，針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，取得眾多創(chuàng)新性成果。新加坡國立大學(xué)Zou Yongchao等[19]對基于壓電驅(qū)動(dòng)可調(diào)焦內(nèi)窺鏡進(jìn)行了動(dòng)態(tài)調(diào)焦特性分析，同時(shí)對可調(diào)焦鏡頭的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度進(jìn)行了測試。考慮梯度彈性、壓電效應(yīng)和撓曲電效應(yīng)，突尼斯Baroudi等[20]利用哈密頓原理建立了壓電撓曲電納米梁的多場耦合動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過伽遼金假設(shè)模態(tài)法推導(dǎo)了耦合系統(tǒng)的機(jī)電耦合方程及邊界條件。法國學(xué)者Cardoso-Ribeiro等[21]對壓電激勵(lì)下的流-固耦合系統(tǒng)進(jìn)行了建模與分析，通過簡化問題分析求解、數(shù)值近似方法和系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)三種方法獲得了系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，結(jié)果顯示理論求解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

此外，為了提高激光直寫調(diào)焦系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，浙江大學(xué)閆瑋等[23]從彈性力學(xué)角度出發(fā)，對壓電調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性建模，并全面分析了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，緩解了系統(tǒng)相位滯后的問題，從而使系統(tǒng)獲得了較好的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。清華大學(xué)陳柱子和陳宇[24]對一種可用于鏡頭調(diào)焦和變焦的面內(nèi)彎曲行波壓電超聲電機(jī)進(jìn)行了模態(tài)特性分析，求解了不同模態(tài)下的響應(yīng)相位，分析了壓電行波驅(qū)動(dòng)機(jī)理。

3 壓電調(diào)焦機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

對于壓電驅(qū)動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的性能是影響其響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，因此，國內(nèi)外學(xué)者對于提高調(diào)焦系統(tǒng)的控制性能方面進(jìn)行了大量研究。澳大利亞Yik R. Teo等[25]基于積分力反饋構(gòu)建了一種PI跟蹤控制器，通過壓電物鏡定位器驗(yàn)證了該種控制器的控制效果，結(jié)果顯示其頻率跟蹤帶寬可達(dá)255 Hz。此外，Michael等[26]利用由光學(xué)位移傳感器、帶有反饋增益的90°移相器和正向通路作動(dòng)器構(gòu)成的反饋系統(tǒng)對快速壓電微鏡頭作動(dòng)器進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)控制，在驅(qū)動(dòng)頻率為750 Hz時(shí)，驅(qū)動(dòng)器最小開關(guān)時(shí)間僅為2.5 ms。美國Xu Jiawen等[27]對基于壓電超材料梯度指數(shù)的聚焦聲波可調(diào)鏡頭進(jìn)行自適應(yīng)控制，通過調(diào)整RL電路的感性負(fù)載實(shí)現(xiàn)橫波自適應(yīng)聚焦。

國內(nèi)中科院上海光機(jī)所、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)等單位對壓電驅(qū)動(dòng)鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)進(jìn)行了控制策略研究。為了提高共焦差動(dòng)并行激光直寫中光束刻寫質(zhì)量，中科院上海光機(jī)所周常河團(tuán)隊(duì)[28]設(shè)計(jì)了調(diào)平聚焦伺服控制系統(tǒng)，利用差動(dòng)像散檢測方法和比例積分微分(PID)反饋算法減少光源和外部干擾的誤差，獲得高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性的探測曲線，通過動(dòng)態(tài)聚焦壓電陶瓷伸長量可保證在焦深范圍內(nèi)焦點(diǎn)位置辨別精度可達(dá)納米級，調(diào)焦平臺(tái)的傾斜角和俯仰角在1×10-5rad左右。南京航空航天大學(xué)潘松等[29]采用傳統(tǒng)比例-積分-微分控制(PID)和模糊控制提出了超聲電機(jī)直驅(qū)的電動(dòng)物鏡并行切換控制策略，將兩者結(jié)合建立了宏微相融合的預(yù)測控制方法，實(shí)現(xiàn)了物鏡轉(zhuǎn)換器的高精度、快速切換控制，電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器的重復(fù)定位誤差小于0.015°。上海交通大學(xué)程昊、胡潔[30]使用壓電陶瓷作為對焦運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制相結(jié)合的方式來控制數(shù)字化顯微系統(tǒng)對焦運(yùn)動(dòng)，新型對焦技術(shù)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用大幅提高了對焦速度。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)戴一帆團(tuán)隊(duì)[31]針對橫向壓電驅(qū)動(dòng)變形鏡的遲滯特性，設(shè)計(jì)了靜態(tài)的PID閉環(huán)校正系統(tǒng)，并進(jìn)行了校正實(shí)驗(yàn)，閉環(huán)校正后線性度得到明顯提升，遲滯率可降低至1.8%。針對數(shù)字共焦顯微技術(shù)中壓電陶瓷物鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，廣西大學(xué)陳華等[32]分析了模糊PID控制器的控制性能，提出了離線優(yōu)化思想，經(jīng)優(yōu)化的初始參數(shù)配置于模糊PID控制中，對系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)反饋調(diào)整，控制系統(tǒng)進(jìn)行步進(jìn)定位驅(qū)動(dòng)，采用該種方法提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 目前存在的問題與不足

從已有的成果可知，雖然國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者在壓電驅(qū)動(dòng)調(diào)焦領(lǐng)域已取得眾多有價(jià)值的成果，但在水下微距調(diào)焦應(yīng)用方面仍存在如下問題與不足：

(1)壓電驅(qū)動(dòng)在調(diào)焦機(jī)構(gòu)中的成熟應(yīng)用大多集中在民用相機(jī)調(diào)焦、顯微鏡物鏡調(diào)焦、手機(jī)相機(jī)調(diào)焦等領(lǐng)域，而在水下環(huán)境微距調(diào)焦應(yīng)用中仍存在不確定擾動(dòng)引起的聚焦困難以及調(diào)焦系統(tǒng)耦合振動(dòng)造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。

(2)目前調(diào)焦系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究大多只考慮系統(tǒng)自身的動(dòng)力學(xué)特性以及結(jié)構(gòu)與壓電之間的耦合特性，而基于不確定水下擾動(dòng)載荷作用下微距調(diào)焦系統(tǒng)的機(jī)電耦合動(dòng)態(tài)特性問題需要進(jìn)行深入研究。

(3)調(diào)焦系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制目前采用PID控制或者PID控制與模糊控制、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的形式，PID控制器是一種有源校正裝置，其控制的質(zhì)量對受控對象的變化不太敏感，受到外界擾動(dòng)尤其是外界負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，受控對象特性會(huì)發(fā)生很大變化，由于水下環(huán)境中存在眾多不確定擾動(dòng)，PID控制無法根據(jù)微距調(diào)焦系統(tǒng)受到的不穩(wěn)定載荷做出調(diào)整。

5 未來發(fā)展趨勢

根據(jù)壓電驅(qū)動(dòng)在水下微距調(diào)焦應(yīng)用中存在的問題和不足，可總結(jié)出其未來發(fā)展趨勢：

(1)各種適合水下環(huán)境中應(yīng)用的壓電調(diào)焦機(jī)構(gòu)需求越來越廣泛，由特定使用環(huán)境帶來的微距調(diào)焦機(jī)構(gòu)的密封、抗干擾性等問題在未來會(huì)越來越受到專家學(xué)者的關(guān)注。

(2)擾動(dòng)載荷激勵(lì)下微距調(diào)焦系統(tǒng)壓電與結(jié)構(gòu)間的相互耦合作用以及系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)間耦合度的弱化問題是影響壓電驅(qū)動(dòng)水下微距調(diào)焦機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵因素，是壓電驅(qū)動(dòng)在水下環(huán)境應(yīng)用中不可避免的問題，也是未來研究的重點(diǎn)方向之一。

(3)不確定水下擾動(dòng)對微距調(diào)焦控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響是實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)水下微距調(diào)焦系統(tǒng)高精度穩(wěn)定控制的難度，同時(shí)也是學(xué)者在未來需要著重研究的重點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)水下微距調(diào)焦機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)、高精度定位和大位移調(diào)焦，本文提出了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)的微距調(diào)焦機(jī)構(gòu)，工作原理如圖8所示，該系統(tǒng)集壓電驅(qū)動(dòng)、諧波傳動(dòng)、精密活齒傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)于一體，壓電微距調(diào)焦系統(tǒng)由四路相位依次相差π/2的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)，通過柔性鉸鏈位移放大作用后，形成連續(xù)諧波，驅(qū)動(dòng)微型活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過螺旋傳動(dòng)，鏡頭獲得直線運(yùn)動(dòng)。

圖8 壓電驅(qū)動(dòng)水下微距調(diào)焦機(jī)構(gòu)

與其他壓電調(diào)焦機(jī)構(gòu)相比，本文提出的壓電微距調(diào)焦系統(tǒng)具有鏡頭移動(dòng)位移大、移動(dòng)速度可調(diào)、驅(qū)動(dòng)力大、驅(qū)動(dòng)及減速集成化、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定轉(zhuǎn)子間以及鏡頭連接支架與導(dǎo)軌之間滾動(dòng)接觸、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合水下細(xì)微目標(biāo)拍攝的微距調(diào)焦。

6 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展，海洋探測越來越受到國家的重視，水下微距相機(jī)作為在水下環(huán)境中近距海洋探測的關(guān)鍵設(shè)備，其性能對探測的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。為了保證相機(jī)具有較高的定位精度和圖像采集效果，具有快速響應(yīng)、高精度定位及不受環(huán)境干擾等性能的微距調(diào)焦機(jī)構(gòu)迫切需要研制出來，壓電驅(qū)動(dòng)因其自身優(yōu)點(diǎn)而成為高精度調(diào)焦機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的首選。壓電與水下環(huán)境的耦合問題以及擾動(dòng)對控制系統(tǒng)控制精度的影響是未來研究的重點(diǎn)。