CN102928978A - 一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，属于光电成像探测技术领域。所述的光束扫描机构包括两套光学组件，每套光学组件包括光学楔镜、镜框、大齿轮、小齿轮、电机、轴承、支架和测角码盘，所述的光学楔镜安装在镜框内部，镜框通过轴承安装在支架上，所述的镜框为圆筒状，一侧端面安装测角码盘，另一侧端面安装大齿轮，电机的齿轮轴通过小齿轮带动大齿轮的转动，实现对镜框上光学楔镜的驱动转动，两块光学楔镜分别驱动旋转实现光束扫描。本发明中光学楔镜的转动采用单独的传动驱动，两个楔镜的旋转控制没有相互耦合的影响，其运动速度、运动方向互不干涉，可以实现多扫描模式。

Description

一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构

技术领域

本发明属于光电成像探测技术领域，涉及一种利用双楔镜相对旋转实现光束大视场扫描的精密光机机构。

背景技术

精密光束扫描机构是光电成像探测技术领域的关键技术之一。精密光束扫描机构主要由扫描光学元件及其支撑以及驱动系统组成；根据采用的光学元件不同，可分为反射式光束扫描机构和透射式光束扫描机构。反射式光束扫描机构基于光线反射原理，扫描机构与光束发射或接收系统不可能同轴，系统复杂，扫描精度以及扫描轨迹稳定性较差；透射式扫描机构利用入射光束通过光学楔镜时，出射光束的方向会发生偏折，当楔镜绕固定轴旋转时，可以实现垂直入射的光束在出射时按照一定的轨迹扫描，透射式光束扫描机构一般与光束发射系统或光束接收系统同轴使用，扫描精度高，扫描轨迹稳定。在透射式光束扫描机构中，为了扩大光束扫描的视场以及丰富光束扫描的轨迹，可以采用两个楔镜组合扫描的方式，其原理如图1a～1c所示，当两个楔镜的相对位置发生变化时，入射光束经过两个楔镜的偏转角度也发生变化，从而实现光束扫描。

参考文献[1]（Hong-Ming Hong,Chung-Yee Leung,Hsien-Chuen Huang,Sheng-Jenn Yang,Tai-Ping Sun,Yuan-Liang Kao,Ray-Huar Liauh&Fu-Fa Lu,“Real-time Image Linearizationin a Rotating Prism-pair Scanning System by using Laser-diode EncodingTechniques,”in Optics and Lasers in Engineering,(1997),pp:467-477.）、参考文献[2]（DEGNANA.John J,“conceptual design for a spaceborne 3D imaging lidar,”GeoscienceTechnology Office,NASA Goddard Space Flight Center.）中研制了一种基于伞齿轮啮合传动的旋转双楔镜扫描机构，用于激光雷达三维成像技术。驱动电机通过伞齿轮传动副将力矩分别传递给两个楔镜组件，实现两个楔镜的逆向旋转，从而实现出射光束的扫描。

由于该机构中采用一台电机作为动力输出，采用一个主动伞齿轮传递扭矩，两个楔镜组件的驱动齿轮分别与主动伞齿轮啮合，所以两个楔镜只能实现同速反向旋转，扫描模式单一。

参考文献[3]（Craig R.Schwarze,Robert Vaillancourt,David Carlson,Elizabeth Schundler,Thomas Evans,and James R.Engel,“Risley-Prism Based Compact Laser Beam Steering forIRCM,Laser Communications,and Laser Radar”.）、参考文献[4]（Craig Schwarze,“A New Lookat Risley Prisms,”Photonics Spectra,June 2006.）研制了一种利用中空力矩电机驱动楔镜旋转的光束扫描机构，两台电机分别安装在两块楔镜的金属镜框上，各自直接驱动楔镜的旋转，其速度、转向可以分别控制，扫描精度高，扫描模式丰富，扫描轨迹稳定。由于中空力矩电机的内径尺寸有一定限制，该种光束扫描机构的光学楔镜尺寸不能做大，不能满足大口径扫描的需求。

发明内容

本发明针对大口径入射光束提出一种利用两组齿轮副啮合传动电机力矩，分别驱动两个光学楔镜旋转的光束扫描机构。该光束扫描机构中采用直流力矩电机驱动、直齿圆柱齿轮啮合传动、光学楔镜精密轴系支承以及光学楔镜可靠装夹、定位等技术，实现了大口径入射光束的多模式、高精度、轨迹稳定的扫描。

本发明提供的一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，所述的光束扫描机构包括两套光学组件，每套光学组件包括楔镜1、镜框2、大齿轮3、小齿轮4、电机5、轴承6、支架7和测角码盘8，所述的光学楔镜1安装在镜框2内部，镜框2通过轴承6安装在支架7上，在所述的镜框2为圆筒状，圆通一侧端面安装测角码盘8，另一侧端面安装大齿轮3；电机5的齿轮轴通过小齿轮4带动大齿轮3的转动，实现对镜框2上光学楔镜1的驱动转动，两块楔镜分别驱动旋转实现光束扫描。

本发明一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，优点在于：

1、本发明在光学楔镜的装夹方面，考虑在光学楔镜斜面上加工环形平面工艺方法，光学楔镜的压紧结构作用于环形平面上，从而避开光学楔镜的有效通光范围，减小压紧结构对光学楔镜通光面造成的压力变形；另外作用于环形平面的压紧结构可以采用螺纹旋紧的方式，压紧方便，可靠。

2、本发明在楔镜的镜框外侧设计和安装了精密回转轴系，轴系由一对深沟球轴承及其固定结构组成，具有尺寸小，重量轻，结构紧凑的优点。该轴系的游隙消除通过调整两个深沟球轴承之间的内环隔圈和外环隔圈的厚度来实现，轴系调整灵活方便，精度可靠。

3、本发明采用大齿轮非对称减重的设计方式，补偿光学楔镜结构尺寸不对称带来的转动不平稳，降低电机速度平稳性控制难度，提高光学楔镜扫描指向稳定性。

4、本发明中光学楔镜、支承轴系、从动齿轮和测角码盘同轴设计和安装，连接关系简单可靠，减少误差传递环节。

5、本发明中光学楔镜的转动采用单独的电机和单独的齿轮副传动驱动，两个楔镜的旋转控制没有相互耦合的影响，其运动速度、运动方向互不干涉，可以实现多扫描模式。

附图说明

图1a～1c为双楔镜扫描原理示意图；

图2a为双楔镜光学布局示意图；

图2b为光学楔镜的外形结构示意图；

图2c为图2b的左视图；

图3为一个光学楔镜组件的结构示意图；

图4为光学楔镜组件一的安装结构示意图；

图5为光学楔镜组件一中支承轴系、传动机构大齿轮、测角机构的读数头组件的结构示意图；

图6a为扫描机构支架主视图；

图6b为扫描机构支架右视图；

图6c为扫描机构支架左视图；

图7a为大齿轮的侧视图；

图7b为大齿轮的主视图；

图8为旋转光学楔镜转动轴；

图9为本发明提供的基于旋转双楔镜的光束扫描机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，如图9所示，所述的光束扫描机构包括两套光学组件，两套光学组件具有相同的安装方式，下面以其中一个光学组件为例，说明其结构。所述的光学组件包括光学楔镜1、镜框2、大齿轮3、小齿轮4、电机5、轴承6、支架7和测角码盘8，所述的光学楔镜1安装在镜框2内部，镜框2通过轴承6安装在支架7上，所述的镜框2为圆筒状，一侧端面安装测角码盘8，用来测定楔镜1的旋转速度，另一侧端面安装大齿轮3，用于齿轮传动驱动选装；电机5的输出轴通过小齿轮4带动大齿轮3的转动，实现对镜框2上光学楔镜1的驱动转动。

如图2a～2c所示的光学楔镜1（简称楔镜），所述的光学楔镜1的外形都是圆柱形，圆柱的中心轴线定义为楔镜1的光轴，通光面为圆柱的两个端面，其中一个端面为垂直于光轴的平面、另一个端面为与光轴有一定夹角的斜面，所述夹角为10~20度，优选为15°46′16″。两块楔镜1在本光束扫描机构中以光轴同轴、平面相对、斜面相背的方式，通过两个镜框2实现组合安置，如图2a所示，两块光学楔镜1的外圆尺寸相同，分别为Φ80mm，两块光学楔镜1的垂直于光轴的竖直平面之间的距离d为10mm，两块光学楔镜1组合后，其中一个斜面对应扫描光束入射方向，另一个斜面对应扫描光束的出射方向。为了楔镜1在其金属镜框2中可靠装夹，在楔镜1的斜面上加工出圆环平面，如图2b所示光学楔镜1的外形示意图，在楔镜斜面端加工出的圆环形平面101，如图2c所示，该圆环形平面101垂直于光轴。

所述的两块光学楔镜1分别安装于各自的金属镜框2中，分别形成楔镜组件一与楔镜组件二，两块光学楔镜1在楔镜组件一和楔镜组件二中安装固定方式相同，其中一个金属镜框2套在另一个金属镜框2的外圆周上，这样可以将两个镜框2进行组合后，如图9所示，两个楔镜1之间满足平面距离d为10cm的要求，并且两个镜框2的外侧都连接大齿轮3，内侧都连接侧角码盘8中的圆光栅801。下面以楔镜组件一为例描述楔镜1在金属镜框2中的安装方法。

如图3所示，金属镜框2为圆筒状，光学楔镜1装入金属镜框2，以金属镜框2内带有通孔的平台端面201作为光学楔镜1的轴向安装定位面，楔镜1外圆周与金属镜框2内筒留有0.02-0.03mm间隙，镜框2上安装楔镜1的圆周上均布6个注胶孔202，通过该注胶孔202在光学楔镜1外圆与金属镜框2之间填充硅橡胶，实现楔镜1的固定。在光学楔镜1斜面一端的圆环平面101上放置弹性橡胶垫203和金属薄垫204，利用金属螺纹压圈205压紧光学楔镜1，并通过金属镜框2周围的注胶孔202注胶固定。如图3所示，金属镜框2外圆柱上由左向右依次设计有大齿轮外圆面206、大齿轮端面207、轴承外圆面208、轴承端面209和安装法兰210（楔镜组件二与其略有不同，如图9所示，楔镜组件二中镜框外圆柱上从右向左依次设计有大齿轮外圆面、大齿轮端面、轴承外圆面、轴承端面和安装法兰），安装法兰210上均布6个螺纹通孔，为从金属镜框2右侧端面一侧安装测角码盘8所使用的安装孔。金属镜框2的轴承外圆面208和轴承端面209为组件轴系支承所用轴承6的安装定位面。金属镜框2的大齿轮外圆面206和大齿轮端面207为楔镜组件驱动齿轮即大齿轮3的安装定位面，大齿轮外圆面206上不同位置均布3个传递扭矩的销孔211，用于将大齿轮3的扭矩传递给镜框2。

楔镜组件一和楔镜组件二在金属镜框2的筒外分别安装精密轴承6，型号为61920（楔镜组件二中两个深沟球轴承的轴承型号为61919），实现楔镜组件的轴系支承。以楔镜组件一为例进行说明。轴承装入金属镜框2，以金属镜框2的轴承外圆面208和轴承端面209作为轴承6的安装定位面，如图4，依次装入轴承内环金属隔圈601和轴承外环金属隔圈602，通过调整轴承内环金属隔圈601和外环金属隔圈602的厚度，预紧轴承6，利用金属压圈603压紧轴承内环，并用紧固螺钉紧固。轴承座604为圆筒状，将上述轴承组件装入轴承座604，以轴承座604内带有通孔的平台作为轴承的轴向安装定位面，在轴承6的左端用金属压圈605压紧轴承6外圈，用紧固螺钉紧固，如图4所示，所述的轴承座604外圆周上具有轴承座法兰606，用于连接支架7。精密轴系在楔镜组件二中的安装固定方式与楔镜组件一类似。

在楔镜组件一和楔镜组件二的金属镜框2外筒上分别安装各自的测角机构8，测角机构8由圆光栅801、读数头802和读数头座803组合而成，如图4和图5所示。以楔镜一组件为例进行说明，金属镜框2上安装法兰210一侧的圆周面为锥筒状斜面，以斜面为圆光栅801的轴向安装定位面，通过金属螺钉安装圆光栅801与金属镜框2相连，调整圆光栅801的方向，使圆光栅801的零位在楔镜1的厚端面一侧，用螺钉紧固，如图4所示。如图5所示读数头组件示意图，所述的读数头组件包括读数头802和读数头座803，读数头座803具有两个平行的平面，其中的一个平面通过螺钉固定安装读数头802，另一个平面通过金属螺钉连接于支架7上。附图6（a）中平面705是与读数头座连接的安装平面，在安装位置707上面有3个螺纹孔，通过这三个螺纹孔将读数头组件和支架7连接在一起，实现读数头组件的固定安装。安装的过程中保证读数头802与圆光栅801之间距离在0.2mm以内。

完成精密轴系支承的楔镜组件一和楔镜组件二分别安装于扫描机构支架7上，支架示意图如图6a~6c所示，支架7外形呈现U型，毛坯采用金属铸造而成，在U型的两臂上分别加工楔镜组件一和楔镜组件二轴承座的安装定位孔701，两个安装定位孔701距离U型支架7的底面等高。支架7与楔镜组件一连接的安装法兰703上均布有6个螺纹通孔704和两个定位销孔；同样，支架7与楔镜组件二连接的安装法兰上均布6个螺纹通孔和两个定位销孔。两个平面705分别位于支架两臂的两侧，为两个读数头组件的安装定位面，读数头组件与支架7之间通过螺钉连接在一起。两个安装端面706分别位于支架7底部的两侧，为两个小齿轮组件的安装定位面，每个小齿轮组件分别通过4个螺钉和2个定位销钉与支架7连接。在U型支架7的两臂垂直于安装定位孔701的端面上分别加工楔镜组件一和楔镜组件二轴承座法兰606的安装连接平面702（即安装法兰703的外端面）。楔镜组件一和楔镜组件二分别利用金属螺钉通过各自的轴承座法兰606与U型支架7上的安装法兰703连接为一体。在U型支架两臂垂直于楔镜组件一、二安装连接平面702的侧面，且与楔镜组件一、楔镜组件二安装定位孔701对称轴等高的位置707用金属螺钉安装读数头组件。

在完成实施的基础上，分别在楔镜组件一和楔镜组件二与楔镜1同轴上安装各自的驱动大齿轮3。以楔镜组件一为例，以镜框2外大齿轮端面207为大齿轮3的安装定位面，装入大齿轮3，大齿轮3采用非对称减重的设计方式，如图7a和图7b所示，大齿轮3内孔303与金属镜框2间隙配合，间隙控制在0.01mm以内，大齿轮坯上排布6个腰形减重孔301和302，互相之间为60°角分布，其中相对的两个减重孔301和减重孔302大小不一，为平衡楔镜1的质量分布不对称所设计。大齿轮3的轮毂四周均布3个锥销孔304，用于大齿轮3与镜框2之间的固连，传递扭矩。调整大齿轮3与楔镜1的相对位置，使大齿轮3大减重孔301一端与楔镜1厚端在同一侧，打定位销。

楔镜1的旋转通过电机驱动齿轮副传动传递转矩而实现，图8为齿轮轴9，图8中齿轮轴9的外圆901与端面902，外圆903与端面904分别为两端轴承的安装面和定位面，外圆905和端面906分别为小齿轮4的安装面和定位面，外圆907和端面908分别为电机转子的安装面和定位面。

电机5采用分离式直流力矩电机，电机转子（内芯）以齿轮轴的外圆907和端面908作为安装定位面与小齿轮4的齿轮轴同轴安装；小齿轮4以齿轮轴的外圆905和端面906作为安装定位面，通过键连接及端面压紧形式安装于小齿轮4的齿轮轴上，齿轮轴采用双端支承方式安装于支架7上；电机端采用两个深沟球轴承支承，两个深沟球轴承以齿轮轴外圆901和端面902作为安装定位面，安装在齿轮轴9上，两个轴承之间的内外隔圈的厚度不同，用于消除轴向游隙；另一端采用单个深沟球轴承支承，该深沟球轴承以齿轮轴外圆903和端面904作为安装定位面，安装于齿轮轴9上，且该深沟球轴承外环固定，内环自由，两端轴承分别通过轴承座与支架7连接。电机定子（外框）固连于电机座上，并通过电机座与支架7相连。

本发明涉及了两个结构和尺寸完全一致的小齿轮组件，它们分别安装于U型支架底座的两安装端面706上，两个安装端面706分别与楔镜组件一、二的安装连接面平行，小齿轮4的回转对称轴与大齿轮3回转对称轴平行，且其距离满足齿轮副设计的中心距要求。

Claims (7)

1.一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，其特征在于：所述的光束扫描机构包括两套光学组件，每套光学组件包括楔镜(1)、镜框(2)、大齿轮(3)、小齿轮(4)、电机(5)、轴承(6)、支架(7)和测角码盘(8)，所述的楔镜(1)安装在镜框(2)内部，镜框(2)通过轴承(6)安装在支架(7)上，在所述的镜框(2)圆筒状，一侧端面安装测角码盘(8)，另一侧端面安装大齿轮(3)；电机(5)的齿轮轴通过小齿轮(4)带动大齿轮(3)的转动，实现对镜框(2)上楔镜(1)的驱动转动，两块光学楔镜分别驱动旋转实现光束扫描。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，其特征在于：所述的楔镜(1)的外形都是圆柱形，圆柱的中心轴线定义为楔镜(1)的光轴，通光面为圆柱的两个端面，其中一个端面为垂直于光轴的平面、另一个端面为与光轴夹角大于零的斜面；两块楔镜(1)以光轴同轴、平面相对、斜面相背的方式，通过两个镜框(2)实现组合安置，两块楔镜(1)组合后，其中一个斜面对应扫描光束入射方向，另一个斜端面对应扫描光束的出射方向；在楔镜(1)的斜面上加工出圆环平面，该圆环形平面(101)垂直于光轴。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，其特征在于：所述的金属镜框(2)内装入光学楔镜(1)，以金属镜框(2)内带有通孔的平台端面(201)作为光学楔镜(1)的轴向安装定位面，楔镜(1)外圆周与金属镜框(2)内筒留有0.02~0.03mm间隙；在光学楔镜(1)斜面一端的圆环平面(101)上放置弹性橡胶垫(203)和金属薄垫(204)，利用金属螺纹压圈(205)压紧光学楔镜(1)，并通过金属镜框(2)周围的注胶孔(202)注胶固定楔镜(1)；金属镜框(2)外圆柱上依次设计有大齿轮外圆面(206)、大齿轮端面(207)、轴承外圆面(208)、轴承端面(209)和安装法兰(210)，安装法兰(210)上均布螺纹通孔，为从金属镜框(2)一侧端面安装测角码盘(8)所使用的安装孔；轴承外圆面(208)和轴承端面(209)为轴承(6)的安装定位面；大齿轮外圆面(206)和大齿轮端面(207)为大齿轮(3)的安装定位面，大齿轮外圆面(206)上均布传递扭矩的销孔(211)，用于将大齿轮(3)的扭矩传递给镜框(2)。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，其特征在于：所述的测角机构(8)由圆光栅(801)、读数头(802)和读数头座(803)组合而成，以金属镜框(2)的安装法兰(210)一侧的斜面为圆光栅(801)的轴向安装定位面，通过金属螺钉将圆光栅(801)与安装法兰(210)连接，圆光栅(801)的零位在楔镜(1)的厚端面一侧；读数头(802)和读数头座(803)组成读数头组件，读数头座(803)具有两个平行的平面，其中的一个平面通过螺钉固定安装读数头(802)，另一个平面通过金属螺钉连接于支架(7)上。

5.根据权利要求4所述的一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，其特征在于：读数头(802)与圆光栅(801)之间距离在0.2mm以内。

6.根据权利要求1所述的一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，其特征在于：所述的支架(7)外形呈现U型，在U型的两臂上分别加工两套楔镜组件的轴承座(604)的安装定位孔(701)，两个安装定位孔(701)距离U型支架(7)的底面等高；支架(7)与楔镜组件连接的安装法兰(703)上均布有螺纹通孔(704)和两个定位销孔；两个平面(705)分别位于支架两臂的两侧，为两个读数头组件的安装定位面，读数头组件与支架(7)之间通过螺钉连接在一起；两个安装端面(706)分别位于支架(7)底部的两侧，为两个小齿轮组件的安装定位面；在U型支架(7)的两臂垂直于安装定位孔(701)的端面上分别加工两套楔镜组件上轴承座法兰(606)的安装连接平面(702)，两套楔镜组件分别通过各自的轴承座法兰(606)与U型支架(7)上的安装法兰(703)连接为一体。

7.根据权利要求1所述的一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构，其特征在于：大齿轮(3)采用非对称减重的设计方式，大齿轮(3)内孔(303)与金属镜框(2)间隙配合，大齿轮坯上排布腰形减重孔，互相之间为60°角分布，其中相对的两个减重孔(301)和减重孔(302)大小不一，较大减重孔(301)一端与楔镜(1)厚端在同一侧；大齿轮(3)的轮毂四周均布锥销孔(304)，用于大齿轮(3)与镜框(2)之间的固连，传递扭矩。

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