CN103646231A - 二维光机扫描器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二维光机扫描器，包括：底座、方位轴、十字型支撑架、扫描镜支撑架、扫描镜、俯仰轴、轴承、第一电机、第二电机、连杆、曲柄；十字型支撑架与底座之间通过方位轴连接，十字型支撑架能够绕方位轴转动；十字型支撑架与扫描镜之间通过扫描镜支撑架连接；扫描镜支撑架同十字型支撑架之间通过俯仰轴和轴承形成转动副联接；第一电机驱动方位轴和十字型支撑架做周期性间歇转动；第二电机连接在十字型支撑架上，并且能够随十字型支撑架绕方位轴转动；第二电机驱动曲柄以带动连杆产生周期性往复运动。本发明能够提高扫描速度，缩短成像时间；缩小了扫描器尺寸，有利于成像系统的小型化，节约了生产成本。

Description

二维光机扫描器
技术领域
本发明属于光学成像探技术领域，涉及探测成像中的扩大探测视场、增加空间分辨率的问题，具体涉及一种二维光机扫描器。
背景技术
在光学成像探测等很多领域，由于光学系统本身视场的局限，需要借助机械驱动的二维光机扫描器来扩展系统的视场，以完成对目标的快速扫描成像。传统的二维光机扫描器采用扫描镜绕长短轴方向转动时，采用二维转轴都穿过镜面的方式，这就需要使用框架或者U型架对扫描镜进行支撑，这就使得整个系统显得庞大而不紧凑，且增大了系统的体积和质量，增加了成本，限制了成像探测仪器在一些小型化、低成本化方面的应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种二维光机扫描器，采用扫描镜背部支撑的方式，运用二维轴系相互独立分别驱动的方式，利用电机直接驱动和曲柄连杆驱动结合的方法，实现二维光机扫描器俯仰方向连续扫描，方位方向步进扫描的功能，同时可缩短成像时间，缩小整个扫描器的尺寸和质量，降低系统成本。
本发明采用的技术方案是：一种二维光机扫描器，该扫描器利用十字型支撑架和扫描镜支撑架将扫描镜同扫描器底座联接；通过固定在扫描器底座上的电机间以歇驱动方式带动与扫描镜在俯仰方向可摆动方位方向固联的十字型支撑架摆动，从而实现扫描镜绕方位轴摆动，实现方位方向的间歇扫描；利用固定在十字型支撑架上的电机连续驱动曲柄连杆机构带动扫描镜绕俯仰轴摆动，实现俯仰方向的连续扫描；利用角度传感器的转子和方位轴固定，定子和扫描器底座固定的角度传感器实现方位角度的实时测量和反馈；利用角度传感器转子和俯仰轴固定，定子和十字型框架固定的角度传感器实现俯仰角度的实时测量和反馈。
具体地，本发明提供的二维光机扫描器，包括：底座、方位轴、十字型支撑架、扫描镜支撑架、扫描镜、俯仰轴、轴承、第一电机、第二电机、连杆、曲柄；
十字型支撑架与底座之间通过方位轴连接，十字型支撑架能够绕方位轴在一定范围内转动；十字型支撑架与扫描镜之间通过扫描镜支撑架连接；扫描镜支撑架同十字型支撑架之间通过俯仰轴和轴承形成转动副联接；第一电机驱动方位轴和十字型支撑架做周期性间歇转动；第二电机连接在十字型支撑架上，并且能够随十字型支撑架绕方位轴转动；第二电机驱动曲柄以带动连杆产生周期性往复运动，从而通过连杆拉动扫描镜支撑架带动扫描镜绕俯仰轴在一定范围内周期性转动。
优选地，还包括多个角度传感器，所述多个角度传感器用于实时采集扫描镜方位角和俯仰角的数据，其中，方位轴、底座、俯仰轴、十字型支撑架上均设置有角度传感器。
优选地，扫描镜支撑架和扫描镜之间固接，扫描镜支撑架同十字型支撑结构之间为转动副联接，转动轴为俯仰轴，俯仰轴和扫描镜支撑架之间为固定联接，俯仰轴和十字型支撑架之间为转动副联接。
优选地，十字型支撑架和底座之间为转动副联接，转动轴为方位轴，转动轴和十字型支撑架之间为固定联接，转动轴和扫描器底座之间为转动副联接。
优选地，用于驱动俯仰方向连续运动的第二电机和扫描镜之间通过曲柄、连杆机构与扫描镜支撑架联接，曲柄、连杆和扫描镜支撑架之间通过转动副联接，曲柄、连杆和第二电机之间关系为第二电机驱动曲柄进行转动，曲柄带动连杆进行往复运动，连杆的往复运动带动扫描镜支撑架和扫描镜绕俯仰轴进行转动。
优选地，同十字型支撑架固联的方位轴和同扫描镜支撑架固联的俯仰轴之间相互垂直，方位轴的轴线和俯仰轴的轴线分别位于不同的平面上。
优选地，第一电机和/或第二电机，具体为如下任一种情况：
-步进电机，采用开环控制；
-伺服电机，利用角度传感器实时采集的扫描镜位置数据对第一电机和/或第二电机进行控制。
优选地，所述扫描镜为三明治结构的复合材料扫描镜，或者所述扫描镜为机械加工的铝镜、铍镜、石英玻璃镜；所述扫描镜的形状为圆形、椭圆形、半球面、或者抛物面。
优选地，所述角度传感器为光电编码器、旋转编码器、或者圆感应同步器。
优选地，底座包括底座支架、底座底板、底座肋板、底座竖板，底座支架上设置有底座底板，底座底板上设置有底座肋板、底座竖板。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用曲柄连杆机构实现俯仰方向的连续扫描，电机直接驱动的方式实现方位方向的间歇扫描，曲柄连杆机构可提高扫描速度，缩短成像时间；采用扫描镜背部支撑，正交轴系分离驱动的方式，缩小了扫描器尺寸，有利于成像系统的小型化，节约了生产成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明二维光机扫描器的三维结构图。
图2是本发明二维光机扫描器的三维结构补充图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的二维光机扫描器，采用扫描镜背部支撑的结构，运用二维轴系相互独立分别驱动的方式，利用电机直接驱动和曲柄连杆驱动结合的方法，实现二维光机扫描器俯仰方向连续扫描，方位方向步进扫描的功能，同时采用角度传感器实时采集扫描镜位置数据。相比于传统光机扫描器本发明的二维光机扫描器可缩短成像时间，缩小整个扫描器的尺寸和质量，降低系统成本，为二维光机扫描器快速扫描和小型化提供了一种新方法。
本发明所述二维光机扫描器的工作原理为：利用固定在扫描器底座上的电机间歇带动十字型支撑架绕方位轴旋转，从而带动扫描镜支撑架和扫描镜绕方位轴转动，实现方位角的间歇扫描；利用固定在十字型支撑架上的电机连续驱动曲柄连杆机构带动扫描镜支撑架和扫描镜绕俯仰轴转动，实现俯仰角的连续扫描；利用固定在扫描器底座和方位轴上的角度传感器和固定在十字型支撑架及俯仰轴上的角度传感器来实时测量扫描镜方位角和俯仰角的大小。
下面结合附图1和图2对本发明的二维光机扫描器一个实施例的具体实施方式作详细说明：
如图1和图2所示，底座支架1、底座底板2、底座肋板3和底座竖板4共同组成了二维光机扫描器的底座。方位轴5和十字型支撑架11固联，方位轴5通过固定在扫描器底座上的第一电机16和一个轴承8将十字型支撑架11和底座联接，十字型支撑架11可绕方位轴5在一定范围内转动。十字型支撑架11和扫描镜7之间通过扫描镜支撑架9联接，扫描镜支撑架9和扫描镜7之间固接，扫描镜支撑架9同十字型支撑架11之间通过俯仰轴10和两个轴承8形成转动副联接，俯仰轴10和扫描镜支撑架9之间为固定联接。
当第一电机16驱动方位轴5和十字型支撑架11做周期性间歇转动时，十字型支撑架11将带动扫描镜支撑架9和扫描镜7绕方位轴5做周期性间歇转动。第二电机13通过固定板14固定在十字型支撑架11上，并且可以随十字型支撑架11绕方位轴5转动。第二电机13驱动曲柄15并带动连杆6产生周期性往复运动，从而拉动扫描镜支撑架9带动扫描镜7绕俯仰轴10在一定范围内周期性转动。因为第二电机13固定在十字型支撑架11上，因此当扫描镜绕方位轴的周期性转动和绕俯仰轴的周期性转动之间相互不产生干涉。两个角度传感器12分别安装在方位轴5、扫描器底座上以及俯仰轴10、十字型支撑架11上，用于实时采集扫描镜方位角和俯仰角的数据。
所述扫描器底座在本实施例中主要由底座支架1、底座底板2、底座肋板3和底座竖板4分别加工组装而成，也可以将任意两个或两个以上零件合并加工。
所述第二电机13和第一电机16在本实施例中选用的是中空轴步进电机，采用开环控制。也可以选用伺服电机，采用伺服电机时可利用角度传感器12实时采集的扫描镜位置数据对电机进行控制。第二电机13和第一电机16可以选用中空轴电机也可以为普通电机，当选用中空轴电机时不需要使用联轴器，使用普通电机时需要在电机轴和方位轴5和俯仰轴10之间添加联轴器进行联接。
所述方位轴5和十字型支撑架11之间、扫描镜支撑架9和俯仰轴10之间的固定联接在本实施例中为紧定螺钉联接，也可以选用过盈键联接焊接、胶水粘结等方式。
所述扫描镜7在本实施例中为三明治结构的复合材料扫描镜，正面为镜面铝，中间为蜂窝状减重结构，背面为结构铝板，形状为带有定位边的椭圆形结构。也可以为机械加工的铝镜、铍镜、石英玻璃镜等，形状可以为圆形、椭圆形、半球面、抛物面等。
所述扫描镜背部支撑机构在本实施例中和扫描镜之间是分别加工的，也可以将扫描镜的背部支撑机构在加工扫描镜时一体化加工出来。
所述角度传感器在本实施例中为光电编码器，也可以为旋转编码器、圆感应同步器等角度传感器。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种二维光机扫描器，其特征在于，包括：底座、方位轴、十字型支撑架、扫描镜支撑架、扫描镜、俯仰轴、轴承、第一电机、第二电机、连杆、曲柄；
十字型支撑架与底座之间通过方位轴连接，十字型支撑架能够绕方位轴在一定范围内转动；十字型支撑架与扫描镜之间通过扫描镜支撑架连接；扫描镜支撑架同十字型支撑架之间通过俯仰轴和轴承形成转动副联接；第一电机驱动方位轴和十字型支撑架做周期性间歇转动；第二电机连接在十字型支撑架上，并且能够随十字型支撑架绕方位轴转动；第二电机驱动曲柄以带动连杆产生周期性往复运动，从而通过连杆拉动扫描镜支撑架带动扫描镜绕俯仰轴在一定范围内周期性转动。
2.根据权利要求1所述的二维光机扫描器，其特征在于，还包括多个角度传感器，所述多个角度传感器用于实时采集扫描镜方位角和俯仰角的数据，其中，方位轴、底座、俯仰轴、十字型支撑架上均设置有角度传感器。
3.根据权利要求1所述的二维光机扫描器，其特征在于，扫描镜支撑架和扫描镜之间固接，扫描镜支撑架同十字型支撑结构之间为转动副联接，转动轴为俯仰轴，俯仰轴和扫描镜支撑架之间为固定联接，俯仰轴和十字型支撑架之间为转动副联接。
4.根据权利要求1所述的二维光机扫描器，其特征在于，十字型支撑架和底座之间为转动副联接，转动轴为方位轴，转动轴和十字型支撑架之间为固定联接，转动轴和扫描器底座之间为转动副联接。
5.根据权利要求1所述的二维光机扫描器，其特征在于，用于驱动俯仰方向连续运动的第二电机和扫描镜之间通过曲柄、连杆与扫描镜支撑架联接，曲柄、连杆和扫描镜支撑架之间通过转动副联接，曲柄、连杆和第二电机之间关系为第二电机驱动曲柄进行转动，曲柄带动连杆进行往复运动，连杆的往复运动带动扫描镜支撑架和扫描镜绕俯仰轴进行转动。
6.根据权利要求1所述的二维光机扫描器，其特征在于，同十字型支撑架固联的方位轴和同扫描镜支撑架固联的俯仰轴之间相互垂直，方位轴的轴线和俯仰轴的轴线分别位于不同的平面上。
7.根据权利要求2所述的二维光机扫描器，其特征在于，第一电机和/或第二电机，具体为如下任一种情况：
-步进电机，采用开环控制；
-伺服电机，利用角度传感器实时采集的扫描镜位置数据对第一电机和/或第二电机进行控制。
8.根据权利要求1所述的二维光机扫描器，其特征在于，所述扫描镜为三明治结构的复合材料扫描镜，或者所述扫描镜为机械加工的铝镜、铍镜、石英玻璃镜；所述扫描镜的形状为圆形、椭圆形、半球面、或者抛物面。
9.根据权利要求2所述的二维光机扫描器，其特征在于，所述角度传感器为光电编码器、旋转编码器、或者圆感应同步器。
10.根据权利要求1所述的二维光机扫描器，其特征在于，底座包括底座支架、底座底板、底座肋板、底座竖板，底座支架上设置有底座底板，底座底板上设置有底座肋板、底座竖板。
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