CN106249405B - 旋转三棱镜光束扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转三棱镜光束扫描装置，包括旋转双棱镜系统、旋转单棱镜系统、导轨、可调支座和固定支座，旋转单棱镜系统包括机座组件、棱镜与镜框总成及蜗轮蜗杆机构，所述的棱镜与镜框总成包括平垫圈、楔形棱镜、橡胶垫块、楔形挡圈、螺纹挡圈以及镜框；所述的机座组件包括机座、机座挡板和机座镶块，所述的蜗轮蜗杆机构包括旋转电机、电机支座、联轴器、蜗杆、轴承支座、滚动轴承、蜗轮、编码器支座和旋转编码器；所述旋转双棱镜系统由两个旋转单棱镜系统组装而成。本发明中，所述的三块楔形棱镜分别由蜗轮蜗杆机构驱动实现全圆周旋转，传动平稳准确，可以保证动态光束的扫描精度和稳定性要求；棱镜之间的旋转控制相互独立，可以实现多样化的扫描模式；向双棱镜系统中引入第三块棱镜可以显著扩大光束的扫描视场，并且有效地解决双棱镜系统的扫描盲区和控制奇点问题。

Description

旋转三棱镜光束扫描装置
技术领域
本发明涉及光学扫描系统，具体涉及一种旋转三棱镜光束扫描装置。
背景技术
光束扫描机构作为常见的光学传递系统，可根据其采用扫描光学元件的不同分为反射式和折射式两大类型。反射式光束扫描机构受制于其复杂的系统结构和有限的扫描精度，一般应用在性能要求较低的场合。折射式光束扫描机构基于光的折射定律，可通过单棱镜的连续旋转而实现高精度的光束偏转及光路补偿，或通过多棱镜的组合使用获取扩大的光束扫描视场和丰富的光束扫描轨迹，目前已经受到广泛的关注。
（1）以下在先技术给出了旋转棱镜扫描装置的主要应用领域。
在先技术（Jianfeng Sun, etc., “Double prisms for two-dimensionaloptical satellite relative-trajectory simulator”, Proc of SPIE, 2004, 5550:411-418）借助旋转双棱镜模拟卫星间的相对运动轨迹，旨在通过地面模拟试验检测卫星通信终端的工作性能；在先技术（Lavigne V, etc., “Step-stare image gathering forhigh-resolution targeting”, Meeting Proceedings RTO-MP-SET-092, 2005: 17-1-17-4）利用旋转双棱镜构建步进-凝视图像采集系统，允许在较大范围内偏转成像视轴并在特定视轴下进行高分辨率成像；在先技术（Souvestre F. Authorl, etc.,“DMD-basedmulti-target laser tracking for motion capturing”, Proc of SPIE, 2010, 7596:75960B-75960B-9）采用旋转双棱镜跟踪目标的运动轨迹，从而保证宽阔的扫描视场和可观的跟踪精度；旋转双棱镜的其他应用方面还包括红外对抗（Bradley D. Duncan, etc.,“Wide-angle achromatic prism beam steering for infrared countermeasureapplications”, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 2003, 42(4): 1038-1047），微结构加工（C. T. Pan, etc., “Dynamic characterization ofsilicon-based microstructure of high aspect ratio by dual-prism UV lasersystem”, Sensors and Actuators A, 2005, 122: 45-54），激光多普勒测振（RothbergS. J., etc., “Development of a scanning head for laser Doppler vibrometry(LDV) using dual optical wedges”, Review of Scientific Instruments, 2013, 84(12): 121704-121704-10）等。
在以上提及的应用场合，旋转双棱镜系统工作在远场条件下，故一般的近似方法就可以为双棱镜的正、逆向问题提供较为理想的求解精度。但是对于处在近场条件下的旋转双棱镜而言，由棱镜结构参数导致的扫描盲区是不可忽略的，它将影响光束对扫描域的全面扫描，阻碍旋转双棱镜系统的深入应用。例如，采用旋转双棱镜跟踪近场范围内的动态目标时，盲区的存在势必会引起跟踪目标的丢失。
（2）以下在先技术给出了旋转棱镜扫描装置的一般驱动形式。
在先技术（祖继峰等专利，申请号：03129234.8，申请日2003年6月13日“卫星轨迹光学模拟装置”）提出电机组配合齿轮传动的方案实现旋转双棱镜的不同运动匹配模式，但是复杂的电机组合与控制系统会影响驱动精度，并带来空间布置的难题。
在先技术（孙建锋等专利，申请号：200410024986.2，申请日2004年10月“星间激光通信终端高精度动静态测量装置”）将力矩电机与转动轴直接耦合而实现正交棱镜的偏摆运动，但是此方式应用于旋转棱镜时面临着力矩波动、齿槽效应以及定制成本的问题。
在先技术（李安虎等专利，申请号：201310072421.0，申请日2013年3月7日“同步带驱动旋转棱镜装置”）采用同步带装置驱动大口径棱镜的旋转，具有传动比准确、噪音小、结构紧凑等优点，但同时也可能出现材料老化、疲劳磨损和爬齿、跳齿等现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转三棱镜光束扫描装置，其有效扫描范围能够覆盖完整的理论扫描域。在同轴旋转双棱镜系统的基础上引入第三块同轴独立旋转棱镜，通过三棱镜的运动匹配不仅可以在较大程度上扩大系统的扫描视场，还可以完全地消除双棱镜系统固有的光束扫描盲区，甚至避免棱镜运动控制的过程中出现奇点问题，这对于进一步拓展旋转棱镜扫描装置的应用领域具有重要的意义。
本发明提出的旋转三棱镜光束扫描装置，包括旋转双棱镜系统、旋转单棱镜系统、导轨26、固定支座25和可调支座27，旋转双棱镜系统通过固定支座25固定于导轨26上，旋转单棱镜系统通过可调支座27位于导轨26上，安装于可调支座27上的旋转单棱镜系统可以沿着导轨26做往复运动，以便调节旋转双棱镜系统、旋转单棱镜系统两者之间的相对距离；
旋转单棱镜系统包括机座组件、棱镜与镜框总成及蜗轮蜗杆机构，所述的棱镜与镜框总成包括平垫圈4、楔形棱镜5、橡胶垫块11、楔形挡圈12、螺纹挡圈10以及镜框3；楔形棱镜5安放于镜框3内，其平面侧通过平垫圈4与镜框3的内伸部分接触，其楔形侧通过橡胶垫块11与楔形挡圈12的一侧接触；楔形挡圈12的轴向位置由另一侧接触的螺纹挡圈10固定，螺纹挡圈10与镜框3通过螺纹配合，并由紧定螺钉固定；镜框3的外部轴肩与蜗轮15通过螺钉进行定位连接；所述的机座组件包括机座6、机座挡板8和机座镶块9，机座6和机座镶块9通过螺钉连接，并通过第一滚动轴承2、第二滚动轴承13固定于镜框3的外侧；第一滚动轴承2的外圈由第一轴承挡圈1和机座6的内伸部分固定，内圈通过镜框3的外部轴肩定位；第二滚动轴承13的外圈由机座镶块9的内伸部分和第二轴承挡圈14固定，内圈则通过镜框3的外部轴肩定位；所述的蜗轮蜗杆机构包括旋转电机17、电机支座18、第一联轴器19、蜗杆7、轴承支座20、滚动轴承21、蜗轮15、第二联轴器22、编码器支座23和旋转编码器24，电机支座18固定于机座6上，旋转电机17通过螺钉安装在固定于电机支座18上，旋转电机17的电机轴与蜗杆7一端的外伸轴通过第一联轴器19连接，电机轴与蜗杆7均与第一联轴器19之间通过紧定螺钉定位；蜗杆7两端的外伸轴分别通过滚动轴承21安装在机座6内，滚动轴承21的外圈由机座6和轴承支座20固定，内圈通过蜗杆7外伸轴的轴肩固定；轴承支座20通过螺钉固定在机座6上；蜗杆7另一端的外伸轴由第二联轴器22连接旋转编码器24的转轴，且通过紧定螺钉实现定位；旋转编码器24通过螺钉安装在固定于机座6的编码器支座23上；
所述旋转双棱镜系统由两个旋转单棱镜系统组装而成，所述两个旋转单棱镜系统对称布置，两个旋转单棱镜系统内相邻侧的第二轴承挡圈采用连接套筒16代替，两个旋转单棱镜系统内各自的机座镶块9通过连接套筒16固定在一起，并通过周向布置的紧定螺钉实现定位。
本发明中，所述旋转单棱镜系统的楔形棱镜5和旋转双棱镜系统的两块楔形棱镜5同轴布置。
本发明中，楔形棱镜、镜框、滚动轴承和蜗轮同轴布置。
本发明中，旋转双棱镜系统中与旋转单棱镜系统靠近的那块楔形棱镜5与旋转单棱镜系统内的楔形棱镜5采用对称布置。
本发明中，三块楔形棱镜共轴独立旋转，各棱镜均采用蜗轮蜗杆独立驱动的形式，具有传动比大、结构简单、布置紧凑等优点。控制系统结合旋转编码器实现反馈调节，可以精确地控制棱镜的旋转角度。此外，为避免蜗轮蜗杆的空回和啮合间隙，还可应用合理的消隙装置（如阻尼齿轮等），从而有效地提高驱动系统的传动精度。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明中，所述的三块楔形棱镜分别由蜗轮蜗杆机构驱动实现全圆周旋转，传动平稳准确，可以保证动态光束的扫描精度和稳定性要求；且棱镜之间的旋转控制相互独立，可以实现多样化的扫描模式。
（2）本发明中，楔形棱镜、镜框、滚动轴承和从动蜗轮之间采用同轴设计和安装，连接关系简单可靠，可以充分减少误差传递环节。
（3）本发明中，所述的蜗轮蜗杆机构内均配有旋转编码器，实时地检测棱镜的实际旋转角度，通过计算机处理采集的数据，可以灵活采用开环控制或闭环控制方式，根据实际需求切换楔形棱镜的旋转精度。
（4）本发明中，所述的旋转单棱镜系统可以基于已有的旋转双棱镜系统，在较大的程度上扩展光束的扫描视场，且不削弱光束的扫描精度。
（5）本发明中，通过合理调整新增棱镜与扫描对象之间的距离，可以彻底地消除双棱镜系统中固有的扫描盲区，使三棱镜系统的有效扫描范围覆盖其完整扫描域。
（6）本发明中，针对特定的逆向问题存在无数的逆向解，若预先设定新增棱镜的旋转运动规律，可以有效避免在旋转双棱镜扫描范围的中心和边缘区域经常出现的控制奇点问题。
附图说明
图1为旋转三棱镜系统的光学扫描示意图，其中：(a)对应扫描范围达到最大的情况，(b)对应扫描盲区恰好被完全消除的情况。
图2为旋转三棱镜系统的外观图。
图3为旋转单棱镜系统的装配结构图。
图4为旋转双棱镜系统的装配结构图。
图5为蜗轮蜗杆机构的布置结构图。
图6为棱镜的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为左视图。
图7为镜框的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为A-A剖视图。
图8为楔形挡圈的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为B-B剖视图。
图9为螺纹挡圈的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为C-C剖视图。
图10为机座镶块的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为D-D剖视图。
图11为第一轴承挡圈的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为E-E剖视图。
图12为第二轴承挡圈的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为F-F剖视图。
图13为机座的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为G-G剖视图，(d)为H-H剖视图。
图14为轴承支座的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为I-I剖视图。
图15为连接套筒的结构图，其中：(a)为主视图，(b)为K-K剖视图。
图中标号：1为第一轴承挡圈，2为第一滚动轴承，3为镜框，4为平垫圈，5为楔形棱镜，6为机座，7为蜗杆，8为机座挡板，9为机座镶块，10为螺纹挡圈，11为橡胶垫块，12为楔形挡圈，13为第二滚动轴承，14为第二轴承挡圈，15蜗轮，16为连接套筒，17为旋转电机，18为电机支座，19为第一联轴器，20为轴承支座，21为滚动轴承，22为第二联轴器，23为编码器支座，24为旋转编码器，25为固定支座，26为导轨，27为可调支座，28为手动旋钮。
具体实施方式
下面根据各附图详细描述采用蜗轮蜗杆机构独立驱动的旋转三棱镜系统及其光学扫描过程，但本发明的专利保护范围不限于此。
参见图3，在单棱镜系统内，棱镜与镜框总成与蜗轮刚性联接，并通过高精度滚动轴承由机座内部支撑；由旋转电机驱动蜗轮蜗杆机构实现棱镜在全圆周范围内的精确旋转运动。
参见图3，所述的棱镜与镜框总成包括平垫圈4、楔形棱镜5、橡胶垫块11、楔形挡圈12、螺纹挡圈10以及镜框3。楔形棱镜5安放在镜框3内，其平面侧通过平垫圈4与镜框3的内轴肩接触，其楔形侧通过橡胶垫块11与楔形挡圈12的一侧接触，以保护棱镜在工作过程中不受损伤；楔形挡圈12的轴向位置由另一侧接触的螺纹挡圈10固定，螺纹挡圈10与镜框3采用螺纹配合以实现对棱镜的轴向支撑，并由紧定螺钉固定以保持螺纹挡圈10与楔形挡圈12的紧密接触；镜框3的外轴肩与蜗轮15采用刚性联结。
参见图3，所述的高精度滚动轴承2的外圈由轴承挡圈1和机座6固定，内圈通过镜框3的轴肩定位；滚动轴承13的外圈由机座镶块9和轴承挡圈14固定，其内圈也通过镜框3的轴肩定位。
参见图5，所述的蜗轮蜗杆机构包括旋转电机17、电机支座18、联轴器19、蜗杆7、轴承支座20、滚动轴承21、蜗轮15、联轴器22、编码器支座23、旋转编码器24等。旋转电机17通过螺钉安装在固定于机座6的电机支座18上；电机轴与蜗杆7一端的外伸轴由联轴器19连接，为保证扭矩的充分传递，两者与联轴器19之间均通过紧定螺钉定位；蜗杆两端对称的外伸轴分别通过滚动轴承21安装在机座6内，滚动轴承21的外圈由机座6和轴承支座20固定，内圈通过蜗杆7外伸轴的轴肩定位；半圆形的轴承支座20通过螺钉固定在机座6上，共同组成完整的圆形轴承支座；蜗杆7另一端的外伸轴由联轴器22连接旋转编码器24的转轴，且同样通过紧定螺钉实现定位；旋转编码器24通过螺钉安装在固定于机座6的编码器支座23上，用于实时测量棱镜的实际旋转角度。
参见图4，旋转双棱镜系统由两个结构与上述相同的旋转单棱镜系统组成。为尽可能保证系统结构上的紧凑性，采用连接套筒16取代了两个子系统内的轴承挡圈14，起轴承定位作用；通过周向均匀布置的紧定螺钉，连接套筒16还用于实现两个旋转单棱镜系统内机座镶块9的刚性连接，使旋转双棱镜系统成为一个集成的整体。
参见图3和图5，蜗轮蜗杆机构驱动棱镜旋转的具体过程为：电机17通过联轴器19向蜗杆7传递旋转力矩，蜗杆7与蜗轮15构成运动副，其旋转角度信息由编码器24实时检测；蜗轮15与镜框3通过螺钉联结，棱镜5由轴向支撑固定于镜框3内；因此，电机17驱动蜗杆7做旋转运动，与蜗杆7配合的蜗轮15也随之旋转，并带动安放于镜框3内的棱镜5以相同的转速运动，从而实现棱镜5绕中心轴的精确回转。如前所述，此处的旋转电机及传动机构部分可以根据实际应用场合的不同需求而采用多样的形式。
参见图2，所述的双棱镜系统和单棱镜系统均以机座作为载体，分别安装在导轨26上的固定支座25和可调支座27；固定支座25与导轨26之间采用普通紧定螺钉定位，可调支座27的两侧分别通过手动旋钮28固定，用以调整单棱镜系统与扫描对象之间的相对距离。对于特定的旋转三棱镜系统而言，当上述距离超过某一临界值时，系统的扫描域内将不再出现盲区。
下面结合图1和具体实例进一步阐述旋转三棱镜系统的部分光学扫描特性。
参见图1(a)，假设图中三棱镜所处位置为各自的初始状态，当三棱镜的旋转角度分别为0°时，入射到系统的光束始终沿着远离光轴的方向偏转，且偏转量均为最大值，此时扫描域的半径是三棱镜对光束偏转量的简单叠加，也达到其最大值。由此可知旋转三棱镜系统的扫描域范围在旋转双棱镜系统的基础上有明显的扩展。
参见图1(b)，当第二楔形棱镜与第一楔形棱镜的相对夹角为180°时，两棱镜对光束的偏转作用相互抵消，第二楔形棱镜的出射光束与光轴平行，两者之间的距离即为双棱镜扫描盲区的半径。为充分利用第三楔形棱镜对扫描盲区的补偿作用，将第三楔形棱镜与第二楔形棱镜的相对夹角调整至0°，使光束以最大的偏转量转向接近光轴的方向。随着第三楔形棱镜与扫描对象之间的距离D 3从0开始逐渐增大，盲区半径逐渐减小，直至D 3达到某一临界值D c 时盲区半径变为0；若D 3继续增大，扫描盲区也将不再出现。即：如果D 3≥D c ，则扫描盲区被彻底消除。根据光的折射定律和已知几何关系进行推导，可以确定临界距离D c 的表达式为D c =D 1-(d 0+D p ·tanα/2)，其中α为棱镜楔角，n为折射率，d 0为薄端厚度，D p 为通光孔径。
在本发明的实际应用场合，可以通过上述公式获得第三棱镜与扫描对象之间的最小距离D c ，确保扫描盲区被完全消除；在此基础上还可以继续调整D 3以满足对光束扫描覆盖范围的不同要求。
实例：
设定三棱镜具有完全相同的参数：α=10°，n=1.517，d 0=5 mm，D p =80 mm；且D 1=100mm，D 2=100 mm，D 3=100 mm。在此条件下，仅由第一楔形棱镜与第二楔形棱镜组成的旋转双棱镜系统的扫描域半径为R d =45.4892 mm，其盲区半径为R dbz =7.1207 mm；而由第一楔形棱镜、第二楔形棱镜和第三楔形棱镜组成的旋转三棱镜系统在相同位置的扫描域半径为R t =53.0426 mm，其盲区半径变为R tbz =0 mm。故第三楔形棱镜引起的扫描域扩展率为δ=[R t 2-(R d 2-R dbz 2)]/(R d 2-R dbz 2)=39.38%，并且新增棱镜对扫描域的扩展效应将随着D 3的增长而变得愈加显著。另外，可以进一步确定消除盲区的临界距离为D c =87.9469 mm。

Claims (3)

1.旋转三棱镜光束扫描装置，其特征在于包括旋转双棱镜系统、旋转单棱镜系统、导轨(26)、固定支座(25)和可调支座(27)，其特征在于旋转双棱镜系统通过固定支座(25)固定于导轨(26)上，旋转单棱镜系统通过可调支座(27)位于导轨(26)上，安装于可调支座(27)上的旋转单棱镜系统可以沿着导轨(26)做往复运动，以便调节旋转双棱镜系统、旋转单棱镜系统两者之间的相对距离；
旋转单棱镜系统包括机座组件、棱镜与镜框总成及蜗轮蜗杆机构，所述的棱镜与镜框总成包括平垫圈(4)、楔形棱镜(5)、橡胶垫块(11)、楔形挡圈(12)、螺纹挡圈(10)以及镜框(3)；楔形棱镜(5)安放于镜框(3)内，其平面侧通过平垫圈(4)与镜框(3)的内伸部分接触，其楔形侧通过橡胶垫块(11)与楔形挡圈(12)的一侧接触；楔形挡圈(12)的轴向位置由另一侧接触的螺纹挡圈(10)固定，螺纹挡圈(10)与镜框(3)通过螺纹配合，并由紧定螺钉固定；镜框(3)的外部轴肩与蜗轮(15)通过螺钉进行定位连接；所述的机座组件包括机座(6)、机座挡板(8)和机座镶块(9)，机座(6)和机座镶块(9)通过螺钉连接，并通过第一滚动轴承(2)、第二滚动轴承(13)固定于镜框(3)的外侧；第一滚动轴承(2)的外圈由第一轴承挡圈(1)和机座(6)的内伸部分固定，内圈通过镜框(3)的外部轴肩定位；第二滚动轴承(13)的外圈由机座镶块9的内伸部分和第二轴承挡圈(14)固定，内圈则通过镜框(3)的外部轴肩定位；所述的蜗轮蜗杆机构包括旋转电机(17)、电机支座(18)、第一联轴器(19)、蜗杆(7)、轴承支座(20)、滚动轴承(21)、蜗轮(15)、第二联轴器(22)、编码器支座(23)和旋转编码器(24)，电机支座(18)固定于机座(6)上，旋转电机(17)通过螺钉安装在固定于电机支座(18)上，旋转电机(17)的电机轴与蜗杆(7)一端的外伸轴通过第一联轴器(19)连接，电机轴与蜗杆7均与第一联轴器(19)之间通过紧定螺钉定位；蜗杆(7)两端的外伸轴分别通过滚动轴承(21)安装在机座(6)内，滚动轴承(21)的外圈由机座(6)和轴承支座(20)固定，内圈通过蜗杆(7)外伸轴的轴肩固定；轴承支座(20)通过螺钉固定在机座(6)上；蜗杆(7)另一端的外伸轴由联轴器(22)连接旋转编码器(24)的转轴，且通过紧定螺钉实现定位；旋转编码器(24)通过螺钉安装在固定于机座(6)的编码器支座(23)上；
所述旋转双棱镜系统由两个旋转单棱镜系统组装而成，所述两个旋转单棱镜系统对称布置，两个旋转单棱镜系统相邻侧的第二轴承挡圈采用连接套筒(16)代替，两个旋转单棱镜系统上的机座镶块(9)通过连接套筒(16)固定在一起，并通过周向布置的紧定螺钉实现定位；
所述旋转单棱镜系统的楔形棱镜(5)和旋转双棱镜系统的两块楔形棱镜(5)同轴布置。
2.根据权利要求1所述的旋转三棱镜光束扫描装置，其特征在于楔形棱镜、镜框、滚动轴承和蜗轮同轴布置。
3.根据权利要求1所述的旋转三棱镜光束扫描装置，其特征在于旋转双棱镜系统中与旋转单棱镜系统靠近的那块楔形棱镜(5)与旋转单棱镜系统内的楔形棱镜(5)采用对称布置。
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