CN114755820A - 一种新型多光楔光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型多光楔光学扫描装置，属于光学系统设计技术领域，该装置包括光楔镜筒、红外镜筒、控制单元、光楔组件和红外镜头组，其中，一个或多个控制单元分别安装在光楔镜筒的壳体上、且用于驱动光楔组件精准旋转；一个或多个光楔组件可旋转的安装在光楔镜筒的内部，每个光楔组件均能够独立旋转。与现有技术相比，该装置采用新型结构，配置多个独立旋转的光楔对和多个红外镜片，其自由度和光束指向的精确控制度更高，能够防止出现大角度全反射现象，此外使用两种材料制作光楔对能够消除色差，解决旋转双光楔造成的奇异点和盲区问题，在自由空间光通信、光互连、光电对抗、光电探测、激光武器、干涉测量等领域有着广泛的应用。

Description

一种新型多光楔光学扫描装置

技术领域

本发明属于光学系统设计技术领域，尤其涉及一种新型多光楔光学扫描装置。

背景技术

光楔是红外成像光学系统中用来改变出射光线方向的光学组件，通过旋转光楔，控制光楔的相对角度，改变光轴的位置，实现物方视场的快速大范围扫描。由于其结构紧凑、响应速度快、精度高、视野大、对工作环境的适应性强，使得该系统在目标搜索和定位领域有较大应用前景，可广泛应用于大规模成像与识别、生物医学观察、激光通信、基于视觉的微装配等领域。然而，光楔光学扫描装置在实际应用中会遇到多个问题，例如：光束形状畸变、色散、扫描盲区和控制奇点等。如何设计新型多光楔光学扫描装置的壳体形状、装配方式、驱动装置、以及镜片的布局以解决上述问题，成为该领域的技术难题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种新型多光楔光学扫描装置，该装置采用新型结构，配置多个独立旋转的光楔对和多个红外镜片，其自由度和光束指向的精确控制度更高，能够防止出现大角度全反射现象，此外使用两种材料制作光楔对能够消除色差，解决旋转双光楔造成的奇异点和盲区问题。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，包括光楔镜筒、红外镜筒、控制单元、光楔组件和红外镜头组，其中：所述光楔镜筒的一端可拆卸的安装有端盖，光楔镜筒的另一端可拆卸的安装有连接盖，所述端盖的内侧密封安装有玻璃窗，端盖的外侧扣装有保护盖，连接盖的中部设置有连接红外镜筒用的安装孔；所述红外镜筒包括外筒和内筒，所述内筒同轴布置在外筒的内部，外筒的一端可拆卸的安装在连接盖上，外筒的另一端可拆卸的安装有后盖；一个或多个所述控制单元分别安装在光楔镜筒的壳体上，控制单元用于驱动光楔组件精准旋转；一个或多个所述光楔组件可旋转的安装在光楔镜筒的内部，每个光楔组件均对应设置一个控制单元，每个光楔组件均能够独立旋转；所述红外镜头组安装在红外镜筒内部。

优选的，所述控制单元包括安装壳体、驱动电机、减速机和驱动齿轮，其中：所述安装壳体可拆卸的固定在光楔镜筒的外壳内；所述驱动电机、减速机和驱动齿轮均设置在安装壳体内部，驱动电机的输出轴连接减速机的输入轴，减速机的输出轴套装有驱动齿轮；所述光楔镜筒靠近驱动齿轮的位置设置有传动开口，驱动齿轮的外端能够穿过传动开口、深入光楔镜筒内部。

优选的，所述光楔组件包括光楔座、齿圈、轴承、挡圈、光楔对、限位斜圈和定位圈，其中：所述光楔座为圆柱壳结构，光楔座的外壁上设置有限位外凸台，光楔座的内壁上设置有限位内凸台；所述齿圈套装在光楔座上、且紧靠限位外凸台，齿圈与驱动齿轮啮合；所述轴承套装在光楔座上、且布置在齿圈的两侧，轴承用于实现光楔座与光楔镜筒内壁之间的滚动连接和定位；所述光楔座与光楔座之间、以及光楔座与端盖之间、以及光楔座与连接盖之间设置有用于限位的挡圈；所述光楔对固定在光楔座内部，光楔对的一端紧靠限位内凸台，光楔对的另一端安装有限位斜圈，限位斜圈靠近光楔对的一侧为斜面，所述斜面与相邻光楔的斜面形状一致，限位斜圈远离光楔对的一侧为平面， 所述平面的外侧设置有定位圈。

优选的，光楔对包括两个、三个或四个光楔。

优选的，所述红外镜头组由内向往依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中：所述第一透镜为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒；所述第二透镜为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒；所述第三透镜为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒；所述第四透镜为凸凹透镜，其凹面靠近光楔镜筒；所述第五透镜为双凸透镜。

优选的，所述外筒靠近光楔镜筒的一端由外向内依次设置有第一台阶和第二台阶，所述第一台阶用于安装第一透镜，所述第二台阶安装第二透镜；所述外筒的中部设置有第一间隔腔。

优选的，所述第一台阶的径向贯穿设置有第一调整孔。

优选的，所述内筒靠近光楔镜筒的一端设置有安装第三透镜用的第三台阶，内筒的中部依次设置有第二间隔腔和安装腔以及第三间隔腔，第二间隔腔和安装腔之间设置有通孔，安装腔用于固定第四透镜，第三间隔腔的内部设置有限位筒，内筒的远离光楔镜筒的一端设置有安装限位垫圈用的第四台阶，限位垫圈与限位筒之间设置有第五透镜。

优选的，所述限位筒的内壁为斜面，限位筒的两端环台用于限制第四透镜和第五透镜的位置。

优选的，所述第三台阶的径向贯穿设置有第二调整孔，所述安装腔的径向贯穿设置有第二调整孔。

本发明的一种新型多光楔光学扫描装置具有以下有益效果：

1）该光楔镜筒可配置多个独立旋转的光楔对，其自由度和光束指向的精确控制度更高，能够防止出现大角度全反射现象，此外使用两种材料制作光楔对能够消除色差，该装置能够解决旋转双光楔造成的奇异点和盲区问题。

2） 该装置布局合理、结构紧凑，在保证设备强度、刚度满足要求的前提下，实现了产品的小型化和轻量化。

3）该装置能够通过电机精准控制光楔独立旋转，保证光学设计所要求的镜组定位精度，满足各种力学、热学等环境要求。

4） 该装置的玻璃窗选用高强度光学玻璃，具有耐高低温、热胀系数小、化学稳定性好的特点，可以减弱环境温度变化和辐照对内部光学系统的影响。

5）该装置能够作为小视场红外光学镜头视场的补充，实现对红外光学镜头视场为目标的捕获。

6）该装置的扫描跟踪场≥±35°，解决旋转双光楔造成的奇异点和盲区问题，其指向精度高、动态性能好、可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的顶部结构示意图；

图3是本发明的内部结构示意图；

图4是本发明的光楔镜筒内部示意图；

图5是本发明的光楔组件传动示意图；

图6是本发明的光楔组件结构示意图；

图7是本发明的光楔对安装示意图；

图8是本发明的光楔对结构示意图；

图9是本发明的红外镜头组安装示意图；

图10是本发明的限位筒结构示意图；

图11是本发明的管材连接示意图。

其中，1-光楔镜筒、101-端盖、102-连接盖、103-玻璃窗、104-保护盖、105-安装孔、2-红外镜筒、201-外筒、202-内筒、203-后盖、2011-第一台阶、2012-第二台阶、2013-第一间隔腔、2014-第一调整孔、2021-第三台阶、2022-第二间隔腔、2023-安装腔、2024-第三间隔腔、2025-限位筒、2026-第四台阶、2027-第二调整孔、2028-第二调整孔、3-控制单元、301-安装壳体、302-驱动电机、303-减速机、304-驱动齿轮、4-光楔组件、401-光楔座、402-齿圈、403-轴承、404-挡圈、405-光楔对、406-限位斜圈、407-定位圈、408-第一光楔、409-第二光楔、5-红外镜头组、501-第一透镜、502-第二透镜、503-第三透镜、504-第四透镜、505-第五透镜。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

如图1至3所示，该多光楔光学扫描装置包括光楔镜筒1、红外镜筒2、控制单元3、光楔组件4和红外镜头组5，图中，光楔镜筒1的一端可拆卸的安装有端盖101，光楔镜筒1的另一端可拆卸的安装有连接盖102，端盖101的内侧密封安装有玻璃窗103，端盖101的外侧扣装有保护盖104，连接盖102的中部设置有连接红外镜筒2用的安装孔105。

本实施例中，光楔镜筒1和红外镜筒2采用铝合金2A12，2A12铝合金为一种高强度硬铝合金，可以进行热处理强化，可切削性能良好。表面经过阳极氧化处理后，有较高的抗腐蚀能力。玻璃窗103选用高强度光学玻璃，具有耐高低温、热胀系数小、化学稳定性好的特点，可以减弱环境温度变化和辐照对内部光学系统的影响。光学系统设计采取无热化设计，可以满足-45~60℃的工作环境要求。

图中，红外镜筒2包括外筒201和内筒202，内筒202同轴布置在外筒201的内部，外筒201的一端可拆卸的安装在连接盖102上，外筒201的另一端可拆卸的安装有后盖203；具体的，红外镜头组5安装在红外镜筒2内部，光学窗口外表面镀三防膜，可以起到防潮、防雾、防霉的作用；光学窗口和金属结构件之间采用密封圈加GD414硅橡胶填充；所有接口处均采用GD414硅橡胶密封，以上措施可有效起到防水防潮防盐雾的作用，保证在潮湿的环境下仍然可以正常工作。

需要说明的是，通过调整光学镜头和相机壳体之间的修切垫片的厚度来调整像面清晰度，调整完成后，进行干燥并使用硅橡胶密封，保证光学系统的密封性，即使在潮湿环境下和低气压环境中仍可以正常工作。

本实施例中，包括了3个控制单元3和3个光楔组件4，3个控制单元3分别安装在光楔镜筒1的壳体上，控制单元3用于驱动光楔组件4精准旋转；3个光楔组件4可旋转的安装在光楔镜筒1的内部，每个光楔组件4均能够独立旋转。

需要说明的是，控制单元3和光楔组件4的数量可以根据实际情况灵活设置，例如：2至5组。

实施例二

如图4和图5所示，控制单元3包括安装壳体301、驱动电机302、减速机303和驱动齿轮304，其中：安装壳体301可拆卸的固定在光楔镜筒1的外壳内；驱动电机302、减速机303和驱动齿轮304均设置在安装壳体301内部，驱动电机302的输出轴连接减速机303的输入轴，减速机303的输出轴套装有驱动齿轮304；光楔镜筒1靠近驱动齿轮304的位置设置有传动开口，驱动齿轮304的外端能够穿过传动开口、深入光楔镜筒1内部。

本实施例中，三套独立电机控制系统，根据光学设计要求控制电机-减速机转动，电机减速机通过齿轮传动控制光楔在360º范围内进行转动，传动比为3.2：1。实际应用时，根据要求选取进直流无刷电机+减速机+编码器，可满足-40~+55°环境要求，减速机平均空载背隙≤1.6°。

实施例三

如图6、图7和图8所示，光楔组件4包括光楔座401、齿圈402、轴承403、挡圈404、光楔对405、限位斜圈406和定位圈407，其中：光楔座401为圆柱壳结构，光楔座401的外壁上设置有限位外凸台，光楔座401的内壁上设置有限位内凸台。图中，齿圈402套装在光楔座401上、且紧靠限位外凸台，齿圈402与驱动齿轮304啮合，齿圈402与光楔座401之间采用过盈配合。两个分别轴承403套装在光楔座401上、且布置在齿圈402的两侧，轴承403用于实现光楔座401与光楔镜筒1内壁之间的滚动连接和定位；光楔座401与光楔座401之间、以及光楔座401与端盖101之间、以及光楔座401与连接盖102之间设置有用于限位的挡圈404。

具体的，轴承采用一对等截面薄壁球轴承，材料为轴承钢，变形小。两侧有密封盖，可保证轴承长期稳定运转，里面有耐低温-40至+100℃长城润滑脂7008，不泄露，密封效果好。

图中，光楔对405固定在光楔座401内部，光楔对405的一端紧靠限位内凸台，光楔对405的另一端安装有限位斜圈406，限位斜圈406靠近光楔对405的一侧为斜面，斜面与相邻光楔的斜面形状一致，限位斜圈406远离光楔对405的一侧为平面， 平面的外侧设置有定位圈407。

具体的，光楔安装面垂直度0.02mm，保证安装平行度。图中，三组光楔组件转配完成后，采用串联的方式，安装在镜筒内，镜筒内部的轴向长度采用隔圈调整，轴向长度公差控制在0.1mm之内，确保齿轮正确啮合。

实施例四

本实施例中，光楔组件4中的光楔对405可以包括两个、三个或四个光楔，其中：当光楔对405包括两个光楔时，第一光楔408的楔角α范围为6°至10°，第二光楔409的楔角β范围为2°至5°；当光楔对405包括三个光楔时，第一光楔的楔角α范围为6°至10°，第二光楔的楔角β范围为2°至5°，第三光楔的楔角γ范围为2°至5°。

需要说明的是，光楔组件安装配合径向间隙控制在0~0.05mm之内。通过轴承精度保证三组光楔同轴度误差在0.05mm之内，并保证光楔组件运转的平稳、可靠。

本实例中，由于光楔与棱镜都具有色散的特性，当发生偏折时要考虑系统的色差，由于该问题可以用组合光楔对来减少色差的影响，即用两种不同的材料的光楔组合而成，该装置选择Si和Ge作为组合光楔对的两种材料，其中楔角大的光楔用色散小的硅材料，楔角小的用色散大的锗材料。

实施例五

如图9所示，红外镜头组5由内向往依次包括第一透镜501、第二透镜502、第三透镜503、第四透镜504和第五透镜505，其中：第一透镜501为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒1；第二透镜502为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒1；第三透镜503为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒1；第四透镜504为凸凹透镜，其凹面靠近光楔镜筒1；第五透镜505为双凸透镜。

需要说明的是，透镜外表面镀三防膜，可以起到防潮、防雾、防霉的作用。此外，光学窗口和金属结构件之间采用密封圈加GD414硅橡胶填充。在高精度精密机床加工下，保证各透镜安装定位面同心度公差小于0.02，轴向公差小于±0.03。在设计过程中透镜之间安装调整修斜隔圈，以保证透镜装配过程中进一步调节，调节完成后，用压圈涂抹螺纹胶压紧固定。

实施例六

如图10和图11所示，外筒201靠近光楔镜筒1的一端由外向内依次设置有第一台阶2011和第二台阶2012，第一台阶2011用于安装第一透镜501，第二台阶2012安装第二透镜502；外筒201的中部设置有第一间隔腔2013。

具体的，第一台阶2011的径向贯穿设置有第一调整孔2014，第一调整孔2014用于观测和调整透镜位置。

图中，内筒202靠近光楔镜筒1的一端设置有安装第三透镜503用的第三台阶2021，内筒202的中部依次设置有第二间隔腔2022和安装腔2023以及第三间隔腔2024，第二间隔腔2022和安装腔2023之间设置有通孔，安装腔2023用于固定第四透镜504，第三间隔腔2024的内部设置有限位筒2025，内筒202的远离光楔镜筒1的一端设置有安装限位垫圈用的第四台阶2026，限位垫圈与限位筒2025之间设置有第五透镜505。

具体的，限位筒2025的内壁为斜面，限位筒2025的两端环台用于限制第四透镜504和第五透镜505的位置。图中，第三台阶的径向贯穿设置有第二调整孔，所述安装腔的径向贯穿设置有第二调整孔，调整孔用于观测和调整透镜位置。

需要说明的是，内外筒结构严格安装设计要求，采用铝合金2A12，2A12铝合金为一种高强度硬铝合金，可以进行热处理强化，可切削性能良好。表面经过阳极氧化处理后，有较高的抗腐蚀能力。在高精度精密机床加工下，保证各透镜安装定位面同心度公差小于0.02。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，包括光楔镜筒（1）、红外镜筒（2）、控制单元（3）、光楔组件（4）和红外镜头组（5），其中：

所述光楔镜筒（1）的一端可拆卸的安装有端盖（101），光楔镜筒（1）的另一端可拆卸的安装有连接盖（102），所述端盖（101）的内侧密封安装有玻璃窗（103），端盖（101）的外侧扣装有保护盖（104），连接盖（102）的中部设置有连接红外镜筒（2）用的安装孔（105）；

所述红外镜筒（2）包括外筒（201）和内筒（202），所述内筒（202）同轴布置在外筒（201）的内部，外筒（201）的一端可拆卸的安装在连接盖（102）上，外筒（201）的另一端可拆卸的安装有后盖（203）；

一个或多个所述控制单元（3）分别安装在光楔镜筒（1）的壳体上，控制单元（3）用于驱动光楔组件（4）精准旋转；

一个或多个所述光楔组件（4）可旋转的安装在光楔镜筒（1）的内部，每个光楔组件（4）均对应设置一个控制单元（3），每个光楔组件（4）均能够独立旋转；

所述红外镜头组（5）安装在红外镜筒（2）内部。

2.根据权利要求1所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述控制单元（3）包括安装壳体（301）、驱动电机（302）、减速机（303）和驱动齿轮（304），其中：

所述安装壳体（301）可拆卸的固定在光楔镜筒（1）的外壳内；

所述驱动电机（302）、减速机（303）和驱动齿轮（304）均设置在安装壳体（301）内部，驱动电机（302）的输出轴连接减速机（303）的输入轴，减速机（303）的输出轴套装有驱动齿轮（304）；

所述光楔镜筒（1）靠近驱动齿轮（304）的位置设置有传动开口，驱动齿轮（304）的外端能够穿过传动开口、深入光楔镜筒（1）内部。

3.根据权利要求1所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述光楔组件（4）包括光楔座（401）、齿圈（402）、轴承（403）、挡圈（404）、光楔对（405）、限位斜圈（406）和定位圈（407），其中：

所述光楔座（401）为圆柱壳结构，光楔座（401）的外壁上设置有限位外凸台，光楔座（401）的内壁上设置有限位内凸台；

所述齿圈（402）套装在光楔座（401）上、且紧靠限位外凸台，齿圈（402）与驱动齿轮（304）啮合；

所述轴承（403）套装在光楔座（401）上、且布置在齿圈（402）的两侧，轴承（403）用于实现光楔座（401）与光楔镜筒（1）内壁之间的滚动连接和定位；

所述光楔座（401）与光楔座（401）之间、以及光楔座（401）与端盖（101）之间、以及光楔座（401）与连接盖（102）之间设置有用于限位的挡圈（404）；

所述光楔对（405）固定在光楔座（401）内部，光楔对（405）的一端紧靠限位内凸台，光楔对（405）的另一端安装有限位斜圈（406），限位斜圈（406）靠近光楔对（405）的一侧为斜面，所述斜面与相邻光楔的斜面形状一致，限位斜圈（406）远离光楔对（405）的一侧为平面， 所述平面的外侧设置有定位圈（407）。

4.根据权利要求3所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述光楔对（405）包括两个、三个或四个光楔。

5.根据权利要求1所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述红外镜头组（5）由内向往依次包括第一透镜（501）、第二透镜（502）、第三透镜（503）、第四透镜（504）和第五透镜（505），其中：

所述第一透镜（501）为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒（1）；

所述第二透镜（502）为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒（1）；

所述第三透镜（503）为凸凹透镜，其凸面靠近光楔镜筒（1）；

所述第四透镜（504）为凸凹透镜，其凹面靠近光楔镜筒（1）；

所述第五透镜（505）为双凸透镜。

6.根据权利要求5所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述外筒（201）靠近光楔镜筒（1）的一端由外向内依次设置有第一台阶（2011）和第二台阶（2012），所述第一台阶（2011）用于安装第一透镜（501），所述第二台阶（2012）安装第二透镜（502）；所述外筒（201）的中部设置有第一间隔腔（2013）。

7.根据权利要求6所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述第一台阶（2011）的径向贯穿设置有第一调整孔（2014）。

8.根据权利要求5所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述内筒（202）靠近光楔镜筒（1）的一端设置有安装第三透镜（503）用的第三台阶（2021），内筒（202）的中部依次设置有第二间隔腔（2022）和安装腔（2023）以及第三间隔腔（2024），第二间隔腔（2022）和安装腔（2023）之间设置有通孔，安装腔（2023）用于固定第四透镜（504），第三间隔腔（2024）的内部设置有限位筒（2025），内筒（202）的远离光楔镜筒（1）的一端设置有安装限位垫圈用的第四台阶（2026），限位垫圈与限位筒（2025）之间设置有第五透镜（505）。

9.根据权利要求8所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述限位筒（2025）的内壁为斜面，限位筒（2025）的两端环台用于限制第四透镜（504）和第五透镜（505）的位置。

10.根据权利要求8所述的新型多光楔光学扫描装置，其特征在于，所述第三台阶（2021）的径向贯穿设置有第二调整孔（2027），所述安装腔（2023）的径向贯穿设置有第二调整孔（2028）。

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