CN117310970A - 一种接触式大口径大角度谐振扫描镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其包含：支架，为长方体结构，内部中空；反射镜组件，固定安装在支架的一侧侧壁上；两组音圈作动组件，相对固定安装在与所述反射镜组件相邻的支架的两侧侧壁上；激光发射模块组件，固定安装在所述支架的顶部；分光组件，固定安装在所述支架的内部且位于所述激光发射模块组件的下方；位置测量探测器组件，固定安装在所述支架的内部；控制组件，固定安装在支架的一侧侧壁上，且与所述反射镜组件相对设置。本装置是一种集成度较高的光机电一体化系统，传动效率高，负载能力强，可大角度驱动大口径玻璃反射镜，并且力学性能优异，能够满足宇航、军工以及其他恶劣工况的使用要求。

Description

一种接触式大口径大角度谐振扫描镜

技术领域

本发明涉及精密光学机械设计技术领域，具体涉及一种接触式大口径大角度谐振扫描镜。

背景技术

谐振扫描镜以相对固定的谐振频率进行简谐运动，较检流计式扫描振镜具有更高的扫描速度。目前MEMS形式的谐振镜都是采用非接触式的，接触式的结构更复杂，并且对控制软件要求更高些，非接触式的驱动能力差，负载能力有限，所以只能驱动小镜子和小角度，MEMS镜采用硅片刻蚀，面型差，而且镜子靠刻蚀形成的一体式扭力梁，机械强度差，受到冲击容易断裂，不满足军事航天等存在大冲击力的情况；根据雷达方程，雷达作用距离与扫描镜口径。

发明内容

本发明提供一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，用于解决现有MEMS扫描镜口径小，抗冲击能力差的问题。

一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，包括：支架，为长方体结构，内部中空；反射镜组件，固定安装在支架的一侧侧壁上；两组音圈作动组件，相对固定安装在与所述反射镜组件相邻的支架的两侧侧壁上；且每组音圈作动组件均通过一弹性机构与所述反射镜组件连接，该音圈作动组件产生的振动可通过对应的弹性机构传递至反射镜组件，以使该反射镜组件因摆动形成转动角度；激光发射模块组件，固定安装在所述支架的顶部；分光组件，固定安装在所述支架的内部且位于所述激光发射模块组件的下方；位置测量探测器组件，固定安装在所述支架的内部，且分别与所述分光组件以及支架固定连接；由激光发射模块组件发射的激光依次经过分光组件和反射镜组件投射到位置测量探测器组件的中心点形成激光光斑，且该激光光斑随着反射镜组件的摆动与位置测量探测器组件的中心点形成偏移；控制组件，固定安装在支架的一侧侧壁上，且与所述反射镜组件相对设置；该控制组件分别与音圈作动组件以及位置测量探测器组件通过电路连接；该控制组件控制所述音圈作动组件振动，同时采集激光光斑在位置测量探测器组件上的位置，可得到反射镜组件的转动角度。

优选地，所述反射镜组件包括：反射镜固定支架，固定安装在支架上；反射镜托，其与所述反射镜固定支架之间通过扭力梁连接；主反射镜，固定设置在所述反射镜托上，且其镜面朝向支架的外部设置；微型反射镜，固定设置在所述主反射镜的背面中心，且其镜面朝向支架的内部设置。

优选地，所述反射镜固定支架设置有两个，分别固定安装在支架的顶部及底部；所述反射镜托的上下两端分别通过扭力梁与对应的反射镜固定支架连接；其中，每个所述反射镜固定支架均通过紧固件与对应的扭力梁连接。

优选地，所述主反射镜采用胶粘剂固定于反射镜托上；所述微型反射镜采用胶粘剂固定于主反射镜背面中心。

优选地，每个所述音圈作动组件包括线圈，磁体，振膜、作动器支架，后盖；该音圈作动组件按照后盖，作动器支架，磁体，线圈，振膜的顺序依次连接组装，并通过作动器支架安装在所述支架上。

优选地，所述弹性机构采用弹簧，一端连接于音圈作动组件的振膜，一端连接于反射镜托，将音圈作动组件的振动传递至反射镜组件的主反射镜。

优选地，所述激光发射模块组件包括激光二极管和激光二极管固定支架；所述激光二极管固定支架固定安装在支架的顶部，所述激光二极管固定安装在所述激光二极管固定支架上，且该激光二极管的发射端朝向分光组件。

优选地，所述分光组件由分光镜片和镜片支架组成，位于支架中心；所述镜片支架与位置测量探测器组件固定连接，所述分光镜片固定安装在镜片支架上。

优选地，所述位置测量探测器组件包括：位置探测器和位置探测器固定支架；所述位置探测器固定支架分别与镜片支架、支架固定连接，所述位置探测器固定安装在位置探测器固定支架上。

优选地，所述控制组件分别与位置探测器以及各个音圈作动组件的线圈电连接，其采集激光光斑形成在位置探测器上的具体位置信息，以及驱动音圈作动组件振动。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1、本发明的谐振扫描镜设计了一种接触式传动机构，传动效率高，采用双音圈作动器驱动，与MEMS扫描镜相比，负载能力强，可大角度驱动大口径玻璃反射镜，能够有效提高激光雷达等设备的作用距离。

2、本发明可以驱动25mm以上的玻璃材质镜片，角度可以到60°以上。大口径和大角度是因为采用直接接触式的传动形式。

3、本发明的谐振扫描镜采用弹簧作为传动机构，由于弹簧本身具有良好的抗冲击能力，与传统的基于硅片的MEMS扫描镜相比，有效提高了扫描镜的抗力学特性，能够满足宇航、军工以及其他恶劣工况的使用要求。

4、本发明的谐振扫描镜是一种集成度较高的光机电一体化系统，控制，作动，测量等功能组件全部集成于扫描镜内部，工作时除了提供必需的电信号以外，无需用其他仪器设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述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专利的一些实施例，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为本发明的谐振扫描镜的外部示意图。

图2为发明的谐振扫描镜的剖面示意图。

图3为发明的反射镜组件的连接关系示意图。

图4为发明的音圈作动组件的组成示意图。

图5为发明的谐振扫描镜内部光路示意图。

图6为发明的角度测量原理示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。虽然附图中显示了本发明的实施方式，但是应该理解的是，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

如图1和图2所示，本发明提供了一种接触式大口径大角度谐振扫描镜。其包含反射镜组件1、弹性机构2、两组音圈作动组件3、位置测量探测器组件4、激光发射模块组件5、分光组件6、控制组件7、支架8。

所述支架8为长方体结构，内部中空；弹性机构2、位置测量探测器组件4、分光组件6位于支架8内部；所述反射镜组件1与控制组件7于支架8两侧侧壁上相对设置；所述两组音圈作动组件3于支架8的另两侧侧壁上相对设置；所述激光发射模块组件5设置于所述支架8的顶部，其发射的激光依次经过分光组件6和反射镜组件1进入到位置测量探测器组件4上；在谐振扫描镜运作时，控制组件7、两组音圈作动组件3以及位置测量探测器组件4等功能组件全部集成于扫描镜内部，工作时除了提供必需的电信号以外，无需使用其他仪器设备，实现一种集成度较高的光机电一体化系统。

进一步地，如图3所示，所述弹性机构2设置有两个；所述反射镜组件1固定安装在支架8的一侧侧壁上；两组所述音圈作动组件3分别固定安装在与反射镜组件1所在的支架8的侧壁相邻的两侧侧壁上，且彼此相对设置。每个音圈作动组件3分别通过对应的弹性机构2与反射镜组件1连接，即每个音圈作动组件3均与对应弹性机构2的其中一端连接，每个弹性机构2的另一端均与反射镜组件1连接。因此，所述音圈作动组件3产生的微振动可通过对应的弹性机构2传递至反射镜组件1，从而可以通过控制音圈作动组件3的振动幅度调节扫描角度范围。谐振扫描镜采用接触式传动机构，传动效率高，采用双音圈作动器驱动，负载能力强，可大角度驱动大口径玻璃反射镜，能够有效提高激光雷达等设备的作用距离。

如图3和图5所示，所述反射镜组件1包括主反射镜9，反射镜托10，微型反射镜11，扭力梁12及反射镜固定支架13；其中，所述反射镜固定支架13固定安装在支架8上，且该反射镜固定支架13与反射镜托10通过扭力梁12连接；所述主反射镜9固定于反射镜托10上，且其镜面朝向支架8的外部设置；所述微型反射镜11固定于主反射镜9背面，即其镜面朝向支架8的内部设置。

优选地，所述反射镜固定支架13设置有两个，分别固定安装在支架8的顶部及底部；所述反射镜托10的上下两端分别通过扭力梁12与对应的反射镜固定支架13连接。其中，每个所述反射镜固定支架13均通过紧固螺丝与对应的扭力梁12连接，通过旋拧所述紧固螺丝来调节控制扭力梁12的拉紧力大小，从而使得安装后的反射镜托10的上下两端均被拉紧，以实现反射镜托10的固定安装；所述微型反射镜11固定于主反射镜9背面中心位置，以提高测量数据的精度。

在优选实施例中，所述主反射镜9采用胶粘剂固定于反射镜托10上；所述微型反射镜11采用胶粘剂固定于主反射镜9背面，以此增加牢固性，保证装置反射镜的稳定性。

如图4所示，每个所述音圈作动组件3包括线圈14，磁体15，振膜16、作动器支架17，后盖18，其按照后盖18，作动器支架17，磁体15，线圈14，振膜16的顺序依次连接组装，并通过作动器支架17安装在所述支架8上，且该音圈作动组件3的振膜16朝向支架8的外部，而后盖18朝向支架8的内部。进一步地，如图3所示，所述弹性机构2采用弹簧形式的传动机构，一端固定于音圈作动组件3的振膜16，一端固定于反射镜托10背面，从而连接反射镜组件1与音圈作动组件3，并可将音圈作动组件3的振动传递至反射镜组件1的主反射镜9。本实施例采用弹簧作为传动机构，由于弹簧本身具有良好的抗冲击能力，有效提高了扫描镜的抗力学特性，能够满足宇航、军工以及其他恶劣工况的使用要求。

所述激光发射模块组件5与支架8固定连接，且设置于支架8顶部；所述位置测量探测器组件4与分光组件6固定连接，且所述分光组件6位于所述激光发射模块组件5的正下方；所述控制组件7固定设置在所述支架8的一侧侧壁上，且与所述反射镜组件1相对设置。该些部件与支架8之间固定连接，可以使得整个装置更加稳固，保障装置运用的稳定性。

如图5所示，所述激光发射模块组件5包括激光二极管19和激光二极管固定支架20。其中，所述激光二极管固定支架20固定安装在支架8的顶部，所述激光二极管19固定安装在所述激光二极管固定支架20上，且该激光二极管19的发射端朝向分光组件6。

如图5所示，所述分光组件6由分光镜片21和镜片支架22组成，位于支架8中心。所述镜片支架22与位置测量探测器组件4固定连接，所述分光镜片21固定安装在镜片支架22上且呈一定角度倾斜放置，用于接收激光二极管19发射的激光并将该激光分为反射光和透射光。

优选地，所述分光镜片21与垂直方向呈45°角度倾斜设置，用于将激光二极管19发射的激光分为反射光和透射光；进一步地，分光镜片21的表面上镀介质膜，该膜可将45°入射的激光二极管19发射的激光分光为50％反射光、50％透射光，50％分光比可以使整体激光损失最小，实现更好的分光效果。其中，所述反射光经由反射镜组件1中的微型反射镜11的再次反射后，并通过分光镜片21透射后入射到位置测量探测器组件4中的位置探测器23的中心点上形成激光光斑。

如图5所示，所述位置测量探测器组件4包含位置探测器23和位置探测器固定支架24。所述位置探测器固定支架24与镜片支架22、支架8固定连接，所述位置探测器23固定安装在位置探测器固定支架24上。

优选地，所述激光二极管19发射的激光波长与位置探测器23相适应，以保证测量的准确性。

所述控制组件7分别与位置探测器23以及各个音圈作动组件3的线圈14电连接，其采集位置探测器23上形成激光光斑的具体位置，并驱动控制音圈作动组件3。

具体的，控制组件7为音圈作动组件3供电，当电流通过线圈14时，线圈14周围就会形成磁场，线圈14所形成的磁场与磁体15间的磁场互相作用，线圈14在磁场中通电受力，发生运动。当通入线圈14的电流为交变电流时，线圈14受到力的方向也随电流方向发生周期性翻转，由此线圈14带动振膜16产生与线圈14内交变电流同频率的振动，所述振膜16带动整个音圈作动组件3同频率振动。进而两个音圈作动组件3分别通过弹性机构2驱动主反射镜9做来回摆动振动，在摆动过程中，该主反射镜9会产生转动角度θ。

同时，由于激光发射模块组件5的激光二极管19发射的激光在经由分光镜片21和微型反射镜11的多次反射和透射后在位置探测器23上形成激光光斑，但因为主反射镜9在此过程中因振动摆动会产生转动角度，因此位于其背面的微型反射镜11也同样被带动形成摆动，从而导致投射到位置探测器23上的激光光斑与位置探测器23的中心点形成一定距离的偏移。

又因为扫描镜整体的谐振频率是其固有属性，通过调试时测量获得，不同扫描镜的固有频率有所差别，与镜片大小尺寸，传动机构参数等等相关。所以当音圈作动组件3的振动频率靠近谐振频率时，主反射镜9的摆动幅度显著增大，扫描镜扫描精度越大，从而实现大角度扫描。当音圈作动组件3的振动频率与扫描镜整体的谐振频率一致时，会发生最佳的简谐振动。

其中，主反射镜9的转动角度的测量原理如图6所示，通过测量标定拟合出角度和位置探测器输出之间的关系，公式如下：

所述θ为主反射镜的转动角度，m为激光光斑到位置探测器中心位置的距离，l为主反射镜中心位置到位置探测器中心位置的水平距离。

以下为本发明的具体实施例：

如图5、图6所示，激光发射模块组件5的激光二极管19朝向分光组件6发射激光①，激光经过分光组件6的分光镜片21后形成反射光②，反射光②经由反射镜组件1中的微型反射镜11的再次反射后形成反射光③，反射光③在分光镜片21处产生透射光④，透射光④入射到位置测量探测器组件4中的位置探测器23上形成一个激光光斑。在测量过程中，通过控制组件7控制音圈作动组件3振动幅度调节扫描角度范围，同时通过采集激光光斑在位置探测器23上的位置可得到主反射镜9的转动角度。

具体的，由于控制组件7控制音圈作动组件3振动，从而带动反射镜组件1中的主反射镜9发生转动，此时微型反射镜11也随之转动，激光光斑将会在位置探测器23上相对于其中心位置发生移动，并且主反射镜9的转动角度与位置探测器23上的光斑位置一一对应，位置探测器23会输出与激光光斑位置相关的信号(即上述提及的数据m与l)，并按照上述公式通过处理这两组数据可以得到主反射镜9的转动角度。

以上所述，仅为本发明的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，包括：

支架(8)，为长方体结构，内部中空；

反射镜组件(1)，固定安装在支架(8)的一侧侧壁上；

两组音圈作动组件(3)，相对固定安装在与所述反射镜组件(1)相邻的支架(8)的两侧侧壁上；且每组音圈作动组件(3)均通过一弹性机构(2)与所述反射镜组件(1)连接，该音圈作动组件(3)产生的振动可通过对应的弹性机构(2)传递至反射镜组件(1)，以使该反射镜组件(1)因摆动形成转动角度；

激光发射模块组件(5)，固定安装在所述支架(8)的顶部；

分光组件(6)，固定安装在所述支架(8)的内部且位于所述激光发射模块组件(5)的下方；

位置测量探测器组件(4)，固定安装在所述支架(8)的内部，且分别与所述分光组件(6)以及支架(8)固定连接；由激光发射模块组件(5)发射的激光依次经过分光组件(6)和反射镜组件(1)投射到位置测量探测器组件(4)的中心点形成激光光斑，且该激光光斑随着反射镜组件(1)的摆动与位置测量探测器组件(4)的中心点形成偏移；

控制组件(7)，固定安装在支架(8)的一侧侧壁上，且与所述反射镜组件(1)相对设置；该控制组件(7)分别与音圈作动组件(3)以及位置测量探测器组件(4)通过电路连接；该控制组件(7)控制所述音圈作动组件(3)振动，同时采集激光光斑在位置测量探测器组件(4)上的位置，可得到反射镜组件(1)的转动角度。

2.如权利要求1所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，所述反射镜组件(1)包括：

反射镜固定支架(13)，固定安装在支架(8)上；

反射镜托(10)，其与所述反射镜固定支架(13)之间通过扭力梁(12)连接；

主反射镜(9)，固定设置在所述反射镜托(10)上，且其镜面朝向支架(8)的外部设置；

微型反射镜(11)，固定设置在所述主反射镜(9)的背面中心，且其镜面朝向支架(8)的内部设置。

3.如权利要求2所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，所述反射镜固定支架(13)设置有两个，分别固定安装在支架(8)的顶部及底部；所述反射镜托(10)的上下两端分别通过扭力梁(12)与对应的反射镜固定支架(13)连接；

其中，每个所述反射镜固定支架(13)均通过紧固件与对应的扭力梁(12)连接。

4.如权利要求3所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，所述主反射镜(9)采用胶粘剂固定于反射镜托(10)上；所述微型反射镜(11)采用胶粘剂固定于主反射镜(9)背面中心。

5.如权利要求3所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，每个所述音圈作动组件(3)包括线圈(14)，磁体(15)，振膜(16)、作动器支架(17)，后盖(18)；

该音圈作动组件(3)按照后盖(18)，作动器支架(17)，磁体(15)，线圈(14)，振膜(16)的顺序依次连接组装，并通过作动器支架(17)安装在所述支架(8)上。

6.如权利要求5所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，所述弹性机构(2)采用弹簧，一端连接于音圈作动组件(3)的振膜(16)，一端连接于反射镜托(10)，将音圈作动组件(3)的振动传递至反射镜组件(1)的主反射镜(9)。

7.如权利要求1所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，所述激光发射模块组件(5)包括激光二极管(19)和激光二极管固定支架(20)；

所述激光二极管固定支架(20)固定安装在支架(8)的顶部，所述激光二极管(19)固定安装在所述激光二极管固定支架(20)上，且该激光二极管(19)的发射端朝向分光组件(6)。

8.如权利要求7所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，所述分光组件(6)由分光镜片(21)和镜片支架(22)组成，位于支架(8)中心；

所述镜片支架(22)与位置测量探测器组件(4)固定连接，所述分光镜片(21)固定安装在镜片支架(22)上。

9.如权利要求8所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，所述位置测量探测器组件(4)包括：位置探测器(23)和位置探测器固定支架(24)；

所述位置探测器固定支架(24)分别与镜片支架(22)、支架(8)固定连接，所述位置探测器(23)固定安装在位置探测器固定支架(24)上。

10.如权利要求9所述的一种接触式大口径大角度谐振扫描镜，其特征在于，所述控制组件(7)分别与位置探测器(23)以及各个音圈作动组件(3)的线圈(14)电连接，其采集激光光斑形成在位置探测器(23)上的具体位置信息，以及驱动音圈作动组件(3)振动。