CN1713028A - 双光楔光束偏转机械装置 - Google Patents

Abstract

一种实现光束小角度偏转的精密双光楔光束偏转机械装置，该装置基于透射光束经过正交旋转双光楔时的折射原理，主要由底座、两个直线步进电机、两个导轨、两个圆形光楔及镜框及两个角度编码器构成，水平转动轴和垂直转动轴正交布置，一端分别刚性联结到镜框上，另一端则通过高精度滚动轴承实现支撑，两个直线步进电机布置在底座内部，通过电机螺杆推进两个镜框分别绕水平转动轴和垂直转动轴旋转，转动轴的一侧布置有模块式角度编码器。工作时受控制电路作用，直线步进电机推进光楔及镜框总成旋转，同时编码器实时反馈光楔实际转角。该装置可根据需要使透射光束在较小视场内产生一定俯仰角和方位角偏转。

Description

双光楔光束偏转机械装置

技术领域

本发明涉及光学传递系统，是一种可以使两个圆形光楔实现空间正交旋转的精密的双光楔光束偏转机械装置，尤其适用于模拟光学传递系统中较小视场内一定俯仰角和方位角的光束偏转。

背景技术

光楔在光学传递系统中有着广泛的应用，如平行光路中的补偿器(旋转单光楔、旋转双光楔，摆动双光楔等)，会聚光路中的补偿器(轴向移动单光楔、轴向移动双光楔、横向移动双光楔等)。实际应用中根据不同的光束偏向角要求而采用不同的光楔组合。一般在平行光路中，单光楔可以作为校验仪器上的微调机构，旋转双光楔组合可以产生较大视场的任意偏向角；而会聚光路中轴向移动光楔通常只能实现视场上像点的上下移动。在光学传递和检测中，有时候需要得到小视场内一定俯仰角和方位角的光束偏转，如星间激光通信终端跟瞄系统中光束传递的模拟等，此时就需要设计特定的精密机械系统来完成这样的功能。

在星间激光束传递的工作中，通过两个光楔分别绕正交轴旋转实现了光束按照预定的俯仰角和方位角的精确偏转。其基本原理参见在先技术(孙建锋等专利，申请号：200410024986.2，申请日2004年10月《旋转双棱镜角度发生器》)。该发明理论上实现了小范围内微弧度量级的高精度光束偏离的问题。图1为其原理图，图中标号的含义如下：21-数据转换1；22-数据转换2；23-驱动电路1；24-驱动电路2；25-直线步进电机1；26-直线步进电机2；27-转动机构1；28-转动机构2；29-棱镜1；210-棱镜2；211-计算机。图2为其结构示意图，(a)正视图；(b)侧视图；(c)俯视图。

但是该在先技术《旋转双棱镜角度发生器》的机械系统有缺点，旋转步进电机直接耦合转动轴实现棱镜旋转，对步进电机的进给精度和动力性能要求较高，机械误差较大。同时在先技术中使用矩形棱镜，装置体积庞大，结构不紧凑。

发明内容

本发明的目的是基于上述在先技术的光学原理(如图3所示)，提供一种实现双圆形光楔绕正交轴旋转的双光楔光束偏转机械装置，以克服上述技术的不足。

本发明的技术解决方案如下：

一种实现双圆形光楔绕正交轴旋转的双光楔光束偏转机械装置，包括分别绕正交轴旋转的第一光楔、第二光楔、第一直线步进电机、第二直线步进电机、第一角度编码器、第二角度编码器和底座，其特征在于：

第一光楔及镜框总成和第二光楔及镜框总成置中布置在底座内：

所述的第一光楔及镜框总成的构成：所述的第一光楔胶合在内镜框中，第一光楔的楔面由楔形垫圈支撑，通过O形圈和内镜框接触，内镜框放置在外镜框)中，第一光楔的平面朝外，通过光楔压板螺旋旋进压紧，该光楔压板和第一光楔间垫有弹性块，内镜框和外镜框之间安置有由微调螺钉和调整块构成的微调机构，该外镜框的正下方设有镜框连接板；

一水平转动轴由左段和右段构成，该水平转动轴左段的右端和水平转动轴右段的左端与外镜框刚性联结在一起，所述的左段和右段的另一端通过高精度滚动轴承由底座支撑；第一角度编码器固定在水平转动轴左段的左端；

第一直线步进电机及导轨的构成是：第一直线步进电机通过支架固定在底座的内部，该第一直线步进电机的电机螺杆通过预紧弹簧和螺帽设置在镜框连接板的V形槽内，预紧弹簧保证螺帽和镜框连接板始终紧密接触；限位螺钉保证静止时受预紧弹簧的作用使第一光楔及镜框不偏离起始位置，所述的电机螺杆通过导向架联结在导轨滑块上，该导轨滑块位于导轨上，该导轨也通过支架固定在底座上；

第二光楔及镜框总成与第一光楔及镜框总成的结构完全相同；一垂直转动轴由上段和下段构成，该垂直转动轴的上段的下端和垂直转动轴下段的上端与第二光楔及镜框总成的外镜框刚性联结在一起，另一端通过高精度滚动轴承由底座支撑；第二角度编码器固定在所述的垂直转动轴上段的上端；

第二直线步进电机及导轨的构成与第一直线步进电机及导轨的构成完全相同，也固定在底座的内部，不同在于安装位置和作用，第一直线步进电机及导轨的作用是推动第一光楔及镜框总成绕水平转动轴转动，而第二直线步进电机及导轨的作用在于推动第二光楔及镜框总成绕垂直转动轴转动。

所述的底座上布置有钓钩。

本发明的技术效果：

1.采用两个圆形光楔，正八边形内外镜框，对称布置在底座内。两个直线步进电机固定在底座内部，分别通过两根螺杆直接顶进两个镜框使其绕一对正交转动轴旋转，同时用预紧弹簧实现镜框和螺杆的紧密接触。电机螺杆和导轨滑块相连，由直线导轨导向进给，工作平稳无抖动。相对在先技术中旋转电机直接耦合转动轴实现光楔转动而言，机械系统精度有了很大的提高，整体外形也较在先技术美观紧凑。

2.内外镜框嵌套，并有光楔主截面位置微调机构。光楔安装在内镜框中，内镜框通过微调机构在外镜框中旋转，从而可以对圆形光楔主截面位置进行精确标定。

3.水平转动轴和垂直转动轴分别与两个置中布置的镜框刚性联结在一起，并用高精度的滚动轴承进行支撑，重心合理，运动平稳灵活，冲击小。

附图说明

图1为在先技术正交旋转双光楔光束扫描原理图。

图2为在先技术的总装示意图，(a)图中为正视图；(b)为侧视图；(c)为俯视图。

图3为本发明光束偏转的光学原理图及光楔外形图。

图4为本发明的总装正视示意图。

图5为图4的A-A剖视图

图6为图4的B-B剖视图

图7为第一光楔及镜框示意图

图8为第一直线步进电机及导轨示意图。

图中：1-底座，2-第一光楔及镜框总成，20-弹性块，21-第一光楔，22-内镜框，23-外镜框，24-楔形垫块，25-光楔压板，26-微调螺钉，27-O形圈，28-调整块，29-光楔连接板，3-第二光楔及镜框总成，4-第一直线步进电机及导轨，41-第一直线步进电机，42-限位螺钉，43-第一电机螺杆，44-顶杆螺帽，45-导轨，46-导轨滑块，47-预紧弹簧，48-导向架，49-支架；5-第二直线步进电机及导轨，6-第一角度编码器，7-第二角度编码器，8-钓钩；9-水平轴左段，10-水平轴右段；11-垂直轴上段，12-垂直轴下段。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图4～图6所示。本发明双光楔光束偏转机械装置，包括分别绕正交轴旋转的第一光楔、第二光楔、第一直线步进电机、第二直线步进电机、第一角度编码器、第二角度编码器和一底座，其特点是：

第一光楔及镜框总成2和第二光楔及镜框总成3置中布置在底座1内：

所述的第一光楔及镜框总成2的构成：参阅图7，所述的第一光楔21胶合在内镜框22中，第一光楔21的楔面由楔形垫圈24支撑，通过O形圈27和内镜框22接触，内镜框22放置在外镜框23中，第一光楔21的平面朝外，通过光楔压板25螺旋旋进压紧，该光楔压板25和第一光楔21间垫有弹性块20，内镜框22和外镜框23之间安置有由微调螺钉26和调整块28构成的微调机构，该外镜框23的正下方设有镜框连接板29；

一水平转动轴由左段9和右段10构成，该水平转动轴左段9的右端和水平转动轴右段10的左端与外镜框23刚性联结在一起，所述的左段9和右段10的另一端通过高精度滚动轴承由底座1支撑；第一角度编码器(6)固定在水平转动轴左段9的左端；

第一直线步进电机及导轨4的构成是：第一直线步进电机41通过支架49固定在底座1的内部，该第一直线步进电机41的电机螺杆43通过预紧弹簧47和螺帽44设置在镜框连接板29的V形槽内，预紧弹簧47保证螺帽44和镜框连接板29始终紧密接触；限位螺钉42保证静止时受预紧弹簧47的作用使第一光楔及镜框2不偏离起始位置，所述的电机螺杆43通过导向架48联结在导轨滑块46上，该导轨滑块46位于导轨45上，该导轨45也通过支架49固定在底座1上；

第二光楔及镜框总成3与第一光楔及镜框总成2的结构完全相同；第二光楔及镜框总成3具有一垂直转动轴，由上段11和下段12构成，该垂直转动轴的上段11的下端和垂直转动轴下段12的上端与第二光楔及镜框总成3的外镜框刚性联结在一起，另一端通过高精度滚动轴承由底座1支撑；第二角度编码器7固定在所述的垂直转动轴上段11的上端；

第二直线步进电机及导轨5的构成与第一直线步进电机及导轨4的构成完全相同，也固定在底座1的内部，不同在于安装位置和作用，第一直线步进电机及导轨4的作用是推动第一光楔及镜框总成2绕水平转动轴转动，而第二直线步进电机及导轨5的作用在于推动第二光楔及镜框总成3绕垂直转动轴转动。所述的底座1上布置有钓钩8，以方便搬迁。

第一直线步进电机和第二直线步进电机固定在底座上，工作时电机螺杆直线进给，分别作用在水平轴镜框的一侧和垂直轴镜框的一侧。电机螺杆通过预紧弹簧和镜框保持接触，同时限位螺钉保证了静止工况下的第一光楔及镜框和第二光楔及镜框不偏离起始位置。电机螺杆通过导向架和导轨滑块相连，导轨固定在底座上，这样就保证了电机螺杆沿直线平稳进给，无冲击抖动。

受电机螺杆作用，水平轴镜框绕水平轴小角度转动，垂直轴镜框绕垂直轴小角度转动，分别实现光束俯仰角和方位角的变化。水平转动轴和垂直转动轴都由两段组成，一端和镜框刚性联结在一起，另一端通过高精度滚动轴承由底座实现支撑。两个编码器则分别固定在水平转动轴的最右端和垂直转动轴的最上端，安装方便，不需要较大的校准即可以实现对准安装。工作时，编码器鼓轮随转动轴一起转动，可以实时测量转动轴的实际转角。

本发明的技术效果还可作进一步分析：

设第一直线步进电机的行程为s，电机螺杆轴线与棱镜旋转轴线的距离，即螺杆顶进的力臂为L，则可以实现的光楔旋转角度为：

$\mathrm{\α}=\frac{s}{L}\×\frac{\mathrm{\π}}{180}$

如当电机螺杆行程为23mm，最大行程31.8mm，力臂L长261，则可以实现光楔旋转角度0～5°，最大转角不大于7°。

设直线步进电机的步长为l，则直线步进电机每个步长可以达到的测量角精度β为：

$\mathrm{\β}=\frac{l}{L}\×\mathrm{\ρ}$

上式中：ρ为弧度化为角秒的转换量，l为步进电机步长。如果装置中选装高性能细分驱动器，则可以对电机的进给步长进行更细的划分。

如选择步长l＝6.096μm，力臂L长261，则直线步进电机每个步长可以达到的测量角精度为：

$\frac{l}{L}\×\mathrm{\ρ}=\frac{{6.096\×10}^{-3}}{261}\×2.06365\×{10}^5={4.8}^{\′\′}$

编码器的选择要和直线步进电机的步长相匹配。如直线步进电机实现的测量角精度为4.8″时。则编码器可以选用HEIDENHAIN(海德汉)ERA180模块式角度编码器，鼓内径φ40mm，刻线数6000，刻线准确度±5″，推荐测量步距0.0015°约5.4″。可知ERA180/φ40编码器基本与该种电机相匹配。

本实施例中，第一角度编码器6和第二角度编码器7均选用德国海德汉ERA180编码器。

图7为第一光楔及镜框2图。第一光楔21材料为k9玻璃，直径φ360mm，棱角为5°，最薄端为30mm。它胶合在内镜框22中，第一光楔21楔面由楔形垫圈24支撑，通过O形圈27和内镜框22接触。内镜框22放置在外镜框23中，第一光楔21的平面侧朝外，通过光楔压板25螺旋旋进压紧，光楔压板25和第一光楔21间垫有弹性块20，紧固后可以使第一光楔21表面受压均匀，变形小。内镜框22和外镜框23之间安置有微调机构，由微调螺钉26和调整块28构成。松开光楔压板25，手动调整微调螺钉26，固定在内镜框22上的调整块28即可带动内镜框22在外镜框23内旋转，以校正第一光楔21主截面的位置。

图8为第一直线步进电机及导轨4示意图。第一直线步进电机41及进给机构都布置在底座1的内部，通过第一电机螺杆43和螺帽44作用在镜框连接板29的V形槽内。预紧弹簧47保证螺帽44和镜框连接板29始终紧密接触。限位螺钉42保证静止时受预紧弹簧作用第一光楔及镜框2不偏离起始位置。为了防止第一直线步进电机41进给时产生抖动，装置中采用了导轨45和导轨滑块46结构，导轨45也通过支架49固定在底座1上。电机螺杆43通过导向架48联结在导轨滑块46上，进给时导轨滑块46在导轨45上滑行，确保了第一直线步进电机41的进给精度。导轨45及滑块46采用日本THK公司的不锈钢高精度导轨。

Claims (2)

1、一种实现双圆形光楔绕正交轴旋转的双光楔光束偏转机械装置，包括分别绕正交轴旋转的第一光楔、第二光楔、第一直线步进电机、第二直线步进电机、第一角度编码器、第二角度编码器和一底座，其特征在于：

第一光楔及镜框总成(2)和第二光楔及镜框总成(3)置中布置在底座(1)内：

所述的第一光楔及镜框总成(2)的构成：所述的第一光楔(21)胶合在内镜框(22)中，第一光楔(21)的楔面由楔形垫圈(24)支撑，通过O形圈(27)和内镜框(22)接触，内镜框(22)放置在外镜框(23)中，第一光楔(21)的平面朝外，通过光楔压板(25)螺旋旋进压紧，该光楔压板(25)和第一光楔(21)间垫有弹性块(20)，内镜框(22)和外镜框(23)之间安置有由微调螺钉(26)和调整块(28)构成的微调机构，该外镜框(23)的正下方设有镜框连接板(29)；

一水平转动轴由左段(9)和右段(10)构成，该水平转动轴左段(9)的右端和水平转动轴右段(10)的左端与外镜框(23)刚性联结在一起，所述的左段(9)和右段(10)的另一端通过高精度滚动轴承由底座(1)支撑；第一角度编码器(6)固定在水平转动轴左段(9)的左端；

第一直线步进电机及导轨(4)的构成是：第一直线步进电机(41)通过支架(49)固定在底座(1)的内部，该第一直线步进电机(41)的电机螺杆(43)通过预紧弹簧(47)和螺帽(44)设置在镜框连接板(29)的V形槽内，预紧弹簧(47)保证螺帽(44)和镜框连接板(29)始终紧密接触；限位螺钉(42)保证静止时受预紧弹簧(47)的作用使第一光楔及镜框(2)不偏离起始位置，所述的电机螺杆(43)通过导向架(48)联结在导轨滑块(46)上，该导轨滑块(46)位于导轨(45)上，该导轨(45)也通过支架(49)固定在底座(1)上；

第二光楔及镜框总成(3)与第一光楔及镜框总成(2)的结构完全相同；一垂直转动轴由上段(11)和下段(12)构成，该垂直转动轴的上段(11)的下端和垂直转动轴下段(12)的上端与第二光楔及镜框总成(3)的外镜框刚性联结在一起，另一端通过高精度滚动轴承由底座(1)支撑；第二角度编码器(7)固定在所述的垂直转动轴上段(11)的上端；

第二直线步进电机及导轨(5)的构成与第一直线步进电机及导轨(4)的构成完全相同，也固定在底座(1)的内部，不同在于安装位置和作用，第一直线步进电机及导轨(4)的作用是推动第一光楔及镜框总成(2)绕水平转动轴转动，而第二直线步进电机及导轨(5)的作用在于推动第二光楔及镜框总成(3)绕垂直转动轴转动。

2、根据权利要求1所述的双光楔光束偏转机械装置，其特征在于所述的底座(1)上布置有钓钩(8)。

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