CN208013544U - 一种用于扩大视场的轻量化扫镜系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光机结构设计领域，提供了一种用于扩大视场的轻量化扫镜系统，旨在解决现有扫镜系统无法保证楔形镜面形精度、尺寸和重量较大、不能扩展视场的技术问题。本实用新型通过控制两个结构相同、对称设置的光楔镜组以相同速度向相反方向转动，实现了扫镜系统视场的扩展；采用蜗轮蜗杆带动光楔镜组旋转运动，蜗轮蜗杆具有较大的传动比，可以使扫镜系统结构紧凑，减小整体结构尺寸；由于蜗轮蜗杆传动平稳且具有自锁性，保证了光楔镜组在旋转过程中图像的稳定性。

Description

一种用于扩大视场的轻量化扫镜系统

技术领域

本实用新型属于光机结构设计领域，具体涉及一种轻量化扫镜系统，用于红外光学系统中扩大视场扫描图像。

背景技术

扫镜是由两组相同双光楔镜组合在一起相对转动，可以产生不同的偏向角，从而被广泛应用于补偿或测量光学仪器中光线的小角度偏折以及物面扫面等。被广泛应用于激光测距仪、空间扫描机构和激光加工设备中扫镜系统对体积和重量提出轻量化要求。

由于光楔镜实现其功能主要依靠楔形镜的面形和楔角，除了加工过程中楔形镜的角度和面形应满足使用要求外，楔形镜的固定和驱动方式以及扫镜系统的整体结构设计也会对楔形镜的面形和楔角造成影响，然而现有扫镜系统由于其结构特点在固定和驱动楔形镜时，无法保证楔形镜的面形精度，致使光楔镜在旋转过程中图像不稳定。另外，现有扫镜系统尺寸和重量较大，且不能实现视场扩展，无法满足红外光学系统对扫镜系统精度、轻量化以及视场的要求。

实用新型内容

为了解决现有扫镜系统无法保证楔形镜面形精度、尺寸和重量较大、不能扩展视场的技术问题，本实用新型提供了一种用于扩大视场的轻量化扫镜系统。

本实用新型的技术方案是：

一种用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特殊之处在于：包括扫镜镜头、光楔组整体镜筒一、光楔组整体镜筒二、扫镜驱动系统和控制系统；

所述光楔组整体镜筒一、扫镜镜头、光楔组整体镜筒二沿轴向依次设置；

所述扫镜镜头包括扫镜镜筒、沿扫镜镜筒轴向依次设置在扫镜镜筒内的两组光楔镜组，以及分别设置在扫镜镜筒与两组光楔镜组之间的两个角接触球轴承一；所述两组光楔镜组结构相同，二者关于扫镜镜筒径向方向对称安装，其轴线与扫镜镜筒的轴线重合，且均可绕其轴线旋转；单个光楔镜组包括依次装入扫镜镜框的楔形镜一、隔圈、楔形镜二和端盖；

所述扫镜驱动系统有两个，分别设置在所述光楔组整体镜筒一和光楔组整体镜筒二内，分别用于驱动所述两组光楔镜组转动；单个扫镜驱动系统包括蜗轮蜗杆传动组件、扫镜电机、电机支撑架、两组轴承组件、两个蜗杆支撑架；扫镜电机用于驱动蜗轮蜗杆传动组件转动；蜗轮蜗杆传动组件用于带动所述光楔镜组转动；电机支撑架用于支撑扫镜电机；两组轴承组件分别固定安装在两个蜗杆支撑架上，用于支撑蜗轮蜗杆传动组件的蜗杆轴；两个扫镜驱动系统分别通过各自的电机支撑架和蜗杆支撑架固定安装在所述光楔组整体镜筒一和光楔组整体镜筒二内；

所述控制系统用于控制所述扫镜电机运转。

进一步地，所述楔形镜一和楔形镜二为材料不同、楔角不同的两个平面镜。

进一步地，所述端盖的压入面加工角度、楔形镜限位凸台与楔形镜一接触面的加工角度分别与所述楔形镜二和楔形镜一被压端面的角度相同。

进一步地，轻量化扫镜系统还包括安装在所述扫镜镜筒上，用于检测所述光楔镜组转动角度的位置传感器。

进一步地，所述光楔组整体镜筒一、扫镜镜筒、扫镜镜框、光楔组整体镜筒二、隔圈、端盖、电机支撑架和蜗杆支撑架均选用比刚度和比强度较高的轻量化材料镁合金MB15。

进一步地，所述扫镜镜筒的内侧壁上设置有轴承外圈限位凸台一，扫镜镜筒的两端安装有轴承一外端挡圈；所述两个角接触球轴承一的外圈通过所述轴承外圈限位凸台一和轴承一外端挡圈进行轴向限位；

定义所述楔形镜一处为内侧，所述端盖处为外侧，所述扫镜镜框由外侧向内侧包括依次连接的大径段、中间过渡段和小径段；扫镜镜框小径段外侧壁上靠近大径段处的一端设有用于对所述角接触球轴承一内圈进行轴向限位的轴承内圈安装限位凸台，小径段外侧壁的另一端设有挡圈槽；挡圈槽内安装有轴承一轴端弹性挡圈；所述两个角接触球轴承一的内圈通过所述轴承内圈安装限位凸台和轴承一轴端弹性挡圈进行轴向限位；

所述扫镜镜框小径段的内侧壁上远离大径段处一端设有楔形镜限位凸台，以限制楔形镜一的轴向位置；所述扫镜镜框大径段的外侧壁上设有沿径向方向向外延伸的定位安装柱，定位安装柱上设有安装孔；所述光楔镜组通过所述安装孔与所述蜗轮蜗杆传动组件中蜗轮的孔板采用固定螺栓连接。

进一步地，所述蜗轮蜗杆传动组件包括蜗轮和蜗杆；蜗杆轴上靠近两个端部分别设置有轴端限位凸台；扫镜电机固定安装在电机支撑架上，扫镜电机通过联轴器与蜗杆的一端相连；

两组轴承组件分别设置在蜗杆轴的两端部；

第一组轴承组件包括从靠近扫镜电机一侧依次套入蜗杆轴上的套筒、角接触球轴承二、垫片和第一端盖，第一端盖与套筒通过联接螺栓连接；

第二组轴承组件包括从远离扫镜电机一侧依次套入蜗杆轴上的套筒、角接触球轴承二、垫片和第二端盖，第二端盖与套筒通过联接螺栓连接；

套筒内壁的一端具有轴承外圈限位凸台二；角接触球轴承二的外圈被所述轴承外圈限位凸台二和第一端盖/第二端盖固定；角接触球轴承二内圈的轴向位置被垫片和蜗杆上的轴端限位凸台限制，角接触球轴承二采用两端游动设计；

两组轴承组件的套筒通过螺栓分别固定安装在所述两个蜗杆支撑架上。

进一步地，所述蜗轮蜗杆传动组件中的蜗轮采用航天轻量化铝合金7A09，蜗杆采用尼龙材料。

进一步地，所述扫镜电机采用将伺服控制器、功率放大器和编码器集成于一体的紧凑型伺服步进电机。

与现有技术相比，本实用新型的优点：

1、本实用新型通过控制两个结构相同、对称设置的光楔镜组以相同速度向相反方向转动，实现了扫镜系统视场的扩展。

2、本实用新型采用伺服步进电机与蜗轮蜗杆开环驱动系统，通过计算机输入旋转角度，位置传感器跟踪角度，具有控制简单，操作方便的优点。

3、本实用新型采用蜗轮蜗杆带动光楔镜组旋转运动，蜗轮蜗杆具有较大的传动比，可以使扫镜系统结构紧凑，减小整体结构尺寸；由于蜗轮蜗杆传动平稳且具有自锁性，保证了光楔镜组在旋转过程中图像的稳定性。

4、本实用新型对楔形镜固定支撑的凸台面均与楔形镜面为平行关系，在楔形镜运动过程中，楔形镜与结构的接触部分均为面接触，没有产生点接触，因此不会引起楔形镜面形的应力集中而影响镜面的面形精度。

附图说明

图1为本实用新型扫镜系统整体结构的主剖视图。

图2为本实用新型扫镜驱动系统固定支撑方式剖视图。

图3为本实用新型扫镜系统的驱动方案图。

附图标记说明：

1-光楔组整体镜筒一；2-蜗轮；3-固定螺栓；4-扫镜镜框；5-轴承一外端挡圈；6-固定螺钉；7-角接触球轴承一；8-扫镜镜筒；9-轴承一轴端弹性挡圈；10-楔形镜一；11-楔形镜二；12-光楔组整体镜筒二；13-端盖；14-隔圈；15-扫镜电机；16-联轴器；17-电机支撑架；18-联接螺栓；19-第一端盖；20-垫片；21-套筒；22-角接触球轴承二；23-蜗杆；24-第二端盖；25-位置传感器；26-轴承外圈限位凸台一；27-轴端限位凸台；28-轴承外圈限位凸台二；29-蜗杆支撑架。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作详细说明。

图1所示为本实用新型扫镜系统整体结构，包括扫镜镜头、光楔组整体镜筒一1、光楔组整体镜筒二12、扫镜驱动系统、控制系统；扫镜镜头包括扫镜镜筒8、沿扫镜镜筒8轴向依次设置在扫镜镜筒8内的两组光楔镜组，以及分别设置在扫镜镜筒8与两组光楔镜组之间的两个角接触球轴承一7；

扫镜镜筒8的内侧壁上设置有轴承外圈限位凸台一26，扫镜镜筒8的两端安装有轴承一外端挡圈5，该轴承外圈限位凸台一26和轴承一外端挡圈5共同对两个角接触球轴承一7的外圈进行轴向限位；

两组光楔镜组结构相同，二者关于扫镜镜筒8径向方向对称安装，其轴线与扫镜镜筒8的轴线重合，且均可绕其轴线旋转；

单个光楔镜组包括依次装入扫镜镜框4的楔形镜一10、隔圈14、楔形镜二11和端盖13；为了减少温度变化对成像造成的影响以及校正系统的色差，楔形镜一10和楔形镜二11选用材料不同、楔角不同的平面镜；

定义楔形镜一10处为内侧，端盖13处为外侧，扫镜镜框4由外侧向内侧包括依次连接的大径段、中间过渡段和小径段；扫镜镜框4小径段外侧壁上靠近大径段处的一端设有用于对角接触球轴承一7内圈进行轴向限位的轴承内圈安装限位凸台，小径段外侧壁的另一端设有用于安装轴承一轴端弹性挡圈9的挡圈槽；两个角接触球轴承一7的内圈通过所述轴承内圈安装限位凸台和轴承一轴端弹性挡圈9进行轴向限位；

扫镜镜框4小径段的内侧壁上远离大径段处一端设有楔形镜限位凸台，以限制楔形镜一的轴线位置；扫镜镜框4大径段的外侧壁上设有沿径向方向向外延伸的定位安装柱，定位安装柱上设有安装孔；

隔圈14用于保证楔形镜一和楔形镜二之间的轴向间距；端盖13和扫镜镜框4采用固定螺钉6固定连接，端盖13紧压楔形镜二11以限制楔形镜二11的轴向位置；端盖13压入面的加工角度、楔形镜限位凸台与楔形镜一接触面的加工角度均应分别与楔形镜二11和楔形镜一10被压端面的角度相同，以便更好与光楔镜二11、楔形镜一10配合，将其更好的固定并且不影响两个楔形镜的面形精度。

将上述两组光楔镜组和两个角接触球轴承一7由两边分别装入扫镜镜筒8中并固定，得到扫镜镜头；扫镜镜头的具体装配方法为：

第一步，装配其中一个光楔镜组，具体方法为：

先将轴承一外端挡圈5套入扫镜镜框4外径处，然后装入角接触球轴承一7，再装入轴承一轴端弹性挡圈9固定角接触球轴承一7内圈，然后从轴承的外侧向里套入扫镜镜筒8，最后将扫镜镜筒8与轴承一外端挡圈5通过螺栓连接从而固定角接触球轴承一7外圈。

第二步，将第一步装配好的单个光楔镜组中的扫镜镜框4与相应的蜗轮2通过固定螺栓3连接。

第三步，装配另一个光楔镜组，具体方法为：

先将角接触轴承一7内圈通过光楔镜组的扫镜镜框4和轴承一轴端弹性挡圈9固定好后，整体由外侧向里套入扫镜镜筒8内，之后装入轴承一外端挡圈5，通过螺栓将轴承一外端挡圈5与扫镜镜筒8固定。

第四步，将第三步装配好的光楔镜组中的扫镜镜框4与相应的蜗轮2通过固定螺丝3连接。

上述装配好的扫镜镜头安装在光楔组整体镜筒一1和光楔组整体镜筒二12之间，具体是通过扫镜镜筒8同时与光楔组整体镜筒一1和光楔组整体镜筒二12固定连接。扫镜驱动系统有两个，分别设置在光楔组整体镜筒一1和光楔组整体镜筒二12内，分别用于驱动前述两组光楔镜组转动；

参见图2，单个扫镜驱动系统包括蜗轮蜗杆传动组件、扫镜电机15、电机支撑架17和两组轴承组件；

蜗轮蜗杆传动组件包括蜗轮2和蜗杆23；蜗杆23轴上靠近两个端部分别设置有轴端限位凸台27；蜗轮2孔板与所述光楔镜组的扫镜镜框4在其大径段上的安装孔处通过螺栓3固定连接。

蜗杆可采用尼龙(PA-66)材料，蜗轮可采用航天轻量化铝合金7A09，不仅具有较高的强度和刚性，同时耐磨损；

扫镜电机15固定安装在电机支撑架17上，扫镜电机15通过联轴器16与蜗杆23的一端相连；扫镜电机15可采用将伺服控制器、功率放大器和编码器集成于一体的紧凑型伺服步进电机；

两组轴承组件分别设置在蜗杆23轴的两端部；

第一组轴承组件包括从靠近扫镜电机15一侧依次套装在蜗杆23轴上的套筒21、角接触球轴承二22、垫片20和第一端盖19，第一端盖19与套筒21通过联接螺栓18连接；

第二组轴承组件包括从远离扫镜电机15一侧依次套装在蜗杆23轴上的套筒21、角接触球轴承二22、垫片20和第二端盖24，第二端盖20与套筒21通过联接螺栓18连接；

套筒21内壁的一端具有轴承外圈限位凸台二28；角接触球轴承二22的外圈被所述轴承外圈限位凸台二28和第一端盖19/第二端盖20固定；角接触球轴承二22内圈的轴向位置被垫片20和蜗杆23上的轴端限位凸台27限制，角接触球轴承二22采用两端游动设计可以消除由于蜗轮蜗杆啮合传动致使蜗杆轴发生热膨胀而产生的影响；

两组轴承组件的套筒21通过螺栓分别固定安装在两个蜗杆支撑架29上；

本实用新型两个扫镜驱动系统：其中一个扫镜驱动系统的电机支撑架17和蜗杆支撑架29通过螺栓固定在光楔组整体镜筒一1内，另一个扫镜驱动系统的电机支撑架17和蜗杆支撑架29通过螺栓固定在光楔组整体镜筒二12内；

光楔镜组其扫镜镜框4大径段上的安装孔分别与两个蜗轮2孔板通过螺栓3固定连接。

控制系统用于控制扫镜电机15精确旋转。

图3所示为扫镜系统的驱动方案图，由计算机控制扫镜驱动系统的扫镜电机精确旋转，通过计算机的控制界面设定两个光楔镜组各自的旋转角度，由计算机控制两个扫镜电机15精确旋转，从而驱动相应的蜗杆旋转，进而由两个蜗轮分别带动两个光楔镜镜组转动设定的角度；可控制使得两个光楔镜组以相同速度向相反方向转动，实现视场的扩展；为了跟踪和显示光楔镜组的转动情况，在扫镜镜筒8上安装位置传感器25，以检测蜗轮2的转动角度(即光楔镜组的转动角度)。

为了使整个扫镜系统轻量化，上述光楔组整体镜筒一1、扫镜镜框4、轴承一外端挡圈5、扫镜镜筒8、光楔组整体镜筒二12、端盖13、隔圈14、电机支撑架17、第一端盖19、垫片20、套筒21、第二端盖24、蜗杆支撑架29选用比刚度和比强度较高的轻量化材料镁合金MB15为佳。轴承均选用标准轻型系列。

Claims (9)

1.一种用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：包括扫镜镜头、光楔组整体镜筒一(1)、光楔组整体镜筒二(12)、扫镜驱动系统和控制系统；

所述光楔组整体镜筒一(1)、扫镜镜头、光楔组整体镜筒二(12)沿轴向依次设置；

所述扫镜镜头包括扫镜镜筒(8)、沿扫镜镜筒(8)轴向依次设置在扫镜镜筒(8)内的两组光楔镜组，以及分别设置在扫镜镜筒(8)与两组光楔镜组之间的两个角接触球轴承一(7)；所述两组光楔镜组结构相同，二者关于扫镜镜筒(8)径向方向对称安装，其轴线与扫镜镜筒(8)的轴线重合，且均可绕其轴线旋转；单个光楔镜组包括依次装入扫镜镜框(4)的楔形镜一(10)、隔圈(14)、楔形镜二(11)和端盖(13)；

所述扫镜驱动系统有两个，分别设置在所述光楔组整体镜筒一(1)和光楔组整体镜筒二(12)内，分别用于驱动所述两组光楔镜组转动；单个扫镜驱动系统包括蜗轮蜗杆传动组件、扫镜电机(15)、电机支撑架(17)、两组轴承组件、两个蜗杆支撑架(29)；扫镜电机(15)用于驱动蜗轮蜗杆传动组件转动；蜗轮蜗杆传动组件用于带动所述光楔镜组转动；电机支撑架(17)用于支撑扫镜电机(15)；两组轴承组件分别固定安装在两个蜗杆支撑架(29)上，用于支撑蜗轮蜗杆传动组件的蜗杆(23)轴；两个扫镜驱动系统分别通过各自的电机支撑架(17)和蜗杆支撑架(29)固定安装在所述光楔组整体镜筒一(1)和光楔组整体镜筒二(12)内；

所述控制系统用于控制所述扫镜电机(15)运转。

2.根据权利要求1所述的用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：所述楔形镜一(10)和楔形镜二(11)为材料不同、楔角不同的两个平面镜。

3.根据权利要求1或2所述的用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：所述端盖(13)的压入面加工角度、楔形镜限位凸台与楔形镜一(10)接触面的加工角度分别与所述楔形镜二(11)和楔形镜一(10)被压端面的角度相同。

4.根据权利要求1所述的用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：还包括安装在所述扫镜镜筒(8)上，用于检测所述光楔镜组转动角度的位置传感器(25)。

5.根据权利要求1所述的用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：所述光楔组整体镜筒一(1)、扫镜镜筒(8)、扫镜镜框(4)、光楔组整体镜筒二(12)、隔圈(14)、端盖(13)、电机支撑架(17)和蜗杆支撑架(29)均选用镁合金MB15。

6.根据权利要求3所述的用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：所述扫镜镜筒(8)的内侧壁上设置有轴承外圈限位凸台一(26)，扫镜镜筒(8)的两端安装有轴承一外端挡圈(5)；所述两个角接触球轴承一(7)的外圈通过所述轴承外圈限位凸台一(26)和轴承一外端挡圈(5)进行轴向限位；

定义所述楔形镜一(10)处为内侧，所述端盖(13)处为外侧，所述扫镜镜框(4)由外侧向内侧包括依次连接的大径段、中间过渡段和小径段；扫镜镜框(4)小径段外侧壁上靠近大径段处的一端设有用于对所述角接触球轴承一(7)内圈进行轴向限位的轴承内圈安装限位凸台，小径段外侧壁的另一端设有挡圈槽；挡圈槽内安装有轴承一轴端弹性挡圈(9)；所述两个角接触球轴承一(7)的内圈通过所述轴承内圈安装限位凸台和轴承一轴端弹性挡圈(9)进行轴向限位；

所述扫镜镜框(4)小径段的内侧壁上远离大径段处一端设有楔形镜限位凸台，以限制楔形镜一(10)的轴向位置；所述扫镜镜框(4)大径段的外侧壁上设有沿径向方向向外延伸的定位安装柱，定位安装柱上设有安装孔；所述光楔镜组通过所述安装孔与所述蜗轮蜗杆传动组件中蜗轮(2)的孔板采用固定螺栓(3)连接。

7.根据权利要求6所述的用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：所述蜗轮蜗杆传动组件包括蜗轮(2)和蜗杆(23)；蜗杆(23)轴上靠近两个端部分别设置有轴端限位凸台(27)；扫镜电机(15)固定安装在电机支撑架(17)上，扫镜电机(15)通过联轴器(16)与蜗杆(23)的一端相连；

两组轴承组件分别设置在蜗杆(23)轴的两端部；

第一组轴承组件包括从靠近扫镜电机(15)一侧依次套入蜗杆(23)轴上的套筒(21)、角接触球轴承二(22)、垫片(20)和第一端盖(19)，第一端盖(19)与套筒(21)通过联接螺栓(18)连接；

第二组轴承组件包括从远离扫镜电机(15)一侧依次套入蜗杆(23)轴上的套筒(21)、角接触球轴承二(22)、垫片(20)和第二端盖(24)，第二端盖(24)与套筒(21)通过联接螺栓(18)连接；

套筒(21)内壁的一端具有轴承外圈限位凸台二(28)；角接触球轴承二(22)的外圈被所述轴承外圈限位凸台二(28)和第一端盖(19)/第二端盖(24)固定；角接触球轴承二(22)内圈的轴向位置被垫片(20)和蜗杆(23)上的轴端限位凸台(27)限制，角接触球轴承二(22)采用两端游动设计；

两组轴承组件的套筒(21)通过螺栓分别固定安装在所述两个蜗杆支撑架(29)上。

8.根据权利要求1所述的用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：所述蜗轮蜗杆传动组件中的蜗轮(2)采用航天轻量化铝合金7A09，蜗杆(23)采用尼龙材料。

9.根据权利要求1所述的用于扩大视场的轻量化扫镜系统，其特征在于：所述扫镜电机(15)采用将伺服控制器、功率放大器和编码器集成于一体的紧凑型伺服步进电机。