本發明涉及一種光學掃描裝置,特別是一種復合型光束粗精耦合掃描裝置,可用于精密工程領域的高精度光束掃描、跟蹤和對準,屬于精密光學掃描領域。
背景技術:
精密光學掃描裝置是光電成像探測、自由空間激光通信、動態目標激光跟蹤等領域的關鍵技術之一。以折射式楔形棱鏡為核心光學元件的光學掃描裝置具有結構緊湊、慣性矩小、動態性能好等優點,在上述領域具有廣泛的用途。常見的楔形棱鏡光學掃描裝置有旋轉雙棱鏡掃描裝置和偏擺雙棱鏡掃描裝置兩種。旋轉雙棱鏡掃描裝置采用一對雙棱鏡同軸旋轉,其顯著特點是光束掃描視場大。偏擺雙棱鏡掃描裝置采用兩個棱鏡耦合擺動,其顯著特點是光束偏轉精度高。
(1) 以下在先技術中給出了幾種旋轉雙棱鏡掃描裝置的結構組成。
在先技術(袁艷等專利,申請號:201210432016.0,申請日2012年11月2日“一種基于旋轉雙楔鏡的光束掃描機構”)利用兩組齒輪副嚙合傳遞電機力矩,分別驅動兩個光學楔鏡旋轉。掃描機構中,采用直流力矩電機驅動、直齒圓柱齒輪嚙合傳動、光學楔鏡精密軸系支承以及光學楔鏡可靠裝夾、定位等技術,實現了入射光束的穩定掃描。其缺點是裝置沿光軸方向尺寸較大,結構復雜而不緊湊。
在先技術(李安虎等專利,申請號:201210439061.9,申請日2012年11月7日“實現粗精兩級掃描的棱鏡機械裝置”)中,旋轉電機通過蝸輪蝸桿驅動棱鏡及內外鏡框總成實現全圓周旋轉,具有大傳動比、結構簡單等優點,但是存在蝸輪蝸桿嚙合間隙,在需要正反向旋轉頻繁切換的應用中難以消除回程誤差的影響。
在先技術(李安虎等專利,申請號:201310072421.0,申請日2013年3月7日“同步帶驅動旋轉棱鏡裝置”)中,采用同步帶直接驅動棱鏡旋轉的方式,傳動比準確,無滑差,并結合旋轉編碼器實現反饋調節,可完成棱鏡旋轉角度的精密控制,而且同步帶具有傳動平穩,能吸震,噪音小,布置靈活,結構緊湊等優點。但是同步帶長期使用將面臨橡膠老化開裂、變形、拉長、斷裂等問題。
(2) 以下在先技術中給出了幾種偏擺雙棱鏡掃描裝置的結構組成。
在先技術(孫建鋒等專利,申請號:200410024986.2,申請日2004年6月8日“星間激光通信終端高精度動靜態測量裝置”)中,提出采用步進電機直接耦合轉動軸實現棱鏡的偏擺。該方法降低了機械傳動誤差,步進電機的轉角和棱鏡的擺動角度一致,兩者間關系簡單,機械結構緊湊。但棱鏡擺角分辨率直接受步進電機步距角分辨率的制約,對步進電機的精度和性能要求高,并且在控制不當的情況下步進電機易發生共振,影響系統運行精度。同時,該機械系統沒有給出偏擺雙棱鏡的轉動角度的反饋信息,難以實時修正雙棱鏡的轉角誤差。
在先技術(李安虎等專利,申請號:200510026553.5,申請日2005年6月8日“雙光楔光束偏轉機械裝置”)中,提出一種直線電機螺桿推進式擺鏡機構。偏擺機構主要由直線步進電機、電機螺桿、螺帽、滑塊、底座、豎直連接板等結構組成。該機構將電機的較大距離直線運動轉化為擺鏡的小角度轉動,從原理上提高了控制精度,但電機與棱鏡的運動關系較復雜,電機的速度與加速度呈不規律性變化。同時此方案中螺帽與鏡框V型槽間易產生摩擦與異響,影響系統精度。
在先技術(李安虎等專利,申請號:201010588924.X,申請日2010年12月15日“偏擺光楔掃描裝置”)中,設計了一種雙滑塊牽連式擺鏡機構的偏擺光楔掃描裝置,主要由直線電機、蓋板、水平導軌、水平滑塊、關節軸承、豎直導軌、垂直滑塊、底座、L型板、鏡框連接板等結構組成。與直線電機螺桿推進機構相比,此機構將螺帽與豎直連接板間的點接觸變為豎直滑塊與導軌間的面接觸,減小了機構間的摩擦力,提高了擺鏡機構的工作性能,但電機與擺鏡的運動關系較復雜。同時,滑塊與關節軸承間的運動間隙會影響系統的工作精度。
在先技術(李安虎等專利,申請號:201210375722.6,申請日2012年10月8日“采用凸輪驅動的擺鏡機構”)中,提出了一種采用凸輪驅動的擺鏡機構,主要由彈簧緊連裝置、偏擺凸輪機構、電機及傳動部分、擺鏡支撐結構和機座等組成。采用此凸輪傳動機構,只需要設計適當的凸輪輪廓,從動件便可精確實現任意的運動規律。但由于凸輪與擺動件間為線接觸,發生磨損時會影響系統精度,且一套凸輪機構只能掃描一種特定的軌跡,限制了該裝置的通用性。
在先技術(李安虎等專利,申請號:201510560372.4,申請日2015年9月7日“一種曲柄滑塊驅動的擺鏡機構”)中,提出了一種曲柄滑塊驅動的擺鏡機構。該機構將棱鏡的小角度擺動轉換為滑塊較大距離的移動,降低了控制精度的要求,但傳動過程較為復雜,不適用于實時跟蹤等應用場合。
以上旋轉雙棱鏡掃描裝置的共同缺點是周向掃描精度受機械結構精度的影響較大,以上偏擺雙棱鏡掃描裝置的共同缺點是掃描視場較小。
技術實現要素:
本發明的目的在于提供一種復合型光束粗精耦合掃描裝置。
本發明采用音圈電機驅動棱鏡繞垂直于棱鏡主截面的軸線偏擺,采用力矩電機驅動棱鏡繞系統光軸旋轉,在單套設備中集成棱鏡的旋轉和偏擺運動。本發明結合旋轉雙棱鏡大視場掃描和偏擺雙棱鏡高精度掃描的優勢,通過兩個或兩個以上棱鏡的旋轉偏擺耦合運動,實現大范圍高精度粗精耦合光束掃描,以解決上述背景技術中的不足之處。
本發明提出的復合型光束粗精耦合掃描裝置,包括基座1、彈簧2、中鏡框3、內鏡框4、楔形棱鏡5、第一大軸承端蓋6、旋轉編碼器轉子7、旋轉編碼器定子8、外鏡框9、大軸承擋圈10、第一大軸承11、第二大軸承端蓋12、第一尼龍墊塊13、楔形擋圈14、第二尼龍墊塊15、螺紋壓圈16、棱鏡緊定螺釘17、力矩電機定子18、力矩電機轉子19、音圈電機動子20、推桿21、音圈電機定子22、推槽23、第三尼龍墊塊24、第二大軸承25、第一小軸承26、第一小軸承端蓋27、第一半軸28、第二半軸29、第二小軸承端蓋30、小旋轉編碼器總成31和第二小軸承32,其中:
所述楔形棱鏡5裝于內鏡框4中,楔形棱鏡5的平面側通過內鏡框4的端面臺階實現軸向定位;楔形棱鏡5的楔面側與楔形擋圈14的楔面側相對布置,兩楔面的楔角相等,螺紋壓圈16擰入內鏡框4,用于壓緊楔形擋圈14的平面側,從而實現楔形棱鏡5的軸向固定;楔形棱鏡5的厚端側壁上開有橫截面為圓弧形的槽,棱鏡緊定螺釘17擰入內鏡框4側壁上的螺紋孔中,且棱鏡緊定螺釘17的圓頭端卡入楔形棱鏡5的圓弧形的槽中,實現楔形棱鏡5的周向定位;所述楔形棱鏡5和楔形擋圈14的徑向定位通過其外壁與內鏡框4內壁的尺寸配合實現,在楔形擋圈14的平面側與螺紋壓圈16之間安裝有第一尼龍墊塊13,在楔形棱鏡5的楔面側與楔形擋圈14的楔面側之間安裝有第二尼龍墊塊15,在內鏡框4的端面臺階與楔形棱鏡5的平面側之間安裝有第三尼龍墊塊24;
所述推槽23安裝于內鏡框4底面;
所述第一大軸承端蓋6安裝于中鏡框3上,其凸緣壓緊第二大軸承25的內圈,所述旋轉編碼器動子7安裝于第一大軸承端蓋6上,所述旋轉編碼器定子8安裝于外鏡框9上,所述第二大軸承端蓋12安裝于中鏡框3上,其凸緣壓緊第一大軸承11的內圈,所述大軸承擋圈10安裝于外鏡框9上;
所述音圈電機定子22安裝于第一大軸承端蓋6上,所述音圈電機動子20可在音圈電機定子22中沿軸向做直線運動;所述推桿21一端通過端部螺紋安裝于音圈電機動子20上,推桿21另一端與推槽23接觸,音圈電機動子20的直線運動使推桿21伸縮并在推槽23內滑動,從而帶動楔形棱鏡5偏擺;
所述彈簧2安裝于內鏡框4和第一大軸承端蓋6之間,彈簧2為預壓緊彈簧,作用是保持推槽23與推桿21始終接觸;
所述第二大軸承25的內圈與中鏡框3的外圈過盈配合,第二大軸承25的外圈與外鏡框9的內圈過盈配合,第二大軸承25通過中鏡框3和外鏡框9的臺階以及第一大軸承端蓋6的凸緣軸向固定;所述第一大軸承11的內圈與中鏡框3的外圈過盈配合,外圈與外鏡框9的內圈過盈配合,第一大軸承11通過中鏡框3和外鏡框9的臺階以及第二大軸承端蓋12的凸緣軸向固定;
所述第一半軸28安裝于內鏡框4一側上,所述第一小軸承端蓋27安裝在中鏡框3的軸承孔處;所述第一小軸承26安裝于中鏡框3和第一半軸28之間,第一小軸承26的內圈與第一半軸28過盈配合,第一小軸承26的外圈與中鏡框3的軸承孔過盈配合;第一小軸承26通過第一半軸28的臺階以及第一小軸承端蓋27的凸緣軸向定位;
所述第二半軸29安裝于內鏡框4另一側上,所述第二小軸承端蓋30安裝在中鏡框3的軸承孔處;所述第二小軸承32安裝于中鏡框3和第二半軸29之間,第二小軸承32的內圈與第二半軸29過盈配合,第二小軸承32的外圈與中鏡框3的軸承孔過盈配合,第二小軸承32通過第二半軸29的臺階以及第二小軸承端蓋30的凸緣軸向定位;
所述小旋轉編碼器總成31安裝于中鏡框3上,其軸端伸至第二半軸29的孔中,通過緊定螺釘與第二半軸29固定;
所述力矩電機定子18安裝于外鏡框9內;所述力矩電機轉子19安裝于中鏡框上,力矩電機啟動時,外鏡框9和力矩電機定子18保持靜止,力矩電機轉子19帶動中鏡框3旋轉;
所述外鏡框9安裝于基座1的孔中。
本發明中,所述基座1的底面與水平面平行。
本發明中,所述第一尼龍墊塊13、第二尼龍墊塊15和第三尼龍墊塊24均成組使用(如4個一組或6個一組),起保護零件表面和緩沖隔振的作用。
本發明中,基座1的底面加工有一組螺紋光孔,用于將裝置固定到地面或導軌等載體上,以便于裝置的安裝。
本發明中,使用時,采用多個掃描裝置成套使用,例如用兩個本裝置組成雙棱鏡粗精耦合掃描裝置,或者用三個本裝置組成三棱鏡粗精耦合掃描裝置等。
本發明中,所述小旋轉編碼器總成31用于檢測楔形棱鏡偏擺角度位置,安裝于外鏡框9和第一大軸承端蓋6上的旋轉編碼器用于檢測楔形棱鏡旋轉角度位置,所述兩個旋轉編碼器和電機控制系統可對音圈電機和力矩電機進行開環或閉環控制。
與現有技術相比,本發明具有的優點和有益效果如下:
(1) 本發明是一種將棱鏡旋轉運動和偏擺運動集成的折射式光束掃描裝置,通過楔形棱鏡的旋轉實現光束大范圍粗掃描,通過楔形棱鏡的偏擺實現光束局部范圍高精度掃描,從光學原理上保證了本發明光束掃描的大范圍和高精度。
(2) 本發明在一套裝置中通過旋轉運動副和偏擺運動副的疊加,構成了復合型光束掃描系統,結構緊湊,避免了粗精掃描分離設計帶來的空間結構分散問題,以及系統的粗精誤差項難以分離和溯源修正的問題。
(3) 本發明中,旋轉運動和偏擺運動分別采用力矩電機和音圈電機直驅的形式,沒有復雜的運動傳動鏈,簡單的機械結構減小了誤差累積,因此從裝置設計原理上保證了光束掃描精度。
(4) 本發明采用音圈電機推動所述內鏡框4偏擺,采用力矩電機驅動所述中鏡框3旋轉,通過小旋轉編碼器檢測楔形棱鏡偏擺角度位置,通過安裝在外鏡框9和第一大軸承端蓋6上的旋轉編碼器檢測楔形棱鏡旋轉角度位置。根據兩個旋轉編碼器獲取的角度位置信號,對音圈電機和力矩電機進行閉環反饋控制,具有實時性好和控制精度高的優點。
(5) 針對不同的應用場合,本發明裝置可以采用單套或多套配合使用,多套使用時可以進一步增加光束的掃描范圍,實現更加豐富的掃描樣式,在光電成像探測、自由空間激光通信、動態目標激光跟蹤等對光束掃描范圍和精度均有較高要求的應用領域有廣泛的前景。
附圖說明
圖1為本發明所述楔形棱鏡的運動方式示意圖。
圖2為本發明的整體外觀示意圖,表示出了單個裝置的整體外觀和形狀。
圖3為本發明的主視圖。
圖4為本發明的左視剖視圖,表示了裝置的內部結構。
圖5為本發明的俯視剖視圖,表示了裝置的內部結構。
圖6為圖5中C處的局部結構圖。
圖7為本發明的基座結構圖。
圖8為本發明的內鏡框結構圖。
圖9為本發明的中鏡框結構圖。
圖10為本發明的外鏡框結構圖。
圖11為使用兩套本發明裝置組成的雙棱鏡粗精耦合掃描系統結構圖。其中,第一棱鏡總成和第二棱鏡總成結構相同,兩個棱鏡總成的放置方式均可以是棱鏡平面側朝左或者朝右。圖11中所示的是第一棱鏡總成和第二棱鏡總成均為平面側朝右的情況。
圖中標號:a-棱鏡偏擺軸,b-棱鏡主截面,c-棱鏡旋轉軸,1-基座,2-彈簧,3-中鏡框,4-內鏡框,5-楔形棱鏡,6-第一大軸承端蓋,7-旋轉編碼器轉子,8-旋轉編碼器定子,9-外鏡框,10-大軸承擋圈,11-第一大軸承,12-第二大軸承端蓋,13-第一尼龍墊塊,14-楔形擋圈,15-第二尼龍墊塊,16-螺紋壓圈,17-棱鏡緊定螺釘,18-力矩電機定子,19-力矩電機轉子,20-音圈電機動子,21-推桿,22-音圈電機定子,23-推槽,24-第三尼龍墊塊,25-第二大軸承,26-第一小軸承,27-第一小軸承端蓋,28-第一半軸,29-第二半軸,30-第二小軸承端蓋,31-小旋轉編碼器總成,32-第二小軸承,33-底座,34-激光器支架,35-激光器,36-第一棱鏡總成,37-第二棱鏡總成。
具體實施方式
下面結合各附圖,通過實施例對本發明楔形棱鏡粗精耦合掃描裝置的結構組成及實現粗精耦合掃描的過程作進一步的詳述,但是本發明專利保護范圍不限于此。
實施例1:
參見圖11,本實施例為一套雙棱鏡粗精耦合掃描裝置,用于大范圍內實現激光束的粗精耦合掃描。如圖11所示,本實施例主要包括底座33、激光器支架34、激光器35、第一棱鏡總成36和第二棱鏡總成37。其中,第一棱鏡總成36和第二棱鏡總成37完全相同,均為本發明所述的單個楔形棱鏡粗精耦合掃描裝置。所述第一棱鏡總成36和第二棱鏡總成37安裝在底座33上,所述激光器支架34安裝在底座33上,所述激光器35安裝在激光器支架34頂部。本實施例中,激光器35的中心軸、第一棱鏡總成36的光軸和第二棱鏡總成37的光軸在同一直線上。本實施例中,第一棱鏡總成和第二棱鏡總成均為楔形棱鏡平面側朝右,需指出的是,兩個棱鏡總成的放置方式均可以是楔形棱鏡平面側朝左或者朝右。
參見圖1,圖1為本實施例所述楔形棱鏡的運動方式示意圖,楔形棱鏡既能繞a軸偏擺,又可繞c軸旋轉。
參見圖2—圖10,圖2為本實施例單個裝置的整體外觀示意圖,圖3為本實施例單個裝置的主視圖,圖4為本實施例單個裝置的左視剖視圖,圖5為本實施例單個裝置的俯視剖視圖,圖6為圖5中C處的局部結構圖,圖7為本實施例的基座結構圖,圖8為本實施例的內鏡框結構圖,圖9為本實施例的中鏡框結構圖,圖10為本實施例的外鏡框結構圖。
下面結合圖2—圖10,詳細說明本實施例中第一棱鏡總成36的結構組成,第二棱鏡總成37的結構與第一棱鏡總成36完全一致。
所述楔形棱鏡5裝在內鏡框4中,其軸向定位方法如下:楔形棱鏡5的平面側通過內鏡框4的端面臺階實現軸向定位;楔形棱鏡5的楔面側與楔形擋圈14的楔面側相對布置,兩楔面的楔角相等,螺紋壓圈16擰入內鏡框4,壓緊楔形擋圈14的平面側,從而實現楔形棱鏡5的軸向固定。楔形棱鏡5的周向定位方法如下:楔形棱鏡5的厚端側壁上開有橫截面為圓弧形的槽,棱鏡緊定螺釘17擰入內鏡框4側壁上的螺紋孔中,且棱鏡緊定螺釘17的圓頭端卡入楔形棱鏡5的槽中,實現楔形棱鏡5的周向定位。所述楔形棱鏡5和楔形擋圈14的徑向定位通過其外壁與內鏡框4內壁的尺寸配合實現。在楔形擋圈14的平面側與螺紋壓圈16之間裝有第一尼龍墊塊13,在楔形棱鏡5的楔面側與楔形擋圈14的楔面側之間裝有第二尼龍墊塊15,在內鏡框4的端面臺階與楔形棱鏡5的平面側之間裝安裝有第三尼龍墊塊24,上述第一尼龍墊塊13、第二尼龍墊塊15和第三尼龍墊塊24均成組使用(如4個一組或6個一組),起保護零件表面和緩沖隔振的作用。
所述推槽23安裝至內鏡框4底面。
所述音圈電機定子22安裝在第一大軸承端蓋6上。所述音圈電機動子20可以在音圈電機定子22中沿軸向做直線運動。所述推桿21通過端部螺紋安裝在音圈電機動子20上,推桿21的另一端與推槽23接觸,音圈電機動子20的直線運動使推桿21伸縮并在推槽23內滑動,從而帶動楔形棱鏡5偏擺。
所述彈簧2安裝在內鏡框4和第一大軸承端蓋6之間,彈簧2為預壓緊彈簧,作用是保持推槽23與推桿21始終接觸。
所述第一大軸承端蓋6安裝在中鏡框3上,其凸緣壓緊第二大軸承25的內圈。所述旋轉編碼器動子7安裝在第一大軸承端蓋6上。所述旋轉編碼器定子8安裝在外鏡框9上。所述第二大軸承端蓋12安裝在中鏡框3上,其凸緣壓緊第一大軸承11的內圈。所述大軸承擋圈10安裝在外鏡框9上。
所述第二大軸承25的內圈與中鏡框3的外圈過盈配合,外圈與外鏡框9的內圈過盈配合,第二大軸承25通過中鏡框3和外鏡框9的臺階以及第一大軸承端蓋6的凸緣軸向固定。所述第一大軸承11的內圈與中鏡框3的外圈過盈配合,外圈與外鏡框9的內圈過盈配合,第一大軸承11通過中鏡框3和外鏡框9的臺階以及第二大軸承端蓋12的凸緣軸向固定。
所述第一半軸28安裝在內鏡框4上。所述第一小軸承端蓋27安裝在中鏡框3的軸承孔處。所述第一小軸承26安裝在中鏡框3和第一半軸28之間,第一小軸承26的內圈與第一半軸28過盈配合,外圈與中鏡框3的軸承孔過盈配合。第一小軸承26通過第一半軸28的臺階以及第一小軸承端蓋27的凸緣軸向定位。
所述第二半軸29安裝在內鏡框4上。所述第二小軸承端蓋30安裝在中鏡框3的軸承孔處。所述第二小軸承32安裝在中鏡框3和第二半軸29之間,第二小軸承32的內圈與第二半軸29過盈配合,外圈與中鏡框3的軸承孔過盈配合。第二小軸承32通過第二半軸29的臺階以及第二小軸承端蓋30的凸緣軸向定位。
所述小旋轉編碼器總成31安裝在中鏡框3上,其軸端伸至第二半軸29的孔中,通過緊定螺釘與第二半軸29固定。
所述力矩電機定子18安裝在外鏡框9內。所述力矩電機轉子19安裝在中鏡框上,力矩電機啟動時,外鏡框9和力矩電機定子18保持靜止,力矩電機轉子19帶動中鏡框3旋轉。
所述外鏡框9安裝在基座1的孔中。
下面結合附圖說明本實施例進行粗精耦合掃描的具體過程。
(1) 激光器35產生的激光束,依次通過第一棱鏡總成36和第二棱鏡總成37中的兩個楔形棱鏡,楔形棱鏡的折射作用使激光束發生偏轉。
(2) 控制器和力矩電機驅動器(附圖中未畫出)可以控制力矩電機轉子19旋轉,從而控制楔形棱鏡5的旋轉角度;控制器和音圈電機驅動器(附圖中未畫出)可以控制音圈電機動子20伸縮,同時輔以彈簧2的回程作用,從而控制楔形棱鏡5的偏擺角度。
(3) 小旋轉編碼器總成31檢測楔形棱鏡5偏擺角度,安裝在外鏡框9和第一大軸承端蓋6上的旋轉編碼器檢測楔形棱鏡5旋轉角度。上述兩個旋轉編碼器將楔形棱鏡5的偏擺角度和旋轉角度實時反饋至控制器,可對音圈電機和力矩電機進行閉環反饋控制,提高棱鏡運動的實時性和精度。
(4) 光束粗掃描過程:光束掃描的當前位置和目標位置相距較遠時,控制力矩電機轉動楔形棱鏡5,使光束掃描位置產生較大范圍的變化,快速移向目標位置。光束精掃描過程:光束掃描的當前位置靠近目標位置后,控制音圈電機擺動楔形棱鏡5,使光束掃描位置在目標位置附近高精度微調,直至光束掃描當前位置和目標位置的偏差小于給定值。上述光束粗精耦合掃描方法,可實現大范圍高精度光束掃描。