高速二维扫描机构的制作方法
【专利摘要】一种高速二维扫描机构，包括扫描镜、支撑架、第一电机轴、第一电机、方形框架、第二电机轴、第二电机、U形架、第三电机轴、第三电机，其中，扫描镜通过支撑架和第一电机形成转动副连接，支撑架和第一电机轴固定，扫描镜在第一电机的驱动下绕扫描镜的法线方向旋转；第一电机固定在方形框架上，方形框架通过第二电机轴同U形架形成转动副连接，第二电机轴和第一电机轴相互垂直且在同一面上，第二电机固定在U形架上，方形框架和扫描镜在第二电机的驱动下绕第二电机轴转动；U形架通过第三电机轴和第三电机形成转动副连接，U形架和第三电机轴固定。本发明容易实现扫描机构的高速扫描，有助于太赫兹成像探测系统的实时成像和对运动目标的成像探测。
【专利说明】高速二维扫描机构
【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹成像探测【技术领域】，涉及探测成像中增加扫描速度的问题，具体指的是一种高速二维扫描机构。
【背景技术】
[0002]在太赫兹成像探测领域，由于光学系统本身视场的局限以及大面阵的太赫兹探测器现阶段在关键工艺上尚未突破，因此需要借助机械驱动的二维扫描机构来扩展系统的视场，以完成对目标的快速扫描成像。传统的二维扫描机构采用方位轴系和俯仰轴系的往复摆动来实现二维扫描，往复的摆动需要电机频繁的启停和加减速，很难做到高速扫描，成像时间较长，难以实现对运动目标的成像探测，限制了其在很多场合的应用。
【发明内容】
[0003]本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种高速二维扫描机构，采用两个轴线成一定角度布置的电机以相同转速反向高速旋转实现扫描机构一个维度的高速扫描，以另一电机的直接驱动实现步进，从而实现高速扫描，避免了电机频繁的启停，可大幅提高电机转速，电机的直接驱动减小了传动链误差，在缩短了成像时间的同时保证了扫描的精度。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0005]—种高速二维扫描机构，包括扫描镜、支撑架、第一电机轴、第一电机、方形框架、第二电机轴、第二电机、U形架、第三电机轴、第三电机,其中，扫描镜通过支撑架和第一电机形成转动副连接，支撑架和第一电机轴固定，第一电机轴和扫描镜面垂直且和镜面中心在同一直线上，扫描镜在第一电机的驱动下绕扫描镜的法线方向旋转；第一电机固定在方形框架上，方形框架通过第二电机轴同U形架形成转动副连接，第二电机轴和第一电机轴相互垂直且在同一面上，第二电机轴和扫描镜面平行，且其在扫描镜上的垂直投影经过扫描镜中心，第二电机固定在U形架上，方形框架和扫描镜在第二电机的驱动下绕第二电机轴转动；U形架通过第三电机轴和第三电机形成转动副连接，U形架和第三电机轴固定。
[0006]还包括角度传感器，所述第一电机、第二电机和第三电机分别通过角度传感器来实现对各个电机的实时反馈和控制。
[0007]所述角度传感器内置于电机内部或安装在相应的电机轴上。
[0008]所述第一电机、第二电机和第三电机选用能提高电机轴和电机之间同轴度的中空轴结构的电机，以满足扫描机构高精度要求。
[0009]所述第一电机、第二电机和第三电机选用能增大电机输出力矩的带减速机式电机，以满足扫描镜大转动惯量要求。
[0010]根据所带负载转动惯量的依次增大，所述第一电机、第二电机和第三电机选择正常工作时所输出的力矩依次增大的相应结构与型号的电机。
[0011]所述方形框架和第二电机轴之间以轴肩和挡圈限制轴向移动，以过盈配合的平键或紧定螺钉来限制第二电机轴的转动。
[0012]所述第一电机轴和第三电机轴之间在初始位置时有一个固定的角度，以保证扫描镜将光线反射到后光路中的光学系统中。
[0013]所述固定角为45°或60°。
[0014]所述第三电机带动U形架转动，从而带动方形框架和扫描镜绕第三电机轴转动，同时第一电机带动扫描镜绕第一电机轴以同样的速度反向转动，这种复合运动的结果是扫描镜将在一个维度上实现近线性的扫描；在第一和第三电机转动半周时，第二电机驱动方形框架带动扫描镜绕第二电机轴转动，从而实现第二个维度的步进；第一电机和第三电机每转动一圈，扫描机构实现两行或两列的扫描。
[0015]所述扫描镜为泡沫夹心结构的轻质平面镜、碳纤维轻质平面镜或经机械加工减重处理的金属平面镜等质量轻、转动惯量小的扫描镜。
[0016]所述支撑架同扫描镜之间通过粘结或焊接结合，支撑架在保证粘结强度的情况下应选择镁合金、铝合金等轻质金属材料，并进行对称设计和减重处理，以减小转动惯量。
[0017]本发明所提供的高速二维扫描机构，扫描机构采用两个电机以相同转速反向连续高速旋转的方法实现一个维度的连续高速扫描，以电机直接驱动的方式实现另一维的步进摆动，电机的连续旋转避免了来回摆动时电机需要频繁启停和加减速的问题，可大幅提高电机转速，很容易实现扫描机构的高速扫描。电机的直接驱动减小了传动链误差，在缩短了成像时间的同时保证了扫描的精度，从而有助于太赫兹成像探测系统对于运动目标的成像探测。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明高速二维扫描机构的三维结构图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体实施例以及附图对本发明技术方案作详细说明:
[0020]如图1所示，扫描镜I通过支撑架2和第一电机4形成转动副连接，支撑架2和第一电机轴3通过螺钉固定,第一电机轴3和扫描镜I垂直且和镜面中心在同一直线上,扫描镜I可在第一电机4的驱动下绕扫描镜I的法线方向旋转。第一电机4通过螺钉固定在方形框架5上，方向框架5通过第二电机轴6同U形架9形成转动副连接，第二电机轴6和第一电机轴3相互垂直且在同一面上,第二电机轴6和扫描镜面平行,且其在扫描镜I上的垂直投影经过扫描镜中心，第二电机7通过电机固定架8固定在U形架9上，方形框架5和扫描镜I可在第二电机7的驱动下绕第二电机轴6转动。U形架9通过第三电机轴10和第三电机11形成转动副连接，U形架9和第三电机轴10之间通过螺钉固定，第三电机轴10垂直于U形架9底部平面且和第二电机轴6垂直,第三电机11通过轴承座12固定于扫描机构底座13上。第一电机4、第二电机7和第三电机11分别利用角度传感器以实现对各个电机的实时反馈和控制。
[0021]扫描镜I在本实施例中优先选择质量轻、转动惯量小的泡沫夹心结构的轻质平面镜。本实施例中扫描镜支架2同扫描镜I之间优先选择通过粘结结合，扫描镜支架2在保证粘结强度的情况下选择铝合金材料，并进行对称设计和减重处理，以减小转动惯量。
[0022]本实施例中第一电机4、第二电机7和第三电机11优先选择中空轴结构的电机以提高电机轴和电机之间的同轴度，根据所带负载转动惯量的依次增大，第一电机4、第二电机7和第三电机11在正常工作时所输出的力矩依次增大。
[0023]本实施例中方形框架5和第二电机轴6之间以轴肩和挡圈限制轴向移动，以过盈配合的平键和紧定螺钉结合的方式来限制第二电机轴6的转动。第一电机轴3和第三电机轴10之间在初始位置时相互间夹角为45°，以保证扫描镜将光线反射到后光路中的光学系统中。
[0024]本实施例中第一电机4选用内置光栅进行角度测量的电机，第二电机7选用转子同第二电机轴6固定，定子同U形架9固定的角度传感器14b，第三电机11选用转子同第三电机轴10固定，定子同轴承座12固定的角度传感器14a来反馈和控制电机的转角。
[0025]本实施例中高速二维扫描机构利用第三电机11带动U形架9转动从而带动方形框架5和扫描镜I绕第三电机轴10高速转动，同时第一电机4带动扫描镜I绕第一电机轴3以同样的速度反向转动，这样复合运动的结果是扫描镜I将在一个维度上实现近线性的扫描；在第一电机4和第三电机11转动半周时，第二电机7驱动方形框架5带动扫描镜I绕第二电机轴6转动从而实现第二个维度的步进；第一电机4和第三电机11每转动一圈扫描机构可实现两行或两列的扫描，因此当第一电机4和第三电机11高速旋转时扫描镜I就能实现高速的二维扫描。
[0026]本发明中未详细阐述的部分属于本领域内的公知技术。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制在具体的实施范围内，对于本领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在权利要求限定和确定的本发明的精神范围之内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明的构思创造均在保护之列。
【权利要求】
1.一种高速二维扫描机构，其特征在于，包括扫描镜、支撑架、第一电机轴、第一电机、方形框架、第二电机轴、第二电机、U形架、第三电机轴、第三电机，其中，扫描镜通过支撑架和第一电机形成转动副连接,支撑架和第一电机轴固定，第一电机轴和扫描镜面垂直且和镜面中心在同一直线上，扫描镜在第一电机的驱动下绕扫描镜的法线方向旋转；第一电机固定在方形框架上，方形框架通过第二电机轴同U形架形成转动副连接，第二电机轴和第一电机轴相互垂直且在同一面上，第二电机轴和扫描镜面平行，且其在扫描镜上的垂直投影经过扫描镜中心，第二电机固定在U形架上，方形框架和扫描镜在第二电机的驱动下绕第二电机轴转动;u形架通过第三电机轴和第三电机形成转动副连接，U形架和第三电机轴固定。
2.根据权利要求1所述的高速二维扫描机构，其特征在于，还包括角度传感器，所述第一电机、第二电机和第三电机分别通过角度传感器来实现对各个电机的实时反馈和控制。
3.根据权利要求2所述的高速二维扫描机构，其特征在于，所述角度传感器内置于电机内部或安装在相应的电机轴上。
4.根据权利要求1所述的高速二维扫描机构，其特征在于，所述第一电机、第二电机和第三电机选用能提高电机轴和电机之间同轴度的中空轴结构的电机，以满足扫描机构高精度要求。
5.根据权利要求1所述的高速二维扫描机构，其特征在于，所述第一电机、第二电机和第三电机选用能增大电机输出力矩的带减速机式电机，以满足扫描镜大转动惯量要求。
6.根据权利要求1所述的高速二维扫描机构，其特征在于，根据所带负载转动惯量的依次增大，所述第一电机、第二电机和第三电机选择正常工作时所输出的力矩依次增大的相应结构与型号的电机。
7.根据权利要求1所述的高速二维扫描机构，其特征在于，所述方形框架和第二电机轴之间以轴肩和挡圈限制轴向移动，以过盈配合的平键或紧定螺钉来限制第二电机轴的转动。
8.根据权利要求1所述的高速二维扫描机构，其特征在于，所述第一电机轴和第三电机轴之间在初始位置时有一个固定的角度，以保证扫描镜将光线反射到后光路中的光学系统中。
9.根据权利要求8所述的高速二维扫描机构，其特征在于，所述固定角为45°或60°。
10.根据权利要求1所述的高速二维扫描机构，其特征在于，所述第三电机带动U形架转动，从而带动方形框架和扫描镜绕第三电机轴转动，同时第一电机带动扫描镜绕第一电机轴以同样的速度反向转动，这种复合运动的结果是扫描镜将在一个维度上实现近线性的扫描；在第一和第三电机转动半周时，第二电机驱动方形框架带动扫描镜绕第二电机轴转动，从而实现第二个维度的步进；第一电机和第三电机每转动一圈，扫描机构实现两行或两列的扫描。
【文档编号】G02B26/10GK104345447SQ201410550308
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】关冉, 谢巍, 侯丽伟, 曹德华, 周德亮, 王兵兵, 刘素芳, 臧元章, 邹锶, 俞旭辉, 王晓东, 鲁斌, 汪瑞 申请人:中国电子科技集团公司第五十研究所