复合型光束粗精耦合扫描装置的制作方法

本发明涉及一种光学扫描装置，特别是一种复合型光束粗精耦合扫描装置，可用于精密工程领域的高精度光束扫描、跟踪和对准，属于精密光学扫描领域。

背景技术：

精密光学扫描装置是光电成像探测、自由空间激光通信、动态目标激光跟踪等领域的关键技术之一。以折射式楔形棱镜为核心光学元件的光学扫描装置具有结构紧凑、惯性矩小、动态性能好等优点，在上述领域具有广泛的用途。常见的楔形棱镜光学扫描装置有旋转双棱镜扫描装置和偏摆双棱镜扫描装置两种。旋转双棱镜扫描装置采用一对双棱镜同轴旋转，其显著特点是光束扫描视场大。偏摆双棱镜扫描装置采用两个棱镜耦合摆动，其显著特点是光束偏转精度高。

（1） 以下在先技术中给出了几种旋转双棱镜扫描装置的结构组成。

在先技术（袁艳等专利，申请号：201210432016.0，申请日2012年11月2日“一种基于旋转双楔镜的光束扫描机构”）利用两组齿轮副啮合传递电机力矩，分别驱动两个光学楔镜旋转。扫描机构中，采用直流力矩电机驱动、直齿圆柱齿轮啮合传动、光学楔镜精密轴系支承以及光学楔镜可靠装夹、定位等技术，实现了入射光束的稳定扫描。其缺点是装置沿光轴方向尺寸较大，结构复杂而不紧凑。

在先技术（李安虎等专利，申请号：201210439061.9，申请日2012年11月7日“实现粗精两级扫描的棱镜机械装置”）中，旋转电机通过蜗轮蜗杆驱动棱镜及内外镜框总成实现全圆周旋转，具有大传动比、结构简单等优点，但是存在蜗轮蜗杆啮合间隙，在需要正反向旋转频繁切换的应用中难以消除回程误差的影响。

在先技术（李安虎等专利，申请号：201310072421.0，申请日2013年3月7日“同步带驱动旋转棱镜装置”）中，采用同步带直接驱动棱镜旋转的方式，传动比准确，无滑差，并结合旋转编码器实现反馈调节，可完成棱镜旋转角度的精密控制，而且同步带具有传动平稳，能吸震，噪音小，布置灵活，结构紧凑等优点。但是同步带长期使用将面临橡胶老化开裂、变形、拉长、断裂等问题。

（2） 以下在先技术中给出了几种偏摆双棱镜扫描装置的结构组成。

在先技术（孙建锋等专利，申请号：200410024986.2，申请日2004年6月8日“星间激光通信终端高精度动静态测量装置”）中，提出采用步进电机直接耦合转动轴实现棱镜的偏摆。该方法降低了机械传动误差，步进电机的转角和棱镜的摆动角度一致，两者间关系简单，机械结构紧凑。但棱镜摆角分辨率直接受步进电机步距角分辨率的制约，对步进电机的精度和性能要求高，并且在控制不当的情况下步进电机易发生共振，影响系统运行精度。同时，该机械系统没有给出偏摆双棱镜的转动角度的反馈信息，难以实时修正双棱镜的转角误差。

在先技术（李安虎等专利，申请号：200510026553.5，申请日2005年6月8日“双光楔光束偏转机械装置”）中，提出一种直线电机螺杆推进式摆镜机构。偏摆机构主要由直线步进电机、电机螺杆、螺帽、滑块、底座、竖直连接板等结构组成。该机构将电机的较大距离直线运动转化为摆镜的小角度转动，从原理上提高了控制精度，但电机与棱镜的运动关系较复杂，电机的速度与加速度呈不规律性变化。同时此方案中螺帽与镜框V型槽间易产生摩擦与异响，影响系统精度。

在先技术（李安虎等专利，申请号：201010588924.X，申请日2010年12月15日“偏摆光楔扫描装置”）中，设计了一种双滑块牵连式摆镜机构的偏摆光楔扫描装置，主要由直线电机、盖板、水平导轨、水平滑块、关节轴承、竖直导轨、垂直滑块、底座、L型板、镜框连接板等结构组成。与直线电机螺杆推进机构相比，此机构将螺帽与竖直连接板间的点接触变为竖直滑块与导轨间的面接触，减小了机构间的摩擦力，提高了摆镜机构的工作性能，但电机与摆镜的运动关系较复杂。同时，滑块与关节轴承间的运动间隙会影响系统的工作精度。

在先技术（李安虎等专利，申请号：201210375722.6，申请日2012年10月8日“采用凸轮驱动的摆镜机构”）中，提出了一种采用凸轮驱动的摆镜机构，主要由弹簧紧连装置、偏摆凸轮机构、电机及传动部分、摆镜支撑结构和机座等组成。采用此凸轮传动机构，只需要设计适当的凸轮轮廓，从动件便可精确实现任意的运动规律。但由于凸轮与摆动件间为线接触，发生磨损时会影响系统精度，且一套凸轮机构只能扫描一种特定的轨迹，限制了该装置的通用性。

在先技术（李安虎等专利，申请号：201510560372.4，申请日2015年9月7日“一种曲柄滑块驱动的摆镜机构”）中，提出了一种曲柄滑块驱动的摆镜机构。该机构将棱镜的小角度摆动转换为滑块较大距离的移动，降低了控制精度的要求，但传动过程较为复杂，不适用于实时跟踪等应用场合。

以上旋转双棱镜扫描装置的共同缺点是周向扫描精度受机械结构精度的影响较大，以上偏摆双棱镜扫描装置的共同缺点是扫描视场较小。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合型光束粗精耦合扫描装置。

本发明采用音圈电机驱动棱镜绕垂直于棱镜主截面的轴线偏摆，采用力矩电机驱动棱镜绕系统光轴旋转，在单套设备中集成棱镜的旋转和偏摆运动。本发明结合旋转双棱镜大视场扫描和偏摆双棱镜高精度扫描的优势，通过两个或两个以上棱镜的旋转偏摆耦合运动，实现大范围高精度粗精耦合光束扫描，以解决上述背景技术中的不足之处。

本发明提出的复合型光束粗精耦合扫描装置，包括基座1、弹簧2、中镜框3、内镜框4、楔形棱镜5、第一大轴承端盖6、旋转编码器转子7、旋转编码器定子8、外镜框9、大轴承挡圈10、第一大轴承11、第二大轴承端盖12、第一尼龙垫块13、楔形挡圈14、第二尼龙垫块15、螺纹压圈16、棱镜紧定螺钉17、力矩电机定子18、力矩电机转子19、音圈电机动子20、推杆21、音圈电机定子22、推槽23、第三尼龙垫块24、第二大轴承25、第一小轴承26、第一小轴承端盖27、第一半轴28、第二半轴29、第二小轴承端盖30、小旋转编码器总成31和第二小轴承32，其中：

所述楔形棱镜5装于内镜框4中，楔形棱镜5的平面侧通过内镜框4的端面台阶实现轴向定位；楔形棱镜5的楔面侧与楔形挡圈14的楔面侧相对布置，两楔面的楔角相等，螺纹压圈16拧入内镜框4，用于压紧楔形挡圈14的平面侧，从而实现楔形棱镜5的轴向固定；楔形棱镜5的厚端侧壁上开有横截面为圆弧形的槽，棱镜紧定螺钉17拧入内镜框4侧壁上的螺纹孔中，且棱镜紧定螺钉17的圆头端卡入楔形棱镜5的圆弧形的槽中，实现楔形棱镜5的周向定位；所述楔形棱镜5和楔形挡圈14的径向定位通过其外壁与内镜框4内壁的尺寸配合实现，在楔形挡圈14的平面侧与螺纹压圈16之间安装有第一尼龙垫块13，在楔形棱镜5的楔面侧与楔形挡圈14的楔面侧之间安装有第二尼龙垫块15，在内镜框4的端面台阶与楔形棱镜5的平面侧之间安装有第三尼龙垫块24；

所述推槽23安装于内镜框4底面；

所述第一大轴承端盖6安装于中镜框3上，其凸缘压紧第二大轴承25的内圈，所述旋转编码器动子7安装于第一大轴承端盖6上，所述旋转编码器定子8安装于外镜框9上，所述第二大轴承端盖12安装于中镜框3上，其凸缘压紧第一大轴承11的内圈，所述大轴承挡圈10安装于外镜框9上；

所述音圈电机定子22安装于第一大轴承端盖6上，所述音圈电机动子20可在音圈电机定子22中沿轴向做直线运动；所述推杆21一端通过端部螺纹安装于音圈电机动子20上，推杆21另一端与推槽23接触，音圈电机动子20的直线运动使推杆21伸缩并在推槽23内滑动，从而带动楔形棱镜5偏摆；

所述弹簧2安装于内镜框4和第一大轴承端盖6之间，弹簧2为预压紧弹簧，作用是保持推槽23与推杆21始终接触；

所述第二大轴承25的内圈与中镜框3的外圈过盈配合，第二大轴承25的外圈与外镜框9的内圈过盈配合，第二大轴承25通过中镜框3和外镜框9的台阶以及第一大轴承端盖6的凸缘轴向固定；所述第一大轴承11的内圈与中镜框3的外圈过盈配合，外圈与外镜框9的内圈过盈配合，第一大轴承11通过中镜框3和外镜框9的台阶以及第二大轴承端盖12的凸缘轴向固定；

所述第一半轴28安装于内镜框4一侧上，所述第一小轴承端盖27安装在中镜框3的轴承孔处；所述第一小轴承26安装于中镜框3和第一半轴28之间，第一小轴承26的内圈与第一半轴28过盈配合，第一小轴承26的外圈与中镜框3的轴承孔过盈配合；第一小轴承26通过第一半轴28的台阶以及第一小轴承端盖27的凸缘轴向定位；

所述第二半轴29安装于内镜框4另一侧上，所述第二小轴承端盖30安装在中镜框3的轴承孔处；所述第二小轴承32安装于中镜框3和第二半轴29之间，第二小轴承32的内圈与第二半轴29过盈配合，第二小轴承32的外圈与中镜框3的轴承孔过盈配合，第二小轴承32通过第二半轴29的台阶以及第二小轴承端盖30的凸缘轴向定位；

所述小旋转编码器总成31安装于中镜框3上，其轴端伸至第二半轴29的孔中，通过紧定螺钉与第二半轴29固定；

所述力矩电机定子18安装于外镜框9内；所述力矩电机转子19安装于中镜框上，力矩电机启动时，外镜框9和力矩电机定子18保持静止，力矩电机转子19带动中镜框3旋转；

所述外镜框9安装于基座1的孔中。

本发明中，所述基座1的底面与水平面平行。

本发明中，所述第一尼龙垫块13、第二尼龙垫块15和第三尼龙垫块24均成组使用（如4个一组或6个一组），起保护零件表面和缓冲隔振的作用。

本发明中，基座1的底面加工有一组螺纹光孔，用于将装置固定到地面或导轨等载体上，以便于装置的安装。

本发明中，使用时，采用多个扫描装置成套使用，例如用两个本装置组成双棱镜粗精耦合扫描装置，或者用三个本装置组成三棱镜粗精耦合扫描装置等。

本发明中，所述小旋转编码器总成31用于检测楔形棱镜偏摆角度位置，安装于外镜框9和第一大轴承端盖6上的旋转编码器用于检测楔形棱镜旋转角度位置，所述两个旋转编码器和电机控制系统可对音圈电机和力矩电机进行开环或闭环控制。

与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果如下：

（1） 本发明是一种将棱镜旋转运动和偏摆运动集成的折射式光束扫描装置，通过楔形棱镜的旋转实现光束大范围粗扫描，通过楔形棱镜的偏摆实现光束局部范围高精度扫描，从光学原理上保证了本发明光束扫描的大范围和高精度。

（2） 本发明在一套装置中通过旋转运动副和偏摆运动副的叠加，构成了复合型光束扫描系统，结构紧凑，避免了粗精扫描分离设计带来的空间结构分散问题，以及系统的粗精误差项难以分离和溯源修正的问题。

（3） 本发明中，旋转运动和偏摆运动分别采用力矩电机和音圈电机直驱的形式，没有复杂的运动传动链，简单的机械结构减小了误差累积，因此从装置设计原理上保证了光束扫描精度。

（4） 本发明采用音圈电机推动所述内镜框4偏摆，采用力矩电机驱动所述中镜框3旋转，通过小旋转编码器检测楔形棱镜偏摆角度位置，通过安装在外镜框9和第一大轴承端盖6上的旋转编码器检测楔形棱镜旋转角度位置。根据两个旋转编码器获取的角度位置信号，对音圈电机和力矩电机进行闭环反馈控制，具有实时性好和控制精度高的优点。

（5） 针对不同的应用场合，本发明装置可以采用单套或多套配合使用，多套使用时可以进一步增加光束的扫描范围，实现更加丰富的扫描样式，在光电成像探测、自由空间激光通信、动态目标激光跟踪等对光束扫描范围和精度均有较高要求的应用领域有广泛的前景。

附图说明

图1为本发明所述楔形棱镜的运动方式示意图。

图2为本发明的整体外观示意图，表示出了单个装置的整体外观和形状。

图3为本发明的主视图。

图4为本发明的左视剖视图，表示了装置的内部结构。

图5为本发明的俯视剖视图，表示了装置的内部结构。

图6为图5中C处的局部结构图。

图7为本发明的基座结构图。

图8为本发明的内镜框结构图。

图9为本发明的中镜框结构图。

图10为本发明的外镜框结构图。

图11为使用两套本发明装置组成的双棱镜粗精耦合扫描系统结构图。其中，第一棱镜总成和第二棱镜总成结构相同，两个棱镜总成的放置方式均可以是棱镜平面侧朝左或者朝右。图11中所示的是第一棱镜总成和第二棱镜总成均为平面侧朝右的情况。

图中标号：a-棱镜偏摆轴，b-棱镜主截面，c-棱镜旋转轴，1-基座，2-弹簧，3-中镜框，4-内镜框，5-楔形棱镜，6-第一大轴承端盖，7-旋转编码器转子，8-旋转编码器定子，9-外镜框，10-大轴承挡圈，11-第一大轴承，12-第二大轴承端盖，13-第一尼龙垫块，14-楔形挡圈，15-第二尼龙垫块，16-螺纹压圈，17-棱镜紧定螺钉，18-力矩电机定子，19-力矩电机转子，20-音圈电机动子，21-推杆，22-音圈电机定子，23-推槽，24-第三尼龙垫块，25-第二大轴承，26-第一小轴承，27-第一小轴承端盖，28-第一半轴，29-第二半轴，30-第二小轴承端盖，31-小旋转编码器总成，32-第二小轴承，33-底座，34-激光器支架，35-激光器，36-第一棱镜总成，37-第二棱镜总成。

具体实施方式

下面结合各附图，通过实施例对本发明楔形棱镜粗精耦合扫描装置的结构组成及实现粗精耦合扫描的过程作进一步的详述，但是本发明专利保护范围不限于此。

实施例1：

参见图11，本实施例为一套双棱镜粗精耦合扫描装置，用于大范围内实现激光束的粗精耦合扫描。如图11所示，本实施例主要包括底座33、激光器支架34、激光器35、第一棱镜总成36和第二棱镜总成37。其中，第一棱镜总成36和第二棱镜总成37完全相同，均为本发明所述的单个楔形棱镜粗精耦合扫描装置。所述第一棱镜总成36和第二棱镜总成37安装在底座33上，所述激光器支架34安装在底座33上，所述激光器35安装在激光器支架34顶部。本实施例中，激光器35的中心轴、第一棱镜总成36的光轴和第二棱镜总成37的光轴在同一直线上。本实施例中，第一棱镜总成和第二棱镜总成均为楔形棱镜平面侧朝右，需指出的是，两个棱镜总成的放置方式均可以是楔形棱镜平面侧朝左或者朝右。

参见图1，图1为本实施例所述楔形棱镜的运动方式示意图，楔形棱镜既能绕a轴偏摆，又可绕c轴旋转。

参见图2—图10，图2为本实施例单个装置的整体外观示意图，图3为本实施例单个装置的主视图，图4为本实施例单个装置的左视剖视图，图5为本实施例单个装置的俯视剖视图，图6为图5中C处的局部结构图，图7为本实施例的基座结构图，图8为本实施例的内镜框结构图，图9为本实施例的中镜框结构图，图10为本实施例的外镜框结构图。

下面结合图2—图10，详细说明本实施例中第一棱镜总成36的结构组成，第二棱镜总成37的结构与第一棱镜总成36完全一致。

所述楔形棱镜5装在内镜框4中，其轴向定位方法如下：楔形棱镜5的平面侧通过内镜框4的端面台阶实现轴向定位；楔形棱镜5的楔面侧与楔形挡圈14的楔面侧相对布置，两楔面的楔角相等，螺纹压圈16拧入内镜框4，压紧楔形挡圈14的平面侧，从而实现楔形棱镜5的轴向固定。楔形棱镜5的周向定位方法如下：楔形棱镜5的厚端侧壁上开有横截面为圆弧形的槽，棱镜紧定螺钉17拧入内镜框4侧壁上的螺纹孔中，且棱镜紧定螺钉17的圆头端卡入楔形棱镜5的槽中，实现楔形棱镜5的周向定位。所述楔形棱镜5和楔形挡圈14的径向定位通过其外壁与内镜框4内壁的尺寸配合实现。在楔形挡圈14的平面侧与螺纹压圈16之间装有第一尼龙垫块13，在楔形棱镜5的楔面侧与楔形挡圈14的楔面侧之间装有第二尼龙垫块15，在内镜框4的端面台阶与楔形棱镜5的平面侧之间装安装有第三尼龙垫块24，上述第一尼龙垫块13、第二尼龙垫块15和第三尼龙垫块24均成组使用（如4个一组或6个一组），起保护零件表面和缓冲隔振的作用。

所述推槽23安装至内镜框4底面。

所述音圈电机定子22安装在第一大轴承端盖6上。所述音圈电机动子20可以在音圈电机定子22中沿轴向做直线运动。所述推杆21通过端部螺纹安装在音圈电机动子20上，推杆21的另一端与推槽23接触，音圈电机动子20的直线运动使推杆21伸缩并在推槽23内滑动，从而带动楔形棱镜5偏摆。

所述弹簧2安装在内镜框4和第一大轴承端盖6之间，弹簧2为预压紧弹簧，作用是保持推槽23与推杆21始终接触。

所述第一大轴承端盖6安装在中镜框3上，其凸缘压紧第二大轴承25的内圈。所述旋转编码器动子7安装在第一大轴承端盖6上。所述旋转编码器定子8安装在外镜框9上。所述第二大轴承端盖12安装在中镜框3上，其凸缘压紧第一大轴承11的内圈。所述大轴承挡圈10安装在外镜框9上。

所述第二大轴承25的内圈与中镜框3的外圈过盈配合，外圈与外镜框9的内圈过盈配合，第二大轴承25通过中镜框3和外镜框9的台阶以及第一大轴承端盖6的凸缘轴向固定。所述第一大轴承11的内圈与中镜框3的外圈过盈配合，外圈与外镜框9的内圈过盈配合，第一大轴承11通过中镜框3和外镜框9的台阶以及第二大轴承端盖12的凸缘轴向固定。

所述第一半轴28安装在内镜框4上。所述第一小轴承端盖27安装在中镜框3的轴承孔处。所述第一小轴承26安装在中镜框3和第一半轴28之间，第一小轴承26的内圈与第一半轴28过盈配合，外圈与中镜框3的轴承孔过盈配合。第一小轴承26通过第一半轴28的台阶以及第一小轴承端盖27的凸缘轴向定位。

所述第二半轴29安装在内镜框4上。所述第二小轴承端盖30安装在中镜框3的轴承孔处。所述第二小轴承32安装在中镜框3和第二半轴29之间，第二小轴承32的内圈与第二半轴29过盈配合，外圈与中镜框3的轴承孔过盈配合。第二小轴承32通过第二半轴29的台阶以及第二小轴承端盖30的凸缘轴向定位。

所述小旋转编码器总成31安装在中镜框3上，其轴端伸至第二半轴29的孔中，通过紧定螺钉与第二半轴29固定。

所述力矩电机定子18安装在外镜框9内。所述力矩电机转子19安装在中镜框上，力矩电机启动时，外镜框9和力矩电机定子18保持静止，力矩电机转子19带动中镜框3旋转。

所述外镜框9安装在基座1的孔中。

下面结合附图说明本实施例进行粗精耦合扫描的具体过程。

（1） 激光器35产生的激光束，依次通过第一棱镜总成36和第二棱镜总成37中的两个楔形棱镜，楔形棱镜的折射作用使激光束发生偏转。

（2） 控制器和力矩电机驱动器（附图中未画出）可以控制力矩电机转子19旋转，从而控制楔形棱镜5的旋转角度；控制器和音圈电机驱动器（附图中未画出）可以控制音圈电机动子20伸缩，同时辅以弹簧2的回程作用，从而控制楔形棱镜5的偏摆角度。

（3） 小旋转编码器总成31检测楔形棱镜5偏摆角度，安装在外镜框9和第一大轴承端盖6上的旋转编码器检测楔形棱镜5旋转角度。上述两个旋转编码器将楔形棱镜5的偏摆角度和旋转角度实时反馈至控制器，可对音圈电机和力矩电机进行闭环反馈控制，提高棱镜运动的实时性和精度。

（4） 光束粗扫描过程：光束扫描的当前位置和目标位置相距较远时，控制力矩电机转动楔形棱镜5，使光束扫描位置产生较大范围的变化，快速移向目标位置。光束精扫描过程：光束扫描的当前位置靠近目标位置后，控制音圈电机摆动楔形棱镜5，使光束扫描位置在目标位置附近高精度微调，直至光束扫描当前位置和目标位置的偏差小于给定值。上述光束粗精耦合扫描方法，可实现大范围高精度光束扫描。