[发明专利]采用非圆齿轮驱动的旋转棱镜装置

说明书

本发明涉及一种非圆齿轮驱动旋转棱镜装置，由棱镜与镜框总成、传动系统和机座组件组成，所述棱镜与镜框总成包括镜框、棱镜垫圈、楔形棱镜、橡胶垫块、棱镜挡圈和楔形挡圈，所述的传动系统包括旋转电机、旋转编码器、电机支座、旋转编码器支座、联轴器、主动轴、从动轴、主动非圆齿轮、从动非圆齿轮、主动圆齿轮和从动圆齿轮，所述机座组件包括机座、轴承挡圈、轴承端盖、机座镶块、滚动轴承；所述非圆齿轮对的形状依据楔形棱镜转角与出射光束偏转角之间的非线性关系进行设计，驱动电机只需匀速旋转即可实现对特定轨迹的高精度光束扫描，降低了旋转棱镜系统的控制要求；所述的传动系统内配有旋转编码器，用于实时地检测主动轴的实际转角，通过计算机处理采集的数据，根据实际需求灵活地采用开环控制或闭环控制方式，获得合适的棱镜旋转精度。

技术领域

本发明涉及一种光学扫描装置，具体涉及一种采用非圆齿轮驱动的旋转棱镜装置，属于精密光学扫描领域。

背景技术

在精密光学扫描领域，旋转棱镜装置具有广泛的用途，可以精确地实现目标区域的扫描、被测对象的跟踪、光路的对准以及光束指向误差的补偿修正等。但是旋转棱镜的转角和扫描光束的偏转角之间通常存在复杂的非线性关系，为旋转棱镜的运动控制带来难度。精确控制棱镜的旋转运动、保证动态调节棱镜转角的实时性，是提高旋转棱镜系统性能的关键。

以下在先技术给出了几种旋转棱镜装置的结构形式。

在先技术（祖继峰等专利，申请号：03129234.8，申请日2003年6月13日“卫星轨迹光学模拟装置”）提出电机组配合齿轮传动的方案实现旋转双棱镜的不同运动匹配模式，以模拟卫星间的相对运动轨迹。但是复杂的电机组合与控制系统对驱动精度的影响较大，并带来空间布置的难题。

在先技术（Anhu Li, et al., “Laser coarse-fine coupling scanning methodby steering double prisms”, Applied Optics, 2012, 51(3): 356-364）提出将两个力矩电机分别与双棱镜镜筒耦合，直接驱动双棱镜旋转以实现折射光束的粗扫描；并在此基础上设计嵌套牵连式偏摆机构，通过双棱镜的正交偏摆运动实现光束的精扫描。但是采用力矩电机直接驱动棱镜旋转的方案存在力矩波动、齿槽效应以及电机定制成本较高的问题。

在先技术（李安虎专利，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”）利用旋转电机驱动蜗轮蜗杆机构传递动力，实现棱镜及内外镜框总成的全圆周旋转，表现出传动比大、结构简单紧凑等优点。但是蜗轮蜗杆机构存在啮合间隙，由此导致的回程误差难以消除。

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”）采用同步带机构驱动大口径棱镜旋转，具有传动比准确、噪音小、结构紧凑、布置灵活等优点，但同时也容易出现材料老化、疲劳磨损和爬齿、跳齿等现象。

上述几种旋转棱镜装置的共同特点是需要根据不同的扫描轨迹制定复杂的驱动电机控制策略，仍然具有跟踪精度和实时性方面的不足，不能高效地解决旋转棱镜系统的非线性控制问题。

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”）提出采用凸轮机构驱动棱镜偏摆，将偏摆棱镜的非线性控制转化到驱动凸轮的轮廓曲线设计上，从而简化偏摆棱镜的非线性控制策略。但是该发明的应用范围仅限于偏摆棱镜，无法驱动棱镜实现全圆周旋转；且凸轮轮廓曲线的设计和加工难度较大，其误差将直接影响棱镜的偏摆精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用非圆齿轮驱动的旋转棱镜装置，通过驱动电机的匀速转动实现光束的高精度非线性偏转规律，以克服上述在先技术的不足之处。

本发明提出的非圆齿轮驱动旋转棱镜装置，由棱镜与镜框总成、传动系统和机座组件组成，其中：