技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 以下在先技术给出了几种旋转棱镜装置的结构形式。
[0004] 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。
[0005] 在先技术（Anhu Li, et al., “Laser coarse-fine coupling scanning method by 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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
[0010] 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。
[0011] 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：
[0012] 所述棱镜与镜框总成包括镜框4、棱镜
垫圈5、楔形棱镜6、
橡胶垫块7、棱镜挡圈29和楔形挡圈30；楔形棱镜6安装于镜框4内，其平面侧与镜框4的内台阶之间布置棱镜垫圈5，起保护楔形棱镜6和减
隔震作用，其楔面侧与楔形挡圈30的楔面侧之间布置一组橡胶垫块7，起保护楔形棱镜6和减隔震作用；楔形挡圈30的轴向
位置通过与其平面侧
接触的棱镜挡圈29固定；棱镜挡圈29与镜框4之间采用螺钉连接；镜框4的凸缘与从动圆齿轮8之间通过周向均布的螺钉连接；
[0013] 所述的传动系统包括旋转电机15、旋转
编码器23、电机支座14、
旋转编码器支座20、第一
联轴器16、第二联轴器22、主动轴18、从动轴11、主动非圆齿轮19、从动非圆齿轮27、主动圆齿轮9和从动圆齿轮8；旋转电机15通过螺钉安装于电机支座14上；电机支座14通过螺钉安装于机座1上；旋转电机15的电机轴与主动轴18的外伸端之间采用第一联轴器16连接；主动轴18另一侧的外伸端通过第二联轴器22与旋转编码器23连接；旋转编码器23通过螺钉固定于机座镶块32上；主动非圆齿轮19采用键连接安装于主动轴18的中部轴身，并与通过键连接安装在从动轴11上的从动非圆齿轮27相互啮合；主动圆齿轮9采用键连接固定于从动轴11的轴身，并与安装在镜框4上的从动圆齿轮8相互啮合；
[0014] 所述机座组件包括机座1、第一
轴承挡圈2、第二轴承挡圈28、第一轴承端盖12、第二轴承端盖13、第三轴承端盖21、第四轴承端盖25、机座镶块32、第一
滚动轴承3、第二滚动轴承10、第三滚动轴承17、第四滚动轴承24、第五滚动轴承26和第六滚动轴承31；机座1和机座镶块32采用螺钉联接，两者共同构成一个相对封闭的内部空间；棱镜与镜框总成通过第一滚动轴承3和第六滚动轴承31
支撑，安装于所述的内部空间中；所述传动系统通过第二滚动轴承10、第三滚动轴承17、第四滚动轴承24和第五滚动轴承26支撑，安装于所述的内部空间内；第一滚动轴承3通过第一轴承挡圈2、机座1的内台阶以及镜框4的轴肩
定位；第六滚动轴承31通过机座镶块32的内台阶、第二轴承挡圈28以及镜框4的轴肩定位；第二滚动轴承10通过第一轴承端盖12、机座1的内台阶以及从动轴11的轴肩定位；第三滚动轴承17通过第二轴承端盖13、机座1的内台阶以及主动轴18的轴肩定位；第四滚动轴承24通过机座镶块32的内台阶、第三轴承端盖21以及主动轴18的轴肩定位；第五滚动轴承26通过机座镶块32的内台阶、第四轴承端盖25以及从动轴11的轴肩定位。
[0015] 本发明中，所述楔形棱镜6、镜框4、第一滚动轴承3、第六滚动轴承31和从动圆齿轮8采用同轴布置。
[0016] 本发明中，控制系统根据旋转编码器23获取的主动轴18的转角信息实现反馈调节，控制主动轴18保持匀速旋转，进而精确地控制楔形棱镜6的旋转角度，实现高精度光束扫描。
[0017] 本发明中，采用非圆齿轮对实现第一级减速、圆柱
直齿轮对实现第二级减速，以获得准确的棱镜转速。为适应不同的布置
形式要求，还可以采用圆柱
斜齿轮对、
锥齿轮对、蜗轮蜗杆等多种传动机构实现第二级减速；或者去除第二级减速机构，采用非圆齿轮对直接驱动棱镜旋转的方式。
[0018] 本发明中，为消除二级减速过程中可能存在的啮合间隙和回程间隙，可以应用合理的消隙装置（如阻尼齿轮等），提高驱动系统的传动精度。
[0019] 本发明装置可以单个使用，也可以多个组合使用，例如，将两个本发明装置共轴排列，可构成旋转双棱镜系统。
[0020] 本发明的技术优点：
[0021] 1.本发明中，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，即将电机的非线性控制简化为线性控制，降低了旋转棱镜系统的控制要求。
[0022] 2.本发明中，所述的楔形棱镜由非圆齿轮对驱动，可以实现全圆周旋转，传动准确，保证光束的高精度动态扫描性能；将几个本发明装置共轴排列，通过几个楔形棱镜的独立旋转，可以扩大光束的扫描视场。
[0023] 3.本发明中，所述非圆齿轮对可以进行可互换式设计，通过更换不同的非圆齿轮对，可以实现多种光束扫描轨迹，适应不同的应用场合。
[0024] 4.本发明中，所述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，可以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。
附图说明
[0025] 图1为本发明的总体结构图，其中：（a）为传动系统布置形式的示意图，（b）为装配体主视图，（c）为A-A剖视图。
[0026] 图2为机座的结构图，其中：（a）为主视图，（b）为B-B剖视图。
[0027] 图3为轴承挡圈的结构图，其中：（a）为主视图，（b）为左视图。
[0028] 图4为镜框的结构图，其中：（a）为主视图，（b）为C-C剖视图。
[0029] 图5为楔形棱镜的结构图，其中：（a）为主视图，（b）为左视图。
[0030] 图6为A型轴承端盖的结构图，其中：（a）为主视图，（b）为D-D剖视图。
[0031] 图7为B型轴承端盖的结构图，其中：（a）为主视图，（b）为E-E剖视图。
[0032] 图8为棱镜挡圈的结构图，其中：（a）为主视图，（b）为F-F剖视图。
[0033] 图9为楔形挡圈的结构图，其中：（a）为主视图，（b）为G-G剖视图。
[0034] 图10为机座镶块的结构图，其中：（b）为主视图，（b）为H-H剖视图。
[0036] 图中标号：1为机座，2为第一轴承挡圈，3为第一滚动轴承，4为镜框，5为棱镜垫圈，6为楔形棱镜，7为橡胶垫块，8为从动圆齿轮，9为主动圆齿轮，10为第二滚动轴承，11为从动轴，12为第一轴承端盖（A型），13为第二轴承端盖（B型），14为电机支座，15为旋转电机，16为第一联轴器，17为第三滚动轴承，18为主动轴，19为主动非圆齿轮，20为旋转编码器支座，21为第三轴承端盖（B型），22为第二联轴器，23为旋转编码器，24为第四滚动轴承，25为第四轴承端盖（A型），26为第五滚动轴承，27为从动非圆齿轮，28为第二轴承挡圈，29为棱镜挡圈，
30为楔形挡圈，31为第六滚动轴承，32为机座镶块。
具体实施方式
[0037] 下面结合
实施例详细描述采用非圆齿轮驱动的旋转棱镜装置及其工作过程，但本发明的专利保护范围不限于此。
[0038] 实施例1：
[0039] 本实施例使用两个本发明装置，安装时使两个棱镜同轴排列，构成旋转双棱镜系统。下面结合附图，以一个本发明装置为例，详细说明本发明装置的结构原理和工作过程。
[0040] 参见图1，在旋转棱镜装置中，旋转电机15驱动非圆齿轮对和圆柱齿轮对构成的二级减速系统，将非线性运动关系传递到从动圆齿轮。棱镜与镜框总成和从动圆齿轮8刚性联接，因此，本发明可以实现楔形棱镜6在全圆周范围内的精确旋转运动。
[0041] 参见图1，所述的棱镜与镜框总成包括镜框4、棱镜垫圈5、楔形棱镜6、橡胶垫块7、棱镜挡圈29和楔形挡圈30。楔形棱镜6安装于镜框4内，其平面侧与镜框4的内台阶之间布置棱镜垫圈5，起保护镜片和减隔震作用，其楔面侧与楔形挡圈30的楔面侧之间布置一组橡胶垫块7，起保护镜片和减隔震作用；楔形挡圈30的轴向位置通过与其平面侧接触的棱镜挡圈29固定；棱镜挡圈29与镜框4之间采用一组螺钉连接；镜框4的凸缘与从动圆齿轮8之间由周向均布的螺钉连接。
[0042] 参见图1，所述的第一滚动轴承3通过第一轴承挡圈2、机座1的内台阶以及镜框4的轴肩定位；第六滚动轴承31通过机座镶块32的内台阶、第二轴承挡圈28以及镜框4的轴肩定位。当楔形棱镜6正常旋转时，第一滚动轴承3和第六滚动轴承31的
外圈和机座组件保持相对固定，而
内圈均随着镜框4同步旋转。
[0043] 参见图1，所述的传动系统包括旋转电机15、旋转编码器23、电机支座14、旋转编码器支座20、第一联轴器16、第二联轴器22、主动轴18、从动轴11、主动非圆齿轮19、从动非圆齿轮27、主动圆齿轮9、从动圆齿轮8。旋转电机15通过螺钉安装在电机支座14上；电机支座14通过螺钉安装在
基座1上；电机轴与主动轴18的外伸端之间采用第一联轴器16连接，并利用正交布置的
紧定螺钉保证力矩的充分传递；主动轴18另一侧的外伸端通过第二联轴器22与旋转编码器23的
转轴连接，并利用正交布置的紧定螺钉保证力矩的充分传递；旋转编码器23通过螺钉固定在机座镶块32上，用于实时测量棱镜的实际旋转角度；主动轴18通过两端的第三滚动轴承17和第四滚动轴承24安装在机座组件内部，第三滚动轴承17通过第二轴承端盖13、机座1的内台阶以及主动轴18的轴肩定位；第四滚动轴承24通过机座镶块32的内台阶、第三轴承端盖21以及主动轴18的轴肩定位；当主动轴18正常旋转时第三滚动轴承17和第四滚动轴承24的外圈保持不动而内圈随主动轴18同步旋转；主动非圆齿轮19采用键连接安装在主动轴18的中部轴身，并与通过键连接安装在从动轴11上的从动非圆齿轮27相互啮合，实现第一级减速；主动圆齿轮9采用键连接固定于从动轴11的轴身，与从动非圆齿轮
27保持相同的转速；主动圆齿轮9与安装在镜框4上的从动圆齿轮8相互啮合，实现第二级减速；从动轴11通过两端的第二滚动轴承10和第五滚动轴承26安装在机座组件内部，第二滚动轴承10通过第一轴承端盖12、机座1的内台阶以及从动轴11的轴肩定位；第五滚动轴承26通过机座镶块32的内台阶、第四轴承端盖25以及从动轴11的轴肩定位；当从动轴11正常旋转时第二滚动轴承10和第五滚动轴承26的外圈保持固定而内圈随从动轴11同步旋转。
[0044] 参见图1，本发明中非圆齿轮驱动楔形棱镜旋转的具体过程为：旋转电机15通过第一联轴器16向主动轴18传递力矩，主动轴18的旋转角度信息由旋转编码器23实时检测；安装在主动轴18上的主动非圆齿轮19和安装在从动轴11上的从动非圆齿轮27构成第一级减速，从动轴11以及安装在从动轴11上的主动圆齿轮9均与从动非圆齿轮27保持转速一致；主动圆齿轮9和刚性连接在镜框4上的从动圆齿轮8构成第二级减速；楔形棱镜6固定在镜框4内，与从动圆齿轮8保持同速旋转，从而实现对棱镜6的精确回转控制。如前所述，此处的旋转电机和传动机构部分可以根据实际应用场合的不同需求而采用多样化的机构类型和布置形式。
[0045] 参见图2，机座1底部两侧加工有安装孔，实际应用时应将旋转棱镜装置固定在特定的安装平台上，以保证光束扫描的准确性和
稳定性。
[0046] 下面根据图11介绍非圆齿轮的基本设计流程。
[0047] 参见图11，针对不同的光束扫描轨迹，需要设计合适的非圆齿轮外形，其主要步骤为：
[0048] （1）分析给定的目标扫描轨迹，求解其准确表达式或具有足够精度的拟合曲线表达式；
[0049] （2）已知目标轨迹表达式，采用双棱镜逆向解方法（如两步法、
迭代法等）获取棱镜的转角曲线；
[0050] （3）根据已有的棱镜转角曲线，确定传动系统的传动比变化函数，由此设计非圆齿轮副的节曲线，本步骤将旋转双棱镜的转角和扫描光束的偏转角之间的非线性关系转化为非圆齿轮的节曲线形状；
[0051] （4）基于非圆齿轮副的节曲线，利用
解析法推导非圆齿轮副的齿顶曲线、齿根曲线和齿廓曲线方程；
[0052] （5）对非圆齿轮副进行
压力角校验、根切校验以及凸性校验等，并通过运动学仿真得到实际的光束扫描轨迹，对比实际扫描轨迹与理论扫描轨迹即可判定设计的非圆齿轮副是否满足传动精度要求；
[0053] （6）运用动力学仿真和
有限元分析的方法分析非圆齿轮副的受力情况，以便判定非圆齿轮机构是否满足强度要求。
