專利名稱：雙光楔光束偏轉(zhuǎn)機械裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學傳遞系統(tǒng)，是一種可以使兩個圓形光楔實現(xiàn)空間正交旋轉(zhuǎn)的精密的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)機械裝置，尤其適用于模擬光學傳遞系統(tǒng)中較小視場內(nèi)一定俯仰角和方位角的光束偏轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
光楔在光學傳遞系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，如平行光路中的補償器(旋轉(zhuǎn)單光楔、旋轉(zhuǎn)雙光楔，擺動雙光楔等)，會聚光路中的補償器(軸向移動單光楔、軸向移動雙光楔、橫向移動雙光楔等)。實際應(yīng)用中根據(jù)不同的光束偏向角要求而采用不同的光楔組合。一般在平行光路中，單光楔可以作為校驗儀器上的微調(diào)機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)雙光楔組合可以產(chǎn)生較大視場的任意偏向角；而會聚光路中軸向移動光楔通常只能實現(xiàn)視場上像點的上下移動。在光學傳遞和檢測中，有時候需要得到小視場內(nèi)一定俯仰角和方位角的光束偏轉(zhuǎn)，如星間激光通信終端跟瞄系統(tǒng)中光束傳遞的模擬等，此時就需要設(shè)計特定的精密機械系統(tǒng)來完成這樣的功能。
在星間激光束傳遞的工作中，通過兩個光楔分別繞正交軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)了光束按照預(yù)定的俯仰角和方位角的精確偏轉(zhuǎn)。其基本原理參見在先技術(shù)(孫建鋒等專利，申請?zhí)?00410024986.2，申請日2004年10月《旋轉(zhuǎn)雙棱鏡角度發(fā)生器》)。該發(fā)明理論上實現(xiàn)了小范圍內(nèi)微弧度量級的高精度光束偏離的問題。圖1為其原理圖，圖中標號的含義如下21-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換1；22-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換2；23-驅(qū)動電路1；24-驅(qū)動電路2；25-直線步進電機1；26-直線步進電機2；27-轉(zhuǎn)動機構(gòu)1；28-轉(zhuǎn)動機構(gòu)2；29-棱鏡1；210-棱鏡2；211-計算機。圖2為其結(jié)構(gòu)示意圖，(a)正視圖；(b)側(cè)視圖；(c)俯視圖。
但是該在先技術(shù)《旋轉(zhuǎn)雙棱鏡角度發(fā)生器》的機械系統(tǒng)有缺點，旋轉(zhuǎn)步進電機直接耦合轉(zhuǎn)動軸實現(xiàn)棱鏡旋轉(zhuǎn)，對步進電機的進給精度和動力性能要求較高，機械誤差較大。同時在先技術(shù)中使用矩形棱鏡，裝置體積龐大，結(jié)構(gòu)不緊湊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是基于上述在先技術(shù)的光學原理(如圖3所示)，提供一種實現(xiàn)雙圓形光楔繞正交軸旋轉(zhuǎn)的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)機械裝置，以克服上述技術(shù)的不足。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種實現(xiàn)雙圓形光楔繞正交軸旋轉(zhuǎn)的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)機械裝置，包括分別繞正交軸旋轉(zhuǎn)的第一光楔、第二光楔、第一直線步進電機、第二直線步進電機、第一角度編碼器、第二角度編碼器和底座，其特征在于第一光楔及鏡框總成和第二光楔及鏡框總成置中布置在底座內(nèi)所述的第一光楔及鏡框總成的構(gòu)成所述的第一光楔膠合在內(nèi)鏡框中，第一光楔的楔面由楔形墊圈支撐，通過O形圈和內(nèi)鏡框接觸，內(nèi)鏡框放置在外鏡框)中，第一光楔的平面朝外，通過光楔壓板螺旋旋進壓緊，該光楔壓板和第一光楔間墊有彈性塊，內(nèi)鏡框和外鏡框之間安置有由微調(diào)螺釘和調(diào)整塊構(gòu)成的微調(diào)機構(gòu)，該外鏡框的正下方設(shè)有鏡框連接板；一水平轉(zhuǎn)動軸由左段和右段構(gòu)成，該水平轉(zhuǎn)動軸左段的右端和水平轉(zhuǎn)動軸右段的左端與外鏡框剛性聯(lián)結(jié)在一起，所述的左段和右段的另一端通過高精度滾動軸承由底座支撐；第一角度編碼器固定在水平轉(zhuǎn)動軸左段的左端；第一直線步進電機及導(dǎo)軌的構(gòu)成是第一直線步進電機通過支架固定在底座的內(nèi)部，該第一直線步進電機的電機螺桿通過預(yù)緊彈簧和螺帽設(shè)置在鏡框連接板的V形槽內(nèi)，預(yù)緊彈簧保證螺帽和鏡框連接板始終緊密接觸；限位螺釘保證靜止時受預(yù)緊彈簧的作用使第一光楔及鏡框不偏離起始位置，所述的電機螺桿通過導(dǎo)向架聯(lián)結(jié)在導(dǎo)軌滑塊上，該導(dǎo)軌滑塊位于導(dǎo)軌上，該導(dǎo)軌也通過支架固定在底座上；第二光楔及鏡框總成與第一光楔及鏡框總成的結(jié)構(gòu)完全相同；一垂直轉(zhuǎn)動軸由上段和下段構(gòu)成，該垂直轉(zhuǎn)動軸的上段的下端和垂直轉(zhuǎn)動軸下段的上端與第二光楔及鏡框總成的外鏡框剛性聯(lián)結(jié)在一起，另一端通過高精度滾動軸承由底座支撐；第二角度編碼器固定在所述的垂直轉(zhuǎn)動軸上段的上端；第二直線步進電機及導(dǎo)軌的構(gòu)成與第一直線步進電機及導(dǎo)軌的構(gòu)成完全相同，也固定在底座的內(nèi)部，不同在于安裝位置和作用，第一直線步進電機及導(dǎo)軌的作用是推動第一光楔及鏡框總成繞水平轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，而第二直線步進電機及導(dǎo)軌的作用在于推動第二光楔及鏡框總成繞垂直轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。
所述的底座上布置有釣鉤。
本發(fā)明的技術(shù)效果1.采用兩個圓形光楔，正八邊形內(nèi)外鏡框，對稱布置在底座內(nèi)。兩個直線步進電機固定在底座內(nèi)部，分別通過兩根螺桿直接頂進兩個鏡框使其繞一對正交轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)，同時用預(yù)緊彈簧實現(xiàn)鏡框和螺桿的緊密接觸。電機螺桿和導(dǎo)軌滑塊相連，由直線導(dǎo)軌導(dǎo)向進給，工作平穩(wěn)無抖動。相對在先技術(shù)中旋轉(zhuǎn)電機直接耦合轉(zhuǎn)動軸實現(xiàn)光楔轉(zhuǎn)動而言，機械系統(tǒng)精度有了很大的提高，整體外形也較在先技術(shù)美觀緊湊。
2.內(nèi)外鏡框嵌套，并有光楔主截面位置微調(diào)機構(gòu)。光楔安裝在內(nèi)鏡框中，內(nèi)鏡框通過微調(diào)機構(gòu)在外鏡框中旋轉(zhuǎn)，從而可以對圓形光楔主截面位置進行精確標定。
3.水平轉(zhuǎn)動軸和垂直轉(zhuǎn)動軸分別與兩個置中布置的鏡框剛性聯(lián)結(jié)在一起，并用高精度的滾動軸承進行支撐，重心合理，運動平穩(wěn)靈活，沖擊小。


圖1為在先技術(shù)正交旋轉(zhuǎn)雙光楔光束掃描原理圖。
圖2為在先技術(shù)的總裝示意圖，(a)圖中為正視圖；(b)為側(cè)視圖；(c)為俯視圖。
圖3為本發(fā)明光束偏轉(zhuǎn)的光學原理圖及光楔外形圖。
圖4為本發(fā)明的總裝正視示意圖。
圖5為圖4的A-A剖視6為圖4的B-B剖視7為第一光楔及鏡框示意8為第一直線步進電機及導(dǎo)軌示意圖。
圖中1-底座，2-第一光楔及鏡框總成，20-彈性塊，21-第一光楔，22-內(nèi)鏡框，23-外鏡框，24-楔形墊塊，25-光楔壓板，26-微調(diào)螺釘，27-O形圈，28-調(diào)整塊，29-光楔連接板，3-第二光楔及鏡框總成，4-第一直線步進電機及導(dǎo)軌，41-第一直線步進電機，42-限位螺釘，43-第一電機螺桿，44-頂桿螺帽，45-導(dǎo)軌，46-導(dǎo)軌滑塊，47-預(yù)緊彈簧，48-導(dǎo)向架，49-支架；5-第二直線步進電機及導(dǎo)軌，6-第一角度編碼器，7-第二角度編碼器，8-釣鉤；9-水平軸左段，10-水平軸右段；11-垂直軸上段，12-垂直軸下段。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
先請參閱圖4～圖6所示。本發(fā)明雙光楔光束偏轉(zhuǎn)機械裝置，包括分別繞正交軸旋轉(zhuǎn)的第一光楔、第二光楔、第一直線步進電機、第二直線步進電機、第一角度編碼器、第二角度編碼器和一底座，其特點是第一光楔及鏡框總成2和第二光楔及鏡框總成3置中布置在底座1內(nèi)所述的第一光楔及鏡框總成2的構(gòu)成參閱圖7，所述的第一光楔21膠合在內(nèi)鏡框22中，第一光楔21的楔面由楔形墊圈24支撐，通過O形圈27和內(nèi)鏡框22接觸，內(nèi)鏡框22放置在外鏡框23中，第一光楔21的平面朝外，通過光楔壓板25螺旋旋進壓緊，該光楔壓板25和第一光楔21間墊有彈性塊20，內(nèi)鏡框22和外鏡框23之間安置有由微調(diào)螺釘26和調(diào)整塊28構(gòu)成的微調(diào)機構(gòu)，該外鏡框23的正下方設(shè)有鏡框連接板29；一水平轉(zhuǎn)動軸由左段9和右段10構(gòu)成，該水平轉(zhuǎn)動軸左段9的右端和水平轉(zhuǎn)動軸右段10的左端與外鏡框23剛性聯(lián)結(jié)在一起，所述的左段9和右段10的另一端通過高精度滾動軸承由底座1支撐；第一角度編碼器(6)固定在水平轉(zhuǎn)動軸左段9的左端；第一直線步進電機及導(dǎo)軌4的構(gòu)成是第一直線步進電機41通過支架49固定在底座1的內(nèi)部，該第一直線步進電機41的電機螺桿43通過預(yù)緊彈簧47和螺帽44設(shè)置在鏡框連接板29的V形槽內(nèi)，預(yù)緊彈簧47保證螺帽44和鏡框連接板29始終緊密接觸；限位螺釘42保證靜止時受預(yù)緊彈簧47的作用使第一光楔及鏡框2不偏離起始位置，所述的電機螺桿43通過導(dǎo)向架48聯(lián)結(jié)在導(dǎo)軌滑塊46上，該導(dǎo)軌滑塊46位于導(dǎo)軌45上，該導(dǎo)軌45也通過支架49固定在底座1上；第二光楔及鏡框總成3與第一光楔及鏡框總成2的結(jié)構(gòu)完全相同；第二光楔及鏡框總成3具有一垂直轉(zhuǎn)動軸，由上段11和下段12構(gòu)成，該垂直轉(zhuǎn)動軸的上段11的下端和垂直轉(zhuǎn)動軸下段12的上端與第二光楔及鏡框總成3的外鏡框剛性聯(lián)結(jié)在一起，另一端通過高精度滾動軸承由底座1支撐；第二角度編碼器7固定在所述的垂直轉(zhuǎn)動軸上段11的上端；第二直線步進電機及導(dǎo)軌5的構(gòu)成與第一直線步進電機及導(dǎo)軌4的構(gòu)成完全相同，也固定在底座1的內(nèi)部，不同在于安裝位置和作用，第一直線步進電機及導(dǎo)軌4的作用是推動第一光楔及鏡框總成2繞水平轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，而第二直線步進電機及導(dǎo)軌5的作用在于推動第二光楔及鏡框總成3繞垂直轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。所述的底座1上布置有釣鉤8，以方便搬遷。
第一直線步進電機和第二直線步進電機固定在底座上，工作時電機螺桿直線進給，分別作用在水平軸鏡框的一側(cè)和垂直軸鏡框的一側(cè)。電機螺桿通過預(yù)緊彈簧和鏡框保持接觸，同時限位螺釘保證了靜止工況下的第一光楔及鏡框和第二光楔及鏡框不偏離起始位置。電機螺桿通過導(dǎo)向架和導(dǎo)軌滑塊相連，導(dǎo)軌固定在底座上，這樣就保證了電機螺桿沿直線平穩(wěn)進給，無沖擊抖動。
受電機螺桿作用，水平軸鏡框繞水平軸小角度轉(zhuǎn)動，垂直軸鏡框繞垂直軸小角度轉(zhuǎn)動，分別實現(xiàn)光束俯仰角和方位角的變化。水平轉(zhuǎn)動軸和垂直轉(zhuǎn)動軸都由兩段組成，一端和鏡框剛性聯(lián)結(jié)在一起，另一端通過高精度滾動軸承由底座實現(xiàn)支撐。兩個編碼器則分別固定在水平轉(zhuǎn)動軸的最右端和垂直轉(zhuǎn)動軸的最上端，安裝方便，不需要較大的校準即可以實現(xiàn)對準安裝。工作時，編碼器鼓輪隨轉(zhuǎn)動軸一起轉(zhuǎn)動，可以實時測量轉(zhuǎn)動軸的實際轉(zhuǎn)角。
本發(fā)明的技術(shù)效果還可作進一步分析設(shè)第一直線步進電機的行程為s，電機螺桿軸線與棱鏡旋轉(zhuǎn)軸線的距離，即螺桿頂進的力臂為L，則可以實現(xiàn)的光楔旋轉(zhuǎn)角度為α=sL×π180]]>
如當電機螺桿行程為23mm，最大行程31.8mm，力臂L長261，則可以實現(xiàn)光楔旋轉(zhuǎn)角度0～5°，最大轉(zhuǎn)角不大于7°。
設(shè)直線步進電機的步長為l，則直線步進電機每個步長可以達到的測量角精度β為β=lL×ρ]]>上式中ρ為弧度化為角秒的轉(zhuǎn)換量，l為步進電機步長。如果裝置中選裝高性能細分驅(qū)動器，則可以對電機的進給步長進行更細的劃分。
如選擇步長l＝6.096μm，力臂L長261，則直線步進電機每個步長可以達到的測量角精度為lL×ρ=6.096×10-3261×2.06365×105=4.8′′]]>編碼器的選擇要和直線步進電機的步長相匹配。如直線步進電機實現(xiàn)的測量角精度為4.8″時。則編碼器可以選用HEIDENHAIN(海德漢)ERA180模塊式角度編碼器，鼓內(nèi)徑φ40mm，刻線數(shù)6000，刻線準確度±5″，推薦測量步距0.0015°約5.4″。可知ERA180/φ40編碼器基本與該種電機相匹配。
本實施例中，第一角度編碼器6和第二角度編碼器7均選用德國海德漢ERA180編碼器。
圖7為第一光楔及鏡框2圖。第一光楔21材料為k9玻璃，直徑φ360mm，棱角為5°，最薄端為30mm。它膠合在內(nèi)鏡框22中，第一光楔21楔面由楔形墊圈24支撐，通過O形圈27和內(nèi)鏡框22接觸。內(nèi)鏡框22放置在外鏡框23中，第一光楔21的平面?zhèn)瘸猓ㄟ^光楔壓板25螺旋旋進壓緊，光楔壓板25和第一光楔21間墊有彈性塊20，緊固后可以使第一光楔21表面受壓均勻，變形小。內(nèi)鏡框22和外鏡框23之間安置有微調(diào)機構(gòu)，由微調(diào)螺釘26和調(diào)整塊28構(gòu)成。松開光楔壓板25，手動調(diào)整微調(diào)螺釘26，固定在內(nèi)鏡框22上的調(diào)整塊28即可帶動內(nèi)鏡框22在外鏡框23內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以校正第一光楔21主截面的位置。
圖8為第一直線步進電機及導(dǎo)軌4示意圖。第一直線步進電機41及進給機構(gòu)都布置在底座1的內(nèi)部，通過第一電機螺桿43和螺帽44作用在鏡框連接板29的V形槽內(nèi)。預(yù)緊彈簧47保證螺帽44和鏡框連接板29始終緊密接觸。限位螺釘42保證靜止時受預(yù)緊彈簧作用第一光楔及鏡框2不偏離起始位置。為了防止第一直線步進電機41進給時產(chǎn)生抖動，裝置中采用了導(dǎo)軌45和導(dǎo)軌滑塊46結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌45也通過支架49固定在底座1上。電機螺桿43通過導(dǎo)向架48聯(lián)結(jié)在導(dǎo)軌滑塊46上，進給時導(dǎo)軌滑塊46在導(dǎo)軌45上滑行，確保了第一直線步進電機41的進給精度。導(dǎo)軌45及滑塊46采用日本THK公司的不銹鋼高精度導(dǎo)軌。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)雙圓形光楔繞正交軸旋轉(zhuǎn)的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)機械裝置，包括分別繞正交軸旋轉(zhuǎn)的第一光楔、第二光楔、第一直線步進電機、第二直線步進電機、第一角度編碼器、第二角度編碼器和一底座，其特征在于第一光楔及鏡框總成(2)和第二光楔及鏡框總成(3)置中布置在底座(1)內(nèi)所述的第一光楔及鏡框總成(2)的構(gòu)成所述的第一光楔(21)膠合在內(nèi)鏡框(22)中，第一光楔(21)的楔面由楔形墊圈(24)支撐，通過O形圈(27)和內(nèi)鏡框(22)接觸，內(nèi)鏡框(22)放置在外鏡框(23)中，第一光楔(21)的平面朝外，通過光楔壓板(25)螺旋旋進壓緊，該光楔壓板(25)和第一光楔(21)間墊有彈性塊(20)，內(nèi)鏡框(22)和外鏡框(23)之間安置有由微調(diào)螺釘(26)和調(diào)整塊(28)構(gòu)成的微調(diào)機構(gòu)，該外鏡框(23)的正下方設(shè)有鏡框連接板(29)；一水平轉(zhuǎn)動軸由左段(9)和右段(10)構(gòu)成，該水平轉(zhuǎn)動軸左段(9)的右端和水平轉(zhuǎn)動軸右段(10)的左端與外鏡框(23)剛性聯(lián)結(jié)在一起，所述的左段(9)和右段(10)的另一端通過高精度滾動軸承由底座(1)支撐；第一角度編碼器(6)固定在水平轉(zhuǎn)動軸左段(9)的左端；第一直線步進電機及導(dǎo)軌(4)的構(gòu)成是第一直線步進電機(41)通過支架(49)固定在底座(1)的內(nèi)部，該第一直線步進電機(41)的電機螺桿(43)通過預(yù)緊彈簧(47)和螺帽(44)設(shè)置在鏡框連接板(29)的V形槽內(nèi)，預(yù)緊彈簧(47)保證螺帽(44)和鏡框連接板(29)始終緊密接觸；限位螺釘(42)保證靜止時受預(yù)緊彈簧(47)的作用使第一光楔及鏡框(2)不偏離起始位置，所述的電機螺桿(43)通過導(dǎo)向架(48)聯(lián)結(jié)在導(dǎo)軌滑塊(46)上，該導(dǎo)軌滑塊(46)位于導(dǎo)軌(45)上，該導(dǎo)軌(45)也通過支架(49)固定在底座(1)上；第二光楔及鏡框總成(3)與第一光楔及鏡框總成(2)的結(jié)構(gòu)完全相同；一垂直轉(zhuǎn)動軸由上段(11)和下段(12)構(gòu)成，該垂直轉(zhuǎn)動軸的上段(11)的下端和垂直轉(zhuǎn)動軸下段(12)的上端與第二光楔及鏡框總成(3)的外鏡框剛性聯(lián)結(jié)在一起，另一端通過高精度滾動軸承由底座(1)支撐；第二角度編碼器(7)固定在所述的垂直轉(zhuǎn)動軸上段(11)的上端；第二直線步進電機及導(dǎo)軌(5)的構(gòu)成與第一直線步進電機及導(dǎo)軌(4)的構(gòu)成完全相同，也固定在底座(1)的內(nèi)部，不同在于安裝位置和作用，第一直線步進電機及導(dǎo)軌(4)的作用是推動第一光楔及鏡框總成(2)繞水平轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，而第二直線步進電機及導(dǎo)軌(5)的作用在于推動第二光楔及鏡框總成(3)繞垂直轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光楔光束偏轉(zhuǎn)機械裝置，其特征在于所述的底座(1)上布置有釣鉤(8)。
全文摘要
一種實現(xiàn)光束小角度偏轉(zhuǎn)的精密雙光楔光束偏轉(zhuǎn)機械裝置，該裝置基于透射光束經(jīng)過正交旋轉(zhuǎn)雙光楔時的折射原理，主要由底座、兩個直線步進電機、兩個導(dǎo)軌、兩個圓形光楔及鏡框及兩個角度編碼器構(gòu)成，水平轉(zhuǎn)動軸和垂直轉(zhuǎn)動軸正交布置，一端分別剛性聯(lián)結(jié)到鏡框上，另一端則通過高精度滾動軸承實現(xiàn)支撐，兩個直線步進電機布置在底座內(nèi)部，通過電機螺桿推進兩個鏡框分別繞水平轉(zhuǎn)動軸和垂直轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動軸的一側(cè)布置有模塊式角度編碼器。工作時受控制電路作用，直線步進電機推進光楔及鏡框總成旋轉(zhuǎn)，同時編碼器實時反饋光楔實際轉(zhuǎn)角。該裝置可根據(jù)需要使透射光束在較小視場內(nèi)產(chǎn)生一定俯仰角和方位角偏轉(zhuǎn)。
文檔編號G02F1/01GK1713028SQ20051002655
公開日2005年12月28日 申請日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月8日
發(fā)明者李安虎, 劉立人, 孫建鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所