一种用于共口径光学系统的复合轴机构以及共口径光学系统的制作方法

1.本实用新型涉及多波段共口径的光机系统领域，具体涉及一种用于共口径光学系统的复合轴机构以及共口径光学系统。


背景技术：

2.随着科学技术的不断进步和整个世界局势的推动，多波段、多功能的机载光电集成系统已经成为世界研究的热点。为满足系统中大视场范围搜索、目标跟踪、多波段系统集成等需求，常常采用两种方式。一种方式是采用分孔径形式，将各波段系统集成在复合轴上，这将会带来整体结构布局困难、复合轴负载过大等问题，不利于机载光电系统小型化、轻量化的发展趋势。另一种方式是采用共口径形式，利用合束方式进行多波段集成，这种方式可以解决整个系统布局及使用问题；但在满足性能指标的情况下，如何降低复合轴负载、减少系统尺寸一直是机载光电集成系统研制难点；而且在保证不降低光学系统作用距离的情况下，如何同时实现中波红外波段的成像及激光干扰功能也是系统研制的难点。


技术实现要素：

3.本实用新型的一个目的是解决现有技术的光机系统不利于光电系统小型化、轻量化的缺陷。
4.根据本实用新型的第一方面，提供了一种用于共口径光学系统的复合轴机构，包括方位轴系和俯仰轴系，俯仰轴系作为方位轴系的负载，能够在方位轴系中的电机驱动下绕第一轴旋转；俯仰轴系还能够在俯仰轴系中的电机驱动下绕第二轴旋转；其中第一轴与第二轴正交；方位轴系和俯仰轴系中均设置有窗口，俯仰轴系中还设置有摆镜和反射镜,摆镜和反射镜构成库德光路；方位轴系包括方位电机、方位轴承和转接座，方位电机的内环与方位轴承的外环连接，转接座与俯仰轴系连接。
5.优选地，方位轴系包括方位定子座、方位力矩电机、方位转子座、方位交叉滚子轴承、方位轴承座、方位滑环、俯仰转接件、方位圆光栅；方位定子座作为方位轴系的基座，用于安装方位力矩电机；方位转子座用于连接方位力矩电机和方位交叉滚子轴承；方位轴承座安装在方位定子座上，用于支撑方位交叉滚子轴承；方位滑环采用中空方式安装在方位轴承座上，用于实现轴系旋转，同时实现光束通过；俯仰转接件安装在方位转子座上，用于连接俯仰轴系，使俯仰轴系成为方位轴系的转动负载；方位圆光栅安装在方位转子座上，用于反馈位置信息。
6.优选地，俯仰轴系包括俯仰力矩电机、俯仰交叉滚子轴承、俯仰滑环、俯仰圆光栅、红外窗口；俯仰力矩电机用于提供俯仰驱动力；俯仰交叉滚子轴承安装在俯仰轴系的两端；俯仰滑环用于使摆镜实现连续扫描运动；俯仰圆光栅用于反馈位置信息；红外窗口安装在俯仰轴系内。
7.优选地，红外窗口沿3
°
倾斜安装在俯仰轴系内。
8.根据本实用新型的第二方面，提供一种共口径光学系统包括扩束镜组、合束镜成
像镜组、望远镜组以及如本实用新型第一方面所述的用于共口径光学系统的复合轴机构；其中合束镜包括上直角棱镜、分光膜以及下直角棱镜；当发射光束时，光束依次经过扩束镜组、合束镜、望远镜组后进入方位轴系的窗口，并经过反射镜和摆镜的折转作用从俯仰轴系的窗口出射；当接收光束时，光束从俯仰轴系的窗口入射，再经过方位轴系的窗口、望远镜组、合束镜后被成像镜组接收。
9.本实用新型的一个技术效果是，采用了极坐标方式的复合轴设计，将共口径系统中望远镜组上移，利用库德光路(折转反射镜和扫描摆镜)形成正交二维扫描运动，满足2π半球目标空间的全覆盖要求；利用中波红外偏振分光棱镜实现高透过率p光和高反射率s光的分束，在保证不降低光学系统作用距离的情况下同时实现中波红外波段的成像及激光干扰功能；采用交叉滚子轴承、轴承与力矩电机嵌套等方式构建方位轴系，实现紧凑化和小型化的结构设计，缩减轴向和径向尺寸，同时大幅降低系统质量。本实用新型提出的紧凑型多波段共口径光机系统设计技术，可以实现覆盖 2π半目标空间的使用要求，轴系精度可达到10
″
以内，整体结构紧凑、可靠；有效解决了降低复合轴负载、减少系统尺寸的技术难题；同时有效解决了在保证不降低光学系统作用距离的情况下同时实现中波红外波段的成像及激光干扰功能的技术难题。
10.通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
11.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。
12.图1为本实用新型一个实施例的用于共口径光学系统的复合轴机构的结构图；
13.图2为本实用新型一个实施例的方位轴系结构图；
14.图3为本实用新型一个实施例的俯仰轴系结构图；
15.图4为本实用新型一个实施例的共口径光学系统的结构示意图；
16.图5为本实用新型一个实施例的合束镜结构图。
具体实施方式
17.现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。
18.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
19.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
20.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
22.<实施方式一>
23.本实施方式提供一种用于共口径光学系统的复合轴机构，如图1至图3所示，包括方位轴系4和俯仰轴系5，俯仰轴系5作为方位轴系4的负载，能够在方位轴系4中的电机驱动下绕第一轴旋转；俯仰轴系5还能够在俯仰轴系5中的电机驱动下绕第二轴旋转；其中第一轴与第二轴正交；方位轴系4和俯仰轴系5中均设置有窗口，俯仰轴系5中还设置有摆镜19和反射镜20，摆镜19和反射镜20构成库德光路；方位轴系4包括方位电机、方位轴承和转接座，方位电机的内环与方位轴承的外环连接，转接座与俯仰轴系5连接。
24.本实施方式的应用场景可以结合图4进行说明。图4是一种共口径光学系统，在一个实施例中可同时实现激光的发射与接收。其中：30
‑
近红外激光扩束镜组；40
‑
合束镜组；41
‑
反射镜；42
‑
合束镜；43
‑
偏振分光棱镜； 50
‑
中波红外成像镜组；60
‑
中波红外扩束镜组；70
‑
望远镜组；4
‑
方位轴系； 5
‑
俯仰轴系；21
‑
扫描摆镜；22
‑
折转反射镜；a
‑
固定部分；b
‑
运动部分。当发射激光时，光束经过中波红外扩束镜组30到达合束镜42，经过合束镜42分光膜的偏振作用后进入望远镜组70，再进入本实施方式的复合轴机构。本实施方式主要用于实现沿第一轴(图4中的方位轴系4)和第二轴(图4中的俯仰轴系5)两个维度进行旋转。窗口用于使发射光和接受光能够通过复合轴机构，反射镜用于折转光路，摆镜也有具有旋转轴，可以通过绕自身的轴旋转完成扫描。至此能够看出复合轴机构可以通过轴系进行2π范围内的自由旋转，能够向指定方向发射光束或接收光束，并能通过摆镜完成扫描。反射镜和扫描镜利用库德光路原理形成正交二维扫描运动。库德是指能够随轴系旋转的全反射导光光路，通过旋转经轴和纬轴，系统能够把光束发射到任意方位。
25.本实施方式相比于现有技术的一个显著进步在于，将方位电机的内环与方位轴承的外环连接，这样不需方位轴系整体旋转，也能够带动俯仰轴系运动。这种嵌套方式构成的轴系，更有利于紧凑化和小型化，同时还能保证轴系精度。
26.进一步地，方位轴系4主要由方位定子座6、方位力矩电机7、方位转子座8、方位交叉滚子轴承9、方位轴承座10、方位滑环11、俯仰转接件 12、方位圆光栅13等组成。方位定子座6是整个轴系的基座，用于安装方位力矩电机7；方位转子座8用于连接方位力矩电机7和方位交叉滚子轴承9，形成转动部分；方位轴承座10安装在方位定子座6上，用于支撑方位交叉滚子轴承9；方位滑环11采用中空方式，安装方位轴承座10上，用于实现轴系360
°
旋转，同时实现光束通过；俯仰转接件12安装在方位转子座8上，用于连接高精度俯仰轴系5，使整个俯仰轴系成为方位轴系的转动负载；方位圆光栅13安装在方位转子座8上，用于反馈位置信息；整体形成完整高精度方位轴系。整个方位轴系采用轴承与力矩电机嵌套的方式构建轴系，避免了由轴承安装结构带来的尺寸延长，实现紧凑化结构设计；采用交叉滚子轴承，可缩减方位轴转台径向尺寸，同时大幅降低系统质量，实现小型化结构设计。
27.俯仰轴系5主要由俯仰力矩电机14、俯仰交叉滚子轴承15、俯仰滑环 16、俯仰圆光栅17、红外窗口18等组成。俯仰力矩电机14主要提供俯仰驱动力；俯仰交叉滚子轴承15安装在俯仰轴系5两端；俯仰滑环16一端连接转动部分，一端连接固定部分，能够使俯仰摆镜实现360
°
连续扫描运动，满足俯仰
‑
15
°
～ 90
°
的要求；俯仰圆光栅17主要用于反馈位置信息，满足系统工作所需的高回转精度；红外窗口18采用随动方式，倾斜安装在俯仰轴系上，以最小窗口尺寸实现光学系统密闭功能。为了在小窗口尺寸基础上尽可能避免对红外成像系统产生影响，本实施方式选择将红外窗口18沿3
°
倾斜安装在俯仰轴系内。
28.本实施方式利用扫描摆镜、折转反射镜形成复合轴；其中扫描摆镜形成俯仰轴系，可实现
‑
15
°
～ 90
°
的俯仰运动；扫描摆镜、折转反射镜形成方位轴系，通过滑环可实现360
°
旋转运动；整体形成较大的搜索及目标跟踪视场。望远镜组、合束镜组、近红外激光扩束镜组、中波红外扩束镜组、中波红外成像镜组等安装在固定框架上，保持不动，极大的降低了复合轴负载。整个光学系统采用模块化设计思想，各模块间实现平行光对接，易于装调及结构布局。
29.<实施方式二>
30.本实施方式提供一种共口径光学系统，包括扩束镜组、合束镜成像镜组、望远镜组以及如实施方式一中的用于共口径光学系统的复合轴机构；其中合束镜包括上直角棱镜1、分光膜2以及下直角棱镜3；当发射光束时，光束依次经过扩束镜组、合束镜、望远镜组后进入方位轴系的窗口，并经过反射镜和摆镜的折转作用从俯仰轴系的窗口出射；当接收光束时，光束从俯仰轴系的窗口入射，再经过方位轴系的窗口、望远镜组、合束镜后被成像镜组接收。
31.合束镜的一个实施例的结构如图5所示，偏振分光棱镜主要由上直角棱镜1、多层介质分光膜2、下直角棱镜3组成。中波红外光束照射到上直角棱镜1上，经过上直角棱镜1到达多层介质分光膜2并发生偏振，光矢量中的p光高透射率到达中波红外波段成像镜组，实现中波红外波段成像功能；光矢量中的s光高反射率反射，实现中波红外波段激光干扰功能。
32.由此可见，本实施方式采用极坐标扫描方式实现方位/俯仰复合轴运动，将共口径系统中望远镜组(主镜、次镜)上移，利用扫描摆镜、折转反射镜形成复合轴；其中扫描摆镜形成俯仰轴系，可实现
‑
15
°
～ 90
°
的俯仰运动；扫描摆镜、折转反射镜形成方位轴系，通过滑环可实现360
°
旋转运动；整体形成较大的搜索及目标跟踪视场。望远镜组、合束镜组、近红外激光扩束镜组、中波红外扩束镜组、中波红外成像镜组等安装在固定框架上，保持不动，极大的降低了复合轴负载。整个光学系统采用模块化设计思想，各模块间实现平行光对接，易于装调及结构布局。折转反射镜，轴系部分采用嵌套方式，使结构更紧凑，并大大降低了方位转动部分的重量，缩短了光机系统径向尺寸，解决了降低复合轴负载、减少系统尺寸的技术难题。同时解决了在保证不降低光学系统作用距离的情况下同时实现中波红外波段的成像及激光干扰功能的技术难题。
33.<实施例>
34.本实施例的各部件结构如图1至图5所示，所涉及到的共口径光学系统共包括近红外(1064nm)、中波红外(3.7μm～4.8μm)两个波段，实现红外波段(1064nm)激光干扰、中波红外波段(3.7μm～4.8μm)激光干扰、中波红外波段(3.7μm～4.8μm)成像三个功能。
35.红外偏振棱镜中上直角棱镜1与下直角棱镜3基底材料选用氟化钙，多层介质分光膜2采用特殊红外胶层处理形成，最终实现中波红外波段中p光95％以上的透过率、s光95％以上的反射率，避免了能量大幅下降，满足不降低作用距离指标的要求。
36.高精度方位轴系4中，方位定子座6、方位转子座8、方位轴承座10、俯仰转接件12等主体零件均采用性能优异的航空铝7a09材料；方位力矩电机7采用稀土磁钢系列直流力矩电机，其连续堵转转矩分别为123nm，驱动源直接与负载直接耦合，可以提高系统精度及运行平稳性；方位交叉滚子轴承9采用交叉滚子轴承，其特点是精度高、可承受多种载荷(径向
载荷、轴向载荷及力矩载荷)、薄壁尺寸、高刚性等；方位滑环11采用森瑞普电子h180298
‑
0410
‑
20s型号的滑环，中心中空构型，满足通光要求的同时可实现轴系360
°
旋转；方位圆光栅13采用雷尼绍品牌的圆光栅，其精度为
±
0.82
″
；利用上述结构，调整好各构件精度，可以实现5
″
的方位轴系精度。
37.高精度俯仰轴系5中，俯仰力矩电机14同样采用稀土磁钢系列直流力矩电机，其连续堵转转矩分别为3nm，驱动源直接与负载直接耦合，可以提高系统精度及运行平稳性；俯仰交叉滚子轴承15采用交叉滚子轴承，减少结构整体尺寸并提高了承载能力；俯仰滑环16采用m155系列电子滑环，实现轴系360
°
旋转；俯仰圆光栅17采用雷尼绍品牌的圆光栅，其精度为
±
2.67
″
；红外窗口18采用多光谱硫化锌，以适应多波段通光要求，并采用3
°
倾斜放置，避免对红外成像系统产生影响；利用上述结构，调整好各构件精度，可以实现10
″
的方位轴系精度。
38.虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。