一种二维高速扫描反射镜装置的制作方法

1.本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，特别涉及一种二维高速扫描反射镜装置。


背景技术：

2.快速反射镜是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的部件，通过采用音圈电机精确控制反射镜偏转方向从而精确控制光束偏转角度，用于实现反射镜的“偏转
‑
倾斜”方位角度的快速调整，可用于光电领域的视轴稳定或扫描补偿等应用。由于其具有结构紧凑、响应速度快、工作带宽高、指向精度高等优点，被广泛应用于激光雷达和激光雷达系统的应用当中，主要包括三维绘图、飞机着陆、航天器对接、水下测量、自主车辆导航、地形相对导航等方向。
3.目前的激光雷达扫描大多采用两个一维振镜的往复扫描实现激光的二维扫描，这种扫描方式对一维扫描机构的动态性能提出较高要求，特别是当反射镜口径比较大时，一维扫描机构的体积重量功耗都比较大。
4.现有的快速反射镜采用的音圈电机大都采用动圈式设计，即磁缸部分连接在快速反射镜壳体基座上，线圈连接在反射镜支架上。因一般线圈部分的重量远小于磁缸部分的重量，因此这样设计能够减小反射镜转动部分的转动惯量，从而获得相对较高的工作带宽。但带来个两个问题，一个是线缆的拖拽问题，长时间的运动容易造成线缆断裂；二是线圈工作时会产生较多的热量，直接将线圈接到反射镜支架上，会使热量会传导到反射镜上，引起反射镜的热变形，从而降低反射镜的平面度等指标，降低快速反射镜的整体性能。在真空等特殊场合该问题更为突出。
5.现有的快速反射镜采用的承载形式主要包括刚性承载和柔性承载两种。与刚性承载式快速反射镜相比，柔性承载式快速反射镜具有无摩擦、结构紧凑等特点。但由于快速反射镜的柔性承载结构与反射镜支架不能一直完全接触，造成柔性承载结构与反射镜支架之间会存在间隙。这种间隙的存在会影响快速反射镜的指向精度。
6.并且现有技术方案中快速反射镜的柔性支撑结构较为复杂，体积较大，造成快速反射镜装置内部空间不能有效地利用。采用柔性支撑使快速反射镜的抗冲击振动性能大大下降，使其在某些场合无法应用。特别是当快速反射镜的转角范围比较大时，该问题尤为突出。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种二维高速扫描反射镜装置，用于解决上述至少一个技术问题，其能够实现较大的转角范围，同时避免了动圈式设计的线缆拖拽、线圈变热导致的反射镜热变形等技术性问题，并且结构设置合理、紧凑，方便安装。
8.本发明的实施例是这样实现的：一种二维高速扫描反射镜装置，其包括反射镜、反射镜支架、音圈电机、旋转电机、旋转轴承组件和壳体。
9.所述反射镜通过所述反射镜支架固定在所述壳体的前端。
10.所述旋转电机通过所述旋转轴承组件固定在所述壳体的后端。
11.所述音圈电机固定在所述反射镜支架和所述旋转电机之间。
12.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述壳体包括支撑座和底座。
13.所述支撑座安装在所述底座的前端。
14.所述支撑座和所述底座连通。
15.所述音圈电机固定在所述支撑座内。
16.所述旋转电机固定在所述底座内。
17.所述旋转电机采用力矩更大、使用寿命更长的力矩电机。
18.其技术效果在于：可进行旋转角度的测量。
19.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述旋转轴承组件包括第一轴承环和第二轴承环。
20.所述第一轴承环的外圈固定在所述底座的前端的内壁上。
21.所述第二轴承环的外圈固定在所述底座的后端的内壁上。
22.所述旋转电机的一端与所述第一轴承环的内圈固定，另一端与所述第二轴承环的内圈固定。
23.其技术效果在于：所述旋转电机通过所述旋转轴承组件支撑于所述底座上，使得所述反射镜可以实现二维偏摆。
24.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述音圈电机包括线圈和磁体组件。
25.所述线圈固定在所述支撑座的内壁上。
26.所述磁体组件位于所述线圈的内部。
27.所述磁体组件的下端通过刚性支撑组件连接所述旋转电机。
28.所述磁体组件的上端固定连接所述反射镜支架。
29.其技术效果在于：所述刚性支撑组件和所述旋转轴承组件，使快速反射镜能够具有较大的转角范围，同时大大提高了抗冲击振动性能。
30.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述刚性支撑组件包括安装座和紧固螺钉。
31.所述安装座固定在所述第一轴承环的内圈上。
32.其技术效果在于：所述刚性支撑组件支撑在所述旋转轴承组件上，使得反射镜可以围绕旋转轴倾斜。
33.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述磁体组件包括永磁体和导磁体。
34.所述导磁体通过所述紧固螺钉固定在所述安装座内。
35.所述永磁体包括第一永磁体和第二永磁体，分别布置在所述导磁体的两级。
36.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述安装座呈盖状，两侧设有开口，所述导磁体从两侧的开口处穿过。
37.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的还包括位移测量传感
器。
38.所述位移测量传感器包括位移感应目标环和电涡流线圈。
39.所述位移感应目标环固定在所述音圈电机的下方。
40.所述位移感应目标环采用铝材。
41.所述电涡流线圈固定在所述支撑座上。
42.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述位移感应目标环和所述电涡流线圈均以所述反射镜的中心轴为中心放置。
43.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置还包括圆周测量装置。
44.所述圆周测量装置包括圆周感应目标环和旋转角度检测环。
45.所述圆周感应目标环固定在所述旋转轴承组件的下方。
46.所述圆周感应目标环采用铝材。
47.所述旋转角度检测环固定在所述底座上。
48.所述圆周感应目标环和所述旋转角度检测环均以所述反射镜的中心轴为中心放置。
49.本发明实施例的有益效果是：本发明采用动磁式音圈电机和力矩旋转电机分别控制反射镜围绕旋转轴倾斜和围绕z轴方向水平旋转，使用同一个所述反射镜就可实现二维大范围扫描，避免了传统二维扫描机构中高速往复运动带来的高加速度要求，从而体积重量功耗都比较低，能实现快速螺旋线点扫描；节约了成本，减少了激光的损耗。本发明的二维高速扫描反射镜装置，既有扫描的功能，也可指向。本发明能够很容易地控制激光脉冲产生螺旋形的运动轨迹，并且使得激光脉冲的密度和扫描范围大小可调，从而更加容易地实现扫描图像大小和分辨率的调节。
附图说明
50.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
51.图1为本发明二维高速扫描反射镜装置的爆炸结构示意图；图2为本发明二维高速扫描反射镜装置的一侧剖视结构示意图；图3为本发明二维高速扫描反射镜装置的另一侧剖视结构示意图；图4为本发明二维高速扫描反射镜装置的俯视结构示意图；图5为本发明二维高速扫描反射镜装置的系统螺旋式扫描图案示意图；图6为本发明二维高速扫描反射镜装置的激光扫描系统的工作实例示意图。
52.图中：1
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反射镜；2
‑
反射镜支架；3
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刚性支撑组件；4
‑
线圈；5
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永磁体；6
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导磁体；7
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位移测量传感器；8
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旋转电机；9
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壳体；10
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旋转轴承组件；11
‑
圆周测量装置；15
‑
旋转轴。
具体实施方式
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。
54.请参照图1至图6，本发明的实施例提供一种二维高速扫描反射镜装置，其包括反射镜1、反射镜支架2、音圈电机、旋转电机8、旋转轴承组件10和壳体9。
55.所述反射镜1通过所述反射镜支架2固定在所述壳体9的前端。
56.所述旋转电机8通过所述旋转轴承组件10固定在所述壳体9的后端。
57.所述音圈电机固定在所述反射镜支架2和所述旋转电机8之间。
58.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述壳体9包括支撑座和底座。
59.所述支撑座安装在所述底座的前端。
60.所述支撑座和所述底座连通。
61.所述音圈电机固定在所述支撑座内。
62.所述旋转电机8固定在所述底座内。
63.所述旋转电机8采用力矩更大、使用寿命更长的力矩电机。
64.力矩电机可以在电动机低速时持续运转，使用寿命长，并且可以给负载提供更大、更稳定的力矩。
65.力矩电机通过固定于所述底座上的圆周测量装置11来进行旋转角度的测量。
66.所述旋转电机8包括固定在所述底座内壁上的一组电机线圈，以及在电机线圈范围内的电机磁体组件，所述旋转电机8包括但不限于单相及三相力矩电机。
67.所述旋转电机8相对于所述壳体9水平旋转，并通过所述旋转轴承组件10和所述刚性支撑组件3，控制反射镜1沿水平方向旋转，使得反射镜1的旋转轴可以围绕z轴旋转，从而实现反射镜的二维偏摆。通过控制施加到所述旋转电机8上的电流大小和方向来控制电机的转速和方向，从而控制所述反射镜1的二维偏转来实现激光的二维扫描。并通过固定于壳体的所述底座上的所述圆周角度测量装置11对旋转电机的旋转角度进行精确的测量。
68.其技术效果在于：可进行旋转角度的测量。
69.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述旋转轴承组件10包括第一轴承环和第二轴承环。
70.所述第一轴承环的外圈固定在所述底座的前端的内壁上。
71.所述第二轴承环的外圈固定在所述底座的后端的内壁上。
72.所述旋转电机8的一端与所述第一轴承环的内圈固定，另一端与所述第二轴承环的内圈固定。
73.其技术效果在于：所述旋转电机8通过所述旋转轴承组件10支撑于所述底座上，使得所述反射镜2的旋转轴15可以围绕z轴旋转，从而实现反射镜的二维偏摆。
74.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述音圈电机包括线圈4和磁体组件。
75.所述线圈4固定在所述支撑座的内壁上。
76.所述磁体组件位于所述线圈4的内部。
77.所述磁体组件的下端通过刚性支撑组件3连接所述旋转电机8。
78.所述磁体组件的上端固定连接所述反射镜支架2。
79.其技术效果在于：所述刚性支撑组件3和所述旋转轴承组件10，使快速反射镜能够具有较大的转角范围，同时大大提高了抗冲击振动性能。
80.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述刚性支撑组件3包括安装座和紧固螺钉。
81.所述安装座固定在所述第一轴承环的内圈上。
82.其技术效果在于：所述刚性支撑组件3支撑在所述旋转轴承组件10上，使得反射镜1可以围绕旋转轴15倾斜。
83.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述磁体组件包括永磁体5和导磁体6。
84.所述导磁体6通过所述紧固螺钉固定在所述安装座内。
85.所述永磁体5包括第一永磁体和第二永磁体，分别布置在所述导磁体6的两级。
86.所述导磁体6采用电工软铁但不限于电工软铁材料。
87.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述安装座呈盖状，两侧设有开口，所述导磁体6从两侧的开口处穿过。
88.所述第一永磁体的设置使其磁极沿快反射镜1的径向方向排列，所述第二永磁体的设置使其磁极方向与所述第一永磁体的相同，用于控制和改变磁通密度的大小及方向。此外，所述磁铁组件置于所述线圈4范的围内。因此，通过给所述线圈4加入一定方向和大小的电流，可以使反射镜1在旋转轴15的方向上倾斜一定的角度。改变线圈4电流的方向或大小，可以实现反射镜1倾斜方向和角度的改变。
89.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的还包括位移测量传感器7。
90.所述位移测量传感器7包括位移感应目标环和电涡流线圈。
91.所述位移感应目标环固定在所述导磁体的下表面，用于产生感应信号。
92.所述位移感应目标环采用铝材。
93.所述电涡流线圈围绕装置中心轴相对地放置于所述导磁体下面，并且固定在所述支撑座上，用于获取感应目标的感应信号，并最终获得导磁体和永磁体组成的动子的位置信息。
94.所述位移感应目标环和所述电涡流线圈均以所述反射镜1的中心轴为中心放置。在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置的所述位移测量传感器7选择一对放置在导磁体下面的电涡流线圈，用于有效获取动子的位置信息；并且选择一个环感应目标，使得动子受到旋转电机8的作用，绕z轴转动的情况下，电涡流线圈可以不间断地感应到动子的位置信息；并且所述位移传感器7以所述反射镜1的中心轴为中心放置。
95.在本发明较佳的实施例中，上述二维高速扫描反射镜装置还包括圆周测量装置11，用于测量旋转电机8在z轴方向上的旋转角度。
96.所述圆周测量装置11包括圆周感应目标环和旋转角度检测环。
97.所述圆周感应目标环固定在所述旋转轴承组件10的下表面。
98.所述圆周感应目标环采用铝材。
99.所述旋转角度检测环固定在所述底座上，用于获取环形感应目标的感应信号，并
最终得到旋转电机的位置信息。
100.所述圆周感应目标环和所述旋转角度检测环均以所述反射镜1的中心轴为中心放置。其技术效果在于：所述圆周测量传感器11选择一个环感应目标，使得旋转电机8在转动过程中，能够使得感应目标下面的旋转角度检测装置可以不间断地获得旋转电机8旋转角度的信息。
101.如图4所示，图中左侧的第一永磁体的左侧为n极，右侧为s极，图中右侧的第二永磁体的左侧为n极，右侧为s极。当线圈4中的电流为顺时针时，根据右手定则，线圈4对第一永磁体产生一个z轴负方向的电磁力，驱动第一永磁体沿z轴负方向运动；线圈4对第二永磁体产生一个z轴正方向的电磁力，驱动第二永磁体沿z轴正方向运动，从而带动反射镜1在旋转轴15方向上发生倾斜。改变线圈4通入电流的方向，永磁体5受到的力也会改变。
102.如图5所示，该图案描述了当一束定向激光脉冲的光路通过本装置时，通过动磁音圈电机和旋转电机8分别控制反射镜1围绕旋转轴15倾斜和围绕z轴水平旋转而得到的扫描图案。音圈电机和旋转电机8对于反射镜1的控制使得激光脉冲很容易产生螺旋形的运动轨迹。图案中点13代表了某一时刻定向激光脉冲的反射光束的位置，图案中线段14代表了定向光束的运动轨迹。可以看出反射镜1在这种情况下完成了3.5转，并且在目标体积内引导了45个脉冲。通过控制音圈电机减小反射镜1在旋转轴15方向上的倾斜速率，而保持旋转电机8的转速不变的情况下，可以增加激光脉冲的密度，从而得到分辨率更高的图像。但是在激光脉冲密度提高的情况下，反射镜1在该时间段内的倾斜角变小，使得激光的扫描范围缩小了，因此反射镜1需要完成更多的旋转次数和更长的扫描时间来取得与之前体积相同的目标。
103.如图6所示，图中激光器用于产生激光束，该激光束具有固定波长和方向，所述激光束通过分光镜后入射到本装置的反射镜1上（如序号
①②
所示）；并且调节反射镜1的偏转方向，使定向的激光光束通过反射镜1反射到需要探测的扫描目标（如序号
③
所示）；之后一部分定向激光光束通过扫描目标表面再次入射到反射镜1上（如序号
④
所示），而利用扫描目标和二维高速扫描反射镜之间光束的反射时间，可以获得目标与快反镜系统之间的距离信息；将包含距离信息的扫描目标内某一点的反射激光光束通过反射镜1反射到分光镜（如序号
⑤
所示），最终入射到检测器（如序号
⑥
所示），可得到扫描目标内一点的距离信息。再通过改变反射镜1在两个轴方向上的倾斜角度，来改变反射镜1相对于入射激光束的角度，并重复上述操作，可得到如图4所示的螺旋式扫描图案，并且包含扫描目标体积内不同位置的距离信息，从而得到一定分辨率的扫描目标体积内的地形图。
104.本发明实施例旨在保护一种二维高速扫描反射镜装置，具备如下效果：1.本发明采用动磁式音圈电机和力矩旋转电机分别控制反射镜1围绕旋转轴15倾斜和围绕z轴水平旋转，使用同一个所述反射镜1就可实现二维大范围扫描，避免了传统二维扫描机构中高速往复运动带来的高加速度要求，从而体积重量功耗都比较低，能实现快速螺旋线点扫描。
105.2.节约了成本，减少了激光的损耗。
106.3.本发明的二维高速扫描反射镜装置，既有扫描的功能，也可指向。
107.4.本发明能够很容易地控制激光脉冲产生螺旋形的运动轨迹，并且使得激光脉冲的密度和扫描范围大小可调，从而更加容易地实现扫描图像大小和分辨率的调节。
108.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。