级联棱镜副光束粗精两级扫描装置技术领域
本发明涉及光电扫描系统，具体涉及一种可以满足大范围与高精度扫描要求的级
联棱镜副光束粗精两级扫描装置。
背景技术
旋转双棱镜系统结构紧凑，指向精度高，光损耗小，整体造价小，无时间色散效应，
在动态光学跟踪中具有广泛的用途，可以精确实现光路的对准、被测对象的跟踪、光束指向
误差的补偿修正等。但是在传统双棱镜光电跟踪系统中，光束的跟踪范围和跟踪精度是一
对相互制约的指标。在较高精度要求的应用下，不能同时具备大范围和高精度特点。
（1）以下在先技术中给出了旋转棱镜扫描装置的应用及结构组成。
在先技术（Xiaodong Tao, etc., “Active optical system for variable view
imaging of micro objects with emphasis on kinematic analysis”, Applied
Optics, 2008, 47(22):4121-4132，等系列文章）使用旋转双棱镜实现微物体的变视场成
像扫描；在先技术（Mario Tirabassi, etc., “Scanning LDV using wedge prisms”,
Optics and Lasers in Engineering, 2009, 47:454-460）将旋转双棱镜用于激光多普勒
测量领域；其他还有将旋转双棱镜应用于螺旋微结构制造（C.T. Pan, “Dynamic
Characterization of silicon-based microstructure of high aspect ratio by
dual-prism UV laser system”, Sensors and Actuators A, 2005, 122, 45-54）、剪切
干涉仪光束定向调整（G. Paez, etc., “Vectorial shearing interferometer,”
Applied Optics, 2000, 39, 5172-5178）、卫星光通信终端运动轨迹模拟和地面检测
（L.R. Liu, etc., Physical basis and corresponding instruments for PAT
performance testing of inter-satellite laser communication terminals.
Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2006,
6304, 6304OC1-63040C11, Free-Space Laser Communications VI.）等场合。
在先技术（祖继锋等专利，申请号：03129234.8，授权日2003年6月13日）提出采用
电机组配合齿轮传动实现旋转双棱镜的不同运动组合，实现模拟卫星相对运动的要求。但
是给出的电机组合驱动方案及控制系统较复杂，存在电机驱动精度相互影响及空间布置困
难等问题。
（2）以下在先技术给出了双棱镜粗精耦合扫描装置的结构组成。
在先技术（李安虎等专利，申请号：201210439061.9，授权日2013年3月6日）采用旋
转运动机构和偏摆运动机构嵌套组合，在单套装置中巧妙的实现了粗精扫描功能的集成。
在先技术（Anhu Li, etc., “Laser Coarse-fine Coupling Scanning Method
by Steering Double Prisms”, Applied Optics, 2012, 51(3):356-364）提出采用两个
力矩电机分别耦合到双棱镜镜筒上，直接驱动双棱镜旋转，实现折射光束的粗扫描；在粗扫
描的基础上，设计了嵌套了牵连式偏摆机构，实现了双棱镜正交偏摆运动，可以实现精扫
描。实际上，在设计棱镜旋转和偏摆嵌套的机构时，应该尽可能的减少两级运动的误差传
递，而该系统在旋转运动的基础上，采用三个模块的牵连式偏摆方法，将会产生更多的机械
误差累积，从而影响到棱镜扫描的精度。
在先技术（Gilles Roy, etc., “Enhanced scanning agility using a double
pair of Risley prisms”, Applied Optics, 2015, 54 (34):10213-10226）采用两组不
同楔角的棱镜副同轴旋转的方案，实现大范围扫描。采用一对楔角较小的棱镜副前置和一
对楔角较大的棱镜副后置，后置棱镜副主要用于扩大前置棱镜副范围。该技术仅给出了两
组棱镜副扫描的仿真图样，没有给出具体的实现方案，也没有说明具体的机械结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现大范围高精度扫描的级联棱镜副光束粗精两
级扫描装置。本发明分别采用四个棱镜级联布置且共同绕光轴中心线旋转的方式。四个棱
镜分为前后两组，其中一组棱镜的旋转运动可以实现光束的大范围粗扫描，另外一组棱镜
的旋转运动可以实现光束的精扫描。两组级联旋转棱镜副的旋转运动实现了光束的粗精两
级精度结合的扫描功能，在保持旋转双棱镜的结构紧凑、稳定可靠的同时，满足了光电跟踪
大范围和高精度的应用要求。
本发明提出的级联棱镜副光束粗精两级扫描装置，由前后两组棱镜系统组成，第
一组棱镜系统由楔角相同的棱镜一和棱镜二组成；第二组棱镜系统由楔角相同的棱镜三和
棱镜四组成，第一组棱镜系统和第二组棱镜系统的楔角不同；使用时，采用其中楔角较大的
一组棱镜系统前置，楔角较小的一组棱镜系统后置；或采用其中楔角较小的一组棱镜系统
前置，楔角较大的一组棱镜系统后置；楔角较大的一组棱镜系统的旋转运动可以实现光束
的大范围粗扫描，楔角较小的一组棱镜系统的旋转运动可以实现光束的精扫描；
所述的前后两组棱镜系统中，第一棱镜系统中的两个棱镜和第二棱镜系统中的两个棱
镜的楔角不同，第一棱镜系统中的两个棱镜和第二棱镜系统中的两个棱镜的折射率相同；
或者第一棱镜系统中的两个棱镜和第二棱镜系统中的两个棱镜的楔角相同，第一棱镜系统
中的两个棱镜和第二棱镜系统中的两个棱镜的折射率不同；或者第一棱镜系统中的两个棱
镜和第二棱镜系统中的两个棱镜的楔角不同，第一棱镜系统中的两个棱镜和第二棱镜系统
中的两个棱镜的折射率不同；
所述的棱镜一和棱镜二的结构相同，包括第一棱镜15，第一镜框16，第一机座1，第一机
座镶块2，第一深沟球轴承3，第一尼龙块4，第一楔形挡圈5，第一螺纹挡圈6，第一轴承挡圈
A8，第一轴承挡圈B14，第一轴承挡圈C7，第一旋转电机总成和第一编码器总成；所述第一旋
转电机总成由第一旋转电机定子9、第一旋转电机电刷10和第一旋转电机转子11组成，所述
第一编码器总成由第一编码器探头12和第一编码器转子13组成；
所述第一棱镜15放于第一镜框16内，光轴方向通过第一楔形挡圈5固定，第一楔形挡圈
5被第一螺纹挡圈6通过螺纹连接限位。第一棱镜15两侧分别通过六个均布的第一尼龙块4
与第一楔形挡圈5和第一镜框16接触，防止损坏；第一机座镶块2通过螺纹连接安装于第一
机座1上，两个第一深沟球轴承3的外圈分别安装在第一机座镶块2和第一机座1上，内圈都
套于第一镜框16上，第一深沟球轴承3与第一机座镶块2连接处的外侧分别用第一轴承挡圈
A8和第一轴承挡圈C7限位，第一深沟球轴承3与第一机座1上连接处的外侧用第一轴承挡圈
B14限位；第一编码器探头12固定于第一轴承挡圈A8上，第一编码器转子13套于第一轴承挡
圈B14上；第一旋转电机定子9与第一机座1通过螺纹固定，第一旋转电机转子11与第一镜框
16也通过螺纹固定，通过第一旋转电机转子11的旋转运动传到了第一镜框16上，使其绕Z轴
旋转，从而带动第一棱镜15绕Z轴旋转；第一编码器转子13与第一镜框16连接，通过第一编
码器探头12与第一编码器转子13之间的相互作用可以实时测得第一棱镜15的转角；
所述的棱镜三和棱镜四的结构相同，包括第二棱镜31，第二镜框32，第二机座17，第二
机座镶块18，第二深沟球轴承19，第二尼龙块20，第二楔形挡圈21，第二螺纹挡圈22，第二轴
承挡圈A24，第二轴承挡圈B30，第二轴承挡圈C23，第二旋转电机总成和第二编码器总成；所
述第二棱镜31放于第二镜框32内，光轴方向通过第二楔形挡圈21固定，第二楔形挡圈21被
第二螺纹挡圈22通过螺纹连接限位；第二棱镜31两侧分别通过六个均布的第二尼龙块20与
第二楔形挡圈21和第二镜框32接触，防止损坏；第二机座镶块18通过螺纹连接安装于第二
机座17上，两个第二深沟球轴承19的外圈分别安装在第二机座镶块18和第二机座17上，内
圈都套于第二镜框32上，第二深沟球轴承19与第二机座镶块18连接处的外侧分别用第二轴
承挡圈A24和第二轴承挡圈C23限位，第二深沟球轴承19与第二机座17连接处的外侧分别用
第二轴承挡圈B30限位；第二编码器探头28固定于第二轴承挡圈A24上，第二编码器转子29
套于第二轴承挡圈B30上；第二旋转电机定子25与第二机座17通过螺纹固定，第二旋转电机
转子27与第二镜框32也通过螺纹固定，通过第二旋转电机转子27的旋转运动传到了第二镜
框32上，使其绕Z轴旋转，带动第二棱镜31绕Z轴旋转。
本发明中，所述的旋转电机驱动方式也可以采用蜗轮蜗杆、齿轮或同步带等中的
任一种。
本发明所述级联旋转棱镜副光束粗精扫描装置的基本原理如下：
如附图1所示，沿光轴方向四个棱镜分别为棱镜一和棱镜二，组成前置棱镜副或后置棱
镜副；棱镜三和棱镜四组成后置棱镜副或前置棱镜副。如附图2所示，前置棱镜副或后置棱
镜副都可以有四种不同的布置形式：两个棱镜的斜面都朝外平面侧都朝里；两个棱镜的平
面侧都朝外斜面侧都朝里；一个棱镜平面侧朝外斜面侧朝里，另一个棱镜的平面侧朝里，斜
面侧朝外；一个棱镜斜面侧朝外平面侧朝里，另一个棱镜的平面侧朝外，斜面侧朝里。棱镜
一和棱镜二的楔角为α1；棱镜三和棱镜四的楔角为α2。四棱镜均可绕光轴独立旋转，规定
棱镜旋转方向逆时针为正，顺时针为负，旋转角度分别为θ1、θ2、θ3和θ4。
其中α1大于或小于α2，因为小楔角旋转棱镜组扫描精度优于大楔角旋转双棱镜
扫描精度，而相同结构尺寸下的扫描范围小于后者，所以可以用楔角不同的旋转棱镜副扫
描装置实现大范围高精度扫描要求。
扫描应用时，可以先用大楔角棱镜组进行粗扫描，再用小楔角棱镜组进行局部精
扫描；可以先用小楔角棱镜组进行精扫描，再用大楔角棱镜组扩大精扫描的范围；也可以粗
精同时扫描。扫描时，分别设置四个棱镜的角速度，不同的角速度可以使扫描装置以不同的
图案轨迹进行扫描。
本发明的技术优点：
1. 本发明中，前置和后置棱镜组的楔角不同，其中大楔角旋转棱镜组的旋转可以实现
动态光束的粗扫描要求，小楔角旋转棱镜组的旋转可以实现动态光束的精扫描要求，因此
两对棱镜副组合可以实现粗精两级结合扫描，可以运用于大范围高精度光学跟踪场合。
2. 本发明中，四个棱镜的转动相互独立，任意两者之间不存在耦合运动，因而任
意一个棱镜的转动不会对其他棱镜产生影响。
3. 本发明中，所述的四个棱镜分别通过力矩电机驱动实现全圆周大范围旋转，为
独立运动形式，既可以同步旋转，也可以以不同转速旋转。
4. 本发明中，每个棱镜的旋转运动都安装了编码器，可以实时测量棱镜的实际转
角，采用闭环控制，对旋转角度的误差进行实时修正，进一步提高了系统的精度。
5. 本发明中，棱镜、楔形挡圈、镜框、螺纹挡圈、电机、编码器、轴承和机座等机械
结构安装紧凑，稳定可靠。
附图说明
图1为本发明所述级联型旋转棱镜副的四个棱镜绕光轴中心线Z轴旋转运动的示
意图。
图2为本发明棱镜副的四种不同布置形式。其中：（a）为平面侧相对；（b）为斜面侧
相对；（c）为第一个棱镜斜面侧朝里，另一个棱镜的平面侧朝里；（d）为第一个棱镜平面侧朝
里，另一个棱镜的斜面侧朝里。
图3为本发明级联棱镜副光束粗精扫描装置的总体结构图。
图4为本发明前置棱镜组的一个棱镜系统的结构图。其中：（a）为主视图，（b）为A-A
剖视图。
图5为本发明后置棱镜组的一个棱镜系统的结构图。其中：（a）为主视图，（b）为B-B
剖视图。
图6为本发明第一棱镜的结构图。其中：（a）为主视图，（b）为左视图。
图7为本发明第二棱镜的结构图。其中：（a）为主视图，（b）为左视图。
图8为本发明的第一机座结构图。其中：（a）为主视图，（b）为全剖视图。
图9为本发明的第一机座镶块结构图。其中：（a）为主视图，（b）为全剖视图。
图10为本发明的第一镜框结构图。其中：（a）为主视图，（b）为全剖视图。
图11为本发明的第一楔形挡圈。其中：（a）为主视图，（b）为全剖视图。
图12为本发明的第一螺纹挡圈。其中：（a）为主视图，（b）为俯视图。
图13为已知圆形轨迹粗扫描与局部特征轨迹精扫描的示意图。
图中标号：1第一机座，2第一机座镶块，3第一深沟球轴承，4第一尼龙块，5第一楔
形挡圈，6第一螺纹挡圈，7第一轴承挡圈C，8第一轴承挡圈A，9第一旋转电机定子，10第一旋
转电机电刷，11第一旋转电机转子，12第一编码器探头，13第一编码器转子，14第一轴承挡
圈B，15第一棱镜，16第一镜框，17第二机座，18第二机座镶块，19第二深沟球轴承，20第二尼
龙块，21第二楔形挡圈，22第二螺纹挡圈，23第二轴承挡圈C，24第二轴承挡圈A，25第二旋转
电机定子，26第二旋转电机电刷，27第二旋转电机转子，28第二编码器探头，29第二编码器
转子，30第二轴承挡圈B，31第二棱镜，32第二镜框。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但是本发明专利保护范围不限于此。
参见附图3，所述的四个棱镜系统通过螺钉连接安装在底座上，形成一个级联棱镜
副光束粗精扫描装置。四个棱镜系统的安装方法不限于此，也可以安装在滑台上，方便调节
各棱镜之间的距离。
参见附图4，为前置棱镜组的一个棱镜系统（棱镜一或者棱镜二系统），所述第一棱
镜15放在第二镜框16内，光轴方向通过第一楔形挡圈5固定，第一楔形挡圈5被第一螺纹挡
圈6通过螺纹连接限位。第一棱镜15两侧分别通过六个均布的第一尼龙块4与第一楔形挡圈
5和第一镜框16接触，防止损坏。第一旋转电机定子9与第一机座1通过螺纹固定，第一旋转
电机转子9与第一镜框16也通过螺纹固定，这样第一旋转电机转子11的旋转运动传到了第
一镜框16上，使其绕Z轴旋转，带动第一棱镜15绕Z轴旋转。第一机座镶块2通过螺纹连接安
装在第一机座1上，两个第一深沟球轴承3的外圈分别安装在第一机座镶块2和第一机座1
上，内圈都套在第一镜框16上，外侧分别用第一轴承挡圈A8、第一轴承挡圈B14和第一轴承
挡圈C7限位。第一编码器探头12固定在第一轴承挡圈A8上，第一编码器转子13套在第一轴
承挡圈B14上。
参见附图5，此处结构与附图3一致，但棱镜楔角不同，为后置棱镜组的一个棱镜系
统（棱镜三或者棱镜四系统），第二棱镜31放在第二镜框32内，光轴方向通过第二楔形挡圈
21固定，第二楔形挡圈21被第二螺纹挡圈22通过螺纹连接限位。第二棱镜31两侧分别通过
六个均布的第二尼龙块20与第二楔形挡圈21和第二镜框32接触，防止损坏。第二旋转电机
定子25与第二机座17通过螺纹固定，第二旋转电机转子27与第二镜框32也通过螺纹固定，
这样第二旋转电机转子27的旋转运动传到了第二镜框32上，使其绕Z轴旋转，带动第二棱镜
31绕Z轴旋转。第二机座镶块18通过螺纹连接安装在第二机座17上，两个第二深沟球轴承19
的外圈分别安装在第二机座镶块18和第二机座17上，内圈都套在第二镜框32上，外侧分别
用第二轴承挡圈A24、第二轴承挡圈B30和第二轴承挡圈C23限位。第二编码器探头28固定在
第二轴承挡圈A24上，第二编码器转子29套在第二轴承挡圈B30上。
参见附图6、附图7、附图8、附图9、附图10、附图11、附图12分别为第一棱镜15、第二
棱镜31、第一机座1、第一机座镶块2、第一镜框16、第一楔形挡圈5，第一螺纹挡圈6的结构
图。
参见附图13，已知某圆形轨迹（在第一对棱镜的扫描范围内），如图中全局图C所
示，通过逆向解获得为实现该全局扫描轨迹所需要的第一对旋转双棱镜转角曲线，控制第
一对双棱镜按该旋转角度曲线可以扫描得到该圆形轨迹C，此为大范围粗扫描；在该全局图
中取局部图D（在第二对棱镜扫描范围内），同样通过逆向求解获得为实现该局部扫描轨迹
所需要的第二对棱镜副的旋转角度曲线，控制第二对棱镜副按该转角曲线可以得到该局域
扫描轨迹D，为小范围精扫描。通过粗扫描系统与精扫描系统的运动切换，可实现全局轨迹
的粗扫描与局部特征轨迹的精扫描。
以上所述仅为本发明在扫描中应用的一个实例，对于本技术领域的技术人员来
说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同
替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。