一种热像仪扫描器凸轮扭簧机构的设计方法研究

    引言

    扫描摆镜也有称为振动镜，因为从直观上看其工作方式是通过反射镜快速的振动实现扫描，但在某些慢速扫描的系统中，由于扫描频率比较低，称其为摆动似乎更准确一些。无论如何，其运动方式都必须符合光机扫描的要求，尤其是保证扫描的线性度和扫描效率。目前的高性能热像仪中，扫描摆镜的驱动方式主要靠力矩电机直接驱动摆镜，直驱方式可以达到很好的控制精度，扫描器结构也简单，但这种驱动方式对电机的驱动能力要求极高，同时摆镜的面积和转动惯量也必须严格控制。然而，在一些特殊的热成像系统中，扫描摆镜不可能很小，为了驱动较大尺寸的扫描摆镜，可以采用凸轮和扭簧机构。凸轮扭簧机构的特点是：驱动电路相对简单，零件加工技术成熟，凸轮的助力作用允许采用小力矩的电机，但由于机构运动相对复杂，扫描精度相对较低，另外，凸轮在高速转动时磨损较大，要考虑润滑方式。

    1 扫描摆镜的运动方式

    根据扫描器对物空间的解析方式，要求摆镜按照特定的时间—位移曲线运动，横坐标为时间 t；纵坐标为摆镜的角位移θ。在第一代热成像技术中，由于探测器像元数量的限制，需要进行两维扫描运动，扫描摆镜主要用于实现帧扫瞄，最理想的运动曲线是阶梯形的，如图 1-a 所示，行扫描带在每个阶梯的平台时间内进行。这种跳步式的运动可以避免行扫描线的微小倾斜，但由于视频成像的帧速率很高，摆镜在高速摆动中很难实现阶梯型的运动曲线，所以一般采用锯齿波形曲线,如图 1-b 所示。随着技术的发展，目前的探测器已经具有足够多的像元，只需一维光机扫描即可成像，摆镜式扫描器被用于行扫描，在这种使用条件下，最理想的扫描曲线就是锯齿形。

    实际上，扫描摆镜的运动不可能完全吻合理想锯齿形曲线，因为在图中锯齿尖端处曲线不连续，摆镜的角加速度达到了无穷大。即使驱动元件的能力很强，实际的运动曲线可能类似于图 1-b 中的虚线，尖端处变成了连续的曲线。由于探测器的信号采样是等间隔的，为了保证扫描的线性度，只能在每个摆动周期中曲线斜率为常数的区段进行信号的采样，即图1(b)中 t1～t2的区间内，而这一斜率常数即为摆镜的扫描角速度。在使用凸轮扭簧驱动的扫描机构中，扫描精度决定于凸轮上升段的轮廓精度和电机的转速是否稳定。除去有效扫描的区段，图中 t0～t1的区间称为回扫间隔，按照扫描效率的定义：

    所以，为了使扫描效率尽量提高，在每个扫描周期中，摆镜的回扫间隔必须尽量缩短。，而回扫间隔的长短决定于回复扭簧的扭距系数和凸轮的下降曲线。