CN101256259A - 一种光学系统镜头切换机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学系统镜头切换机构，主要由切入组件和驱动组件构成。工作时，中心轴转动时，固定在其上的驱动轴进入切入组件的导槽，驱动切入组件绕轴心逆时针旋转一个角度；可通过传感器、编码器、步进动力源等手段达到限位和往复运动控制；本发明解决了现有切换机构体积庞大、结构复杂、切换精度差的技术问题，具有可快速实现多次多种切换、重复精度高、转动角度范围大等优点。

Description

一种光学系统镜头切换机构

技术领域

本发明涉及一种镜头切换机构。

背景技术

在很多光学系统中，镜头或系统经常要进行多次多种校正和切换。但是如果在有限空间内的进行切换，现有的机构就显得复杂和体积庞大，且设计余量小，如果减小体积，就容易影响切换精度。

发明内容

本发明目的是提供一种光学系统镜头切换机构，其解决了背景技术切换机构体积庞大、结构复杂、切换精度差的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种光学系统镜头切换机构，包括动力源、驱动组件、第一切入组件20和控制组件，其特殊之处是，所述驱动组件包括中心轴11、驱动盘12、滑动盘13和第一驱动轴14，所述中心轴11可被动力源驱动回转；所述滑动盘13上设置有缺口15；所述驱动盘12和滑动盘13被中心轴11同轴固定为台阶状且驱动盘12的直径比滑动盘13的直径大；所述第一驱动轴14设置在驱动盘12上，且位于滑动盘13的缺口15处；所述第一切入组件20包括驱动片22、切入轴23和镜头座21；所述驱动片22可绕切入轴23回转；所述镜头座21与驱动片22固连；所述驱动片22上设置有导槽26、左凹槽24和右凹槽25；所述导槽26为长直槽，其对称线穿过切入轴23的轴心，其槽宽与第一驱动轴14的直径相当，其导程S大于第一驱动轴14在导槽26内的最大移动距离；所述左凹槽24和右凹槽25分别设置在导槽26的两侧；所述左凹槽24的圆心和切入轴23轴心的连线与右凹槽25的圆心和切入轴23轴心的连线之间的夹角β与镜头座需要转动的角度α相等；所述左凹槽24的半径R₂、右凹槽25的半径R₃、滑动盘13的半径R₁均相等；所述驱动片22和滑动盘13位于驱动盘12的同一侧面上；

所述L₁和L₂按下式确定：

$L_1=\sqrt{{L_2}^2-d^2(1-{\cos }^2\frac{\mathrm{\α}}{2})}+d\cos \frac{\mathrm{\α}}{2},$

$L_2=\sqrt{{L_1}^2+d^2-2d{L}_1\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}};$

且L₁和L₂应满足以条件：L₁+L₂＞d，L₁＜d，L₂＜d，S≥L₁+L₂-d；

其中：L₁为起始位置时的第一驱动轴14轴心与切入轴23轴心之间的距离，

L₂为中心轴11轴心与第一驱动轴14轴心之间的距离，

α为镜头座21需要转动的角度，

d为中心轴11轴心与切入轴23轴心之间的距离。

上述光学系统镜头切换机构还可包括第二切入组件29，所述第二切入组件29和第一切入组件20以镜像对称方式设置在驱动组件的两侧，所述第二切入组件29和第一切入组件20位于驱动盘12的同一侧面；所述驱动组件还包括与第二切入组件29相应的第二驱动轴16。

上述光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件29，所述第二切入组件29和第一切入组件20以镜像对称方式设置在驱动组件的两侧，所述第二切入组件29和第一切入组件20位于驱动盘12的两个侧面；所述驱动组件还包括与第二切入组件29相应的第二驱动轴16。

上述光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件29，所述第二切入组件29和第一切入组件20并排设置在驱动盘12的两个侧面；所述驱动组件还包括与第二切入组件29相应的第二驱动轴16和第二滑动盘27。

上述光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件29，所述第二切入组件29和第一切入组件20以中心对称方式设置在驱动组件的两侧，所述第二切入组件29和第一切入组件20位于驱动盘12的同一侧面或不同侧面；所述驱动组件还包括与第二切入组件29相应的第二驱动轴16和/或第二滑动盘27。

上述第一切入组件20和/或第二切入组件29还可包括第二镜头座28，所述第二镜头座28与镜头座21对称设置。

上述第一驱动轴14和第二驱动轴16可为固定轴，可在导槽26内往返滑动。

上述第一驱动轴14和第二驱动轴16可为转动轴，可在导槽26内往返滚动。

上述控制组件包括可敏感驱动盘12转动角度的传感器31和控制电路。

上述控制组件或者包括可敏感驱动盘12转动角度的编码器和控制电路。

本发明具有如下优点：

1、本发明能够快速实现有限空间内光学系统的多次多种校正、镜头(系统)切换及其他切换。

2、本发明由于结构设计上满足R1＝R2＝R3，使镜头座的转角固定，同时在起始、过程和最终位置非常的稳定，所以重复精度高，同时对于相应的控制要求大大降低。

3、本发明转动的角度α范围可达到0°～180°。

4、可通过传感器、编码器、步进动力源等手段达到限位和往复运动控制。

附图说明

图1和图2是本发明光学系统镜头切换机构的起始状态的位置关系示意图；

图3是本发明光学系统镜头切换机构的最终状态的位置关系示意图；

图4是本发明光学系统镜头切换机构的转动角度示意图；

图5至图11为各实施例示意图；

其中：11-中心轴，12-驱动盘，13-滑动盘，14-第一驱动轴，15-缺口，16-第二驱动轴，20-第一切入组件，21-镜头座，22-驱动片，23-切入轴，24-左凹槽，25-右凹槽，26-导槽，27-第二滑动盘，28-第二镜头座，29-第二切入组件，31-传感器，O₁-中心轴的轴心，O₂-切入轴的轴心，O’-驱动轴的轴心，L₁-起始位置时O’与O₂之间的距离，L₂-O’与O₁之间的距离，S-导槽的导程，d-O₁与O₂之间的距离，α-镜头座需要转动的角度，β-左凹槽的圆心和O₂的连线与右凹槽的圆心和O₂的连线之间的夹角，R₁-滑动盘的半径，R₂-左凹槽的半径，R₃-右凹槽的半径。

具体实施方式

一种光学系统镜头切换机构，包括动力源、驱动组件、第一切入组件和控制组件，驱动组件包括中心轴、驱动盘、滑动盘和第一驱动轴，中心轴可被动力源驱动回转；滑动盘上设置有缺口；驱动盘和滑动盘被中心轴同轴固定为台阶状且驱动盘的直径比滑动盘的直径大；第一驱动轴设置在驱动盘上，且位于滑动盘的缺口处；第一切入组件包括驱动片、切入轴和镜头座；驱动片可绕切入轴回转；镜头座与驱动片固连；驱动片上设置有导槽、左凹槽和右凹槽；导槽为长直槽，其对称线穿过切入轴的轴心，其槽宽与第一驱动轴的直径相当，其导程S大于第一驱动轴在导槽内的最大移动距离；左凹槽和右凹槽分别设置在导槽的两侧；左凹槽的圆心和切入轴轴心的连线与右凹槽的圆心和切入轴轴心的连线之间的夹角β与镜头座需要转动的角度α相等；左凹槽的半径R₂、右凹槽的半径R₃、滑动盘的半径R₁均相等；驱动片和滑动盘位于驱动盘的同一侧面上；第一驱动轴和第二驱动轴可为固定轴，其可在导槽内往返滑动。第一驱动轴和第二驱动轴还可为转动轴，其可在导槽内往返滚动。控制组件包括可敏感驱动盘转动角度的传感器和控制电路。控制组件还可包括可敏感驱动盘转动角度的编码器和控制电路。

根据机构空间位置和需要转动的角度α(一般0°＜α＜180°)，可先初步确定中心距(O₁O₂＝d)。切入组件上的起始驱动点为O′(O₂O′＝L₁)，O₁O′为驱动轴绕轴心O₁的回转半径(O₁O′＝L₂)，导槽的导程为S，如设计参数示意图1所示，那么L₁和L₂可按下式确定：

$L_1=\sqrt{{L_2}^2-a^2(1-{\cos }^2\frac{\mathrm{\α}}{2})}+a\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}$

$L_2=\sqrt{{L_1}^2+a^2-2a{L}_1\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}}$

同时满足：L₁+L₂＞d，L₁＜d，L₂＜d，S≥L₁+L₂-d。

驱动组件上的缺口圆弧，用于避让切入组件上的干涉部位，可根据O₂和切入组件导槽入口处的高位确定其半径，以不发生干涉为原则。切入组件的相关尺寸的确定如设计参数示意图2所示，圆弧R2、R3的圆心分布在半径等于d的圆周上，并且相对于O₂的夹角与需要切入组件转动的角度α相等；同时满足R1＝R2＝R3。

本发明基本工作原理：本机构主要由切入组件和驱动组件构成。工作时，中心轴绕轴心O₁顺时针转动时，固定在其上的驱动轴进入切入组件的导槽，驱动切入组件绕轴心O₂逆时针旋转一个角度α；中心轴绕轴心O₁逆时针转动时，会让切入组件复位；可通过传感器、编码器、步进动力源等手段达到限位和往复运动控制；由于结构设计上(满足R1＝R2＝R3)使切入组件的转角固定，同时在起始、过程和最终位置非常的稳定(重复精度高)，所以对于相应的控制要求大大降低。

由基本结构可以衍生出很多种结构形式：

如果光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件，且第二切入组件和第一切入组件以镜像对称方式设置在驱动组件的两侧，第二切入组件和第一切入组件位于驱动盘的同一侧面，则如图5所示：当中心轴顺时针转动时，驱动盘会驱动第一切入组件切入；第一切入组件到位后，中心轴逆时针转动，驱动盘会驱动第一切入组件退出；中心轴继续逆时针转动，驱动盘会驱动第二切入组件切入；第二切入组件到位后，中心轴驱动盘顺时针转动，驱动盘会驱动第二切入组件退出。

如果光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件，且第二切入组件和第一切入组件以镜像对称方式设置在驱动组件的两侧，第二切入组件和第一切入组件位于驱动盘的两个侧面，则如图6所示：第一切入组件、第二切入组件分别由固定在驱动盘上的第一驱动轴、第二驱动轴驱动。当驱动盘顺时针转动时，会驱动第一切入组件切入；第一切入组件到位后，驱动盘逆时针转动，会驱动第一切入组件退出，同时驱动盘会驱动第二切入组件切入；第二切入组件到位后，驱动盘顺时针转动，会驱动第二切入组件退出，同时再次驱动第一切入组件切入。通过对第一驱动轴、第二驱动轴的位置分布设计，可以达到控制第一切入组件、第二切入组件切入(退出)的时机。

如果光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件，其第二切入组件和第一切入组件并排设置在驱动盘的两个侧面；则如图7所示：第一切入组件、第二切入组件分别由固定在驱动盘上的第一驱动轴、第二驱动轴驱动。当驱动盘顺时针转动时，会驱动第一切入组件切入，再驱动第二切入组件切入；驱动盘逆时针转动，会驱动第二切入组件退出，再驱动第一切入组件退出。通过对第一驱动轴、第二驱动轴的位置分布设计，可以达到控制第一切入组件、第二切入组件切入(退出)的时机。

如果光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件，且第二切入组件和第一切入组件以中心对称方式设置在驱动组件的两侧，第二切入组件和第一切入组件位于驱动盘的同一侧面或不同侧面，则如图11所示：当驱动盘顺时针转动时，第一驱动轴会驱动第一切入组件切入左侧通道，第二驱动轴会驱动第二切入组件切入右侧通道；驱动盘逆时针转动，又会驱动第一切入组件、第二切入组件分别退出左右两侧通道。通过对第一驱动轴、第二驱动轴的分布设计，可以达到控制第一切入组件、第一切入组件分别切入左右两侧通道(退出)的时机。

第一切入组件和/或第二切入组件还可包括第二镜头座，第二镜头座28与镜头座21可对称设置，则如图8、9、10所示：在图8中，当驱动盘顺时针转动时，会驱动第一切入组件的一端切入右侧通道；驱动盘逆时针转动，会驱动第一切入组件的一端退出右侧通道，再驱动第一切入组件的另一端切入左侧通道。通过对第一切入组件的外形设计，可以达到控制切入组件切入左右两侧通道(退出)的时机。在图9中，当驱动盘顺时针转动时，第一驱动轴会驱动第一切入组件的一端切入左侧通道；第二驱动轴会驱动第二切入组件的一端切入右侧通道；驱动盘逆时针转动，又会驱动第一切入组件、第二切入组件的一端分别退出左右两侧通道，再驱动第一切入组件、第二切入组件的另一端分别切入右侧通道和左侧通道。通过对切入组件的外形设计，可以达到控制第一切入组件和第二切入组件切入左右两侧通道(退出)的时机。在图10中，第一驱动轴用于驱动一侧的第一切入组件和第二驱动组件；第二驱动轴用于驱动另一侧的第一切入组件和第二切入组件。当驱动盘顺时针转动时，第一驱动轴会驱动该侧的第一切入组件切入，继续转动，第二驱动轴会驱动另一侧的第一切入组件切入；驱动盘逆时针转动，又会驱动第一切入组件和另一侧的第一切入组件先后退出，第二驱动轴驱动两侧的第二切入组件先后切入；再顺时针转动，又会驱动两侧的第二切入组件先后退出。通过对所有的第一切入组件和第二切入组件以及和第一驱动轴和第二驱动轴的分布设计，可以达到控制第一切入组件和第二切入组件切入(退出)的时机。

Claims (10)

1、一种光学系统镜头切换机构，包括动力源、驱动组件、第一切入组件(20)和控制组件，其特征在于：

所述驱动组件包括中心轴(11)、驱动盘(12)、滑动盘(13)和第一驱动轴(14)，所述中心轴(11)可被动力源驱动回转；所述滑动盘(13)上设置有缺口(15)；所述驱动盘(12)和滑动盘(13)被中心轴(11)同轴固定为台阶状且驱动盘(12)的直径比滑动盘(13)的直径大；所述第一驱动轴(14)设置在驱动盘(12)上，且位于滑动盘(13)的缺口(15)处；

所述第一切入组件(20)包括驱动片(22)、切入轴(23)和镜头座(21)；所述驱动片(22)可绕切入轴(23)回转；所述镜头座(21)与驱动片(22)固连；所述驱动片(22)上设置有导槽(26)、左凹槽(24)和右凹槽(25)；所述导槽(26)为长直槽，其对称线穿过切入轴(23)的轴心，其槽宽与第一驱动轴(14)的直径相当，其导程(S)大于第一驱动轴(14)在导槽(26)内的最大移动距离；所述左凹槽(24)和右凹槽(25)分别设置在导槽(26)的两侧；所述左凹槽(24)的圆心和切入轴(23)轴心的连线与右凹槽(25)的圆心和切入轴(23)轴心的连线之间的夹角(β)与镜头座需要转动的角度(α)相等；

所述左凹槽(24)的半径(R₂)、右凹槽(25)的半径(R₃)、滑动盘(13)的半径(R₁)均相等；所述驱动片(22)和滑动盘(13)位于驱动盘(12)的同一侧面上；

所述L₁和L₂按下式确定：

$L_1=\sqrt{{L_2}^2-d^2(1-{\cos }^2\frac{\mathrm{\α}}{2})}+d\cos \frac{\mathrm{\α}}{2},$

$L_2=\sqrt{{L_1}^2+d^2-2d{L}_1\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}};$

且L₁和L₂应满足以下条件：L₁+L₂＞d，L₁＜d，L₂＜d，S≥L₁+L₂-d；

其中：

L₁为起始位置时的第一驱动轴(14)轴心与切入轴(23)轴心之间的距离，

L₂为中心轴(11)轴心与第一驱动轴(14)轴心之间的距离，

α为镜头座(21)需要转动的角度，

d为中心轴(11)轴心与切入轴(23)轴心之间的距离。

2、根据权利要求1所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件(29)，所述第二切入组件(29)和第一切入组件(20)以镜像对称方式设置在驱动组件的两侧，所述第二切入组件(29)和第一切入组件(20)位于驱动盘(12)的同一侧面；所述驱动组件还包括与第二切入组件(29)相应的第二驱动轴(16)。

3、根据权利要求1所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件(29)，所述第二切入组件(29)和第一切入组件(20)以镜像对称方式设置在驱动组件的两侧，所述第二切入组件(29)和第一切入组件(20)位于驱动盘(12)的两个侧面；所述驱动组件还包括与第二切入组件(29)相应的第二驱动轴(16)。

4、根据权利要求1所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件(29)，所述第二切入组件(29)和第一切入组件(20)并排设置在驱动盘(12)的两个侧面；所述驱动组件还包括与第二切入组件(29)相应的第二驱动轴(16)和第二滑动盘(27)。

5、根据权利要求1所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述光学系统镜头切换机构还包括第二切入组件(29)，所述第二切入组件(29)和第一切入组件(20)以中心对称方式设置在驱动组件的两侧，所述第二切入组件(29)和第一切入组件(20)位于驱动盘(12)的同一侧面或不同侧面；所述驱动组件还包括与第二切入组件(29)相应的第二驱动轴(16)和/或第二滑动盘(27)。

6、根据权利要求1所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述第一切入组件(20)和/或第二切入组件(29)还包括第二镜头座(28)，所述第二镜头座(28)与镜头座(21)对称设置。

7、根据权利要求1至6之任一权利要求所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述第一驱动轴(14)和第二驱动轴(16)为固定轴，可在导槽(26)内往返滑动。

8、根据权利要求1至6之任一权利要求所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述第一驱动轴(14)和第二驱动轴(16)为转动轴，可在导槽(26)内往返滚动。

9、根据权利要求1至6之任一权利要求所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述控制组件包括可敏感驱动盘(12)转动角度的传感器(31)和控制电路。

10、根据权利要求1至6之任一权利要求所述的光学系统镜头切换机构，其特征在于：所述控制组件包括可敏感驱动盘(12)转动角度的编码器和控制电路。

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