CN102565997A - 一种用于空间光学遥感仪器的高精度调焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间光学遥感仪器的高精度调焦装置，包括调焦机构和锁紧机构两大部分。其中，调焦机构主要零部件驱动电机、精密滚珠丝杠、电位器均安装于调焦机构支撑筒内；固定透镜、调焦透镜安装于透镜支撑筒内，通过调焦连接架连接调焦运动部件与调焦透镜。工作过程中，通过丝杠将驱动电机旋转运动转化为直线运动，并利用高精密线性滑台推动调焦透镜沿轴向运动，根据电位器反馈信号控制调焦位置。该装置中锁紧机构用于锁定调焦透镜初始位置。本发明的装置可驱动大口径光学元件，其运动稳定性好，具有精确的定位精度和重复定位精度，并能满足空间遥感相机的长寿命调焦需求。另外，采用锁紧机构能够充分保证地面最佳像质位置不发生变化。

Description

一种用于空间光学遥感仪器的高精度调焦装置

技术领域

本发明涉及空间遥感技术领域，特别涉及用于空间高灵敏度光学遥感仪器的高精度调焦装置。

背景技术

空间遥感仪器不同于地面光学仪器，它要经受在发射阶段的冲击、振动、过载等力学环境；同时，相机在轨工作阶段又会受到微重力、高真空、温度交变等环境条件的影响，相机经历这一系列恶劣环境后，会使得主次镜或透镜间间隔发生变化，从而导致最佳焦平面发生一定程度的偏移，严重的情况下直接影响相机的成像质量。高灵敏度光学遥感仪器对外界环境的变化更为敏感，为了保证空间相机在恶劣环境下仍然能具有较高的成像质量，则需要对相机中的某些光学元件的位置进行主动校正，从而修正系统焦平面。

目前国内空间高灵敏度相机的调焦机构多采用齿轮组或凸轮进行调焦，这两种方式的调焦机构的精度受其传动部件加工精度的影响较大。尤其是对凸轮曲线的加工要求更高，制造难度较大。同时，齿轮传动或凸轮传动均为滑动摩擦，空间冷焊问题以及长寿命润滑问题目前也是有待于解决的难题。

发明内容

为克服现有调焦技术上的缺陷，本发明就是要提供一种空间应用、结构紧凑、调焦精度高、稳定性好，且适用于大口径光学元件的调焦装置。

本发明的高精度调焦装置包括调焦机构和锁紧机构两大部分。其中调焦机构用于主动调节调焦透镜的运动，从而校正系统的焦平面，锁紧机构用于锁定调焦透镜的初始位置，便于调焦机构通过空间力学环境试验的考核。其中调焦机构包括调焦机构支撑筒1、驱动电机2、柔性联轴器3、滚珠丝杆支撑精密轴承I 4、精密滚珠丝杠5、滚珠丝杆支撑精密轴承II6、联轴器7、电位器8、调焦连接架9、高精密线性滑台10、固定透镜11、调焦透镜12、透镜支撑筒13；锁紧机构包括锁紧销14、电磁阀15、位置传感器16。

其中：调焦机构支撑筒1为筒状结构，采用钛合金或不锈钢材料；驱动电机2采用可正反转的步进电机，转速小于＜3r/min；柔性联轴器3采用不锈钢材料；精密轴承I 4与精密轴承II 6分别选用精度等级在P4级以上的角接触球轴承和深沟球轴承；精密滚珠丝杠5精度等级达P2级以上；电位器8为旋转式角位置传感器；调焦连接架9为U字形结构，采用钛合金或不锈钢材料；高精密线性滑台10精度为0.002mm/100mm，其材料为不锈钢；锁紧销14为头端锥状结构，可方便嵌入调焦透镜12的安装座内；位置传感器16采用微动开关或霍尔元件。

本发明的高精度调焦装置中，驱动电机2套于调焦机构支撑筒1内，通过柔性联轴器3将精密滚珠丝杠5与驱动电机2输出端连接，精密轴承I 4与精密轴承II 6分别支撑精密滚珠丝杠5的前端和后端；电位器8通过联轴器7与精密滚珠丝杠5前端输出轴连接；固定透镜11通过其透镜安装座安装于透镜支撑筒13内；调焦透镜12安装于调焦透镜动环内，动环与调焦透镜静止环通过高精密线性滑台10连接，装配好的调焦透镜组合体至于透镜支撑筒13内；调焦连接架9上端固定于调焦透镜动环一侧，下端固定于底部精密滚珠丝杠5的螺母座上；电磁阀15位于透镜支撑筒13顶部，其锁紧销14锥型端插入调焦透镜动环锥形槽内，另外一端则固定于电磁阀15内。

所述的驱动电机2选用可正反转步进电机，其通过驱动电机2安装法兰固定于调焦机构支撑筒1后端，该驱动电机2亦可采用直流电机替代。

所述的电位器8通过转接法兰安装于调焦机构支撑筒1前端，该电位器8亦可采用旋转变压器或光栅编码尺替代。

所述的高精密线性滑台10其固定导轨安装于调焦透镜静止环上，滑块安装于调焦透镜动环上，该高精密线性滑台10亦可采用高精密直线轴承替代。

所述的锁紧机构安装于透镜支撑筒13顶部安装座上，其中电磁阀15亦可采用无泄漏的火工品替代。

为防止调焦机构在无油超高真空环境中运动发生冷焊，需对所述的运动部件即精密轴承I 4、精密轴承II 6、精密滚珠丝杠5和高精密线性滑台10采取润滑措施。该调焦机构运动方式属于间歇运动，对上述运动部件采取固体润滑，在各运动部件表面喷涂MoS₂。

本发明高精度调焦装置的详细工作过程如下所述，其整个调焦机构位于调焦机构支撑筒1内，当发现地面接收到的图像质量下降时，判断焦面偏离位置，根据偏离方位按相应的调焦方案进行调焦，调焦移动方位即有可能向前，又有可能向后，因此在调焦透镜12前后均预留一定的调焦量，且使用的驱动电机2能够实现正反转。调焦由控制系统发出调焦指令，驱动电机2作为调焦机构的驱动源接收到调焦指令后开始运动，驱动电机2输出端通过柔性联轴器3与精密滚珠丝杠5连接，将驱动电机2驱动力传递至精密滚珠丝杠5，精密滚珠丝杠5又将旋转运动转化为高精度的直线运动并传递动力至调焦连接架9，调焦连接架9是连接精密滚珠丝杠5与调焦透镜12的桥梁，同时调焦透镜12固定于调焦透镜动环上，调焦透镜静止环固于透镜支撑筒13内，调焦透镜动环采用三个高精密线性滑台10与调焦透镜静止环连接，通过这三个线性滑台约束调焦透镜12的五维自由度，即三个方向的转动自由度和两个方向的径向移动自由度。当发出调焦指令后，驱动电机2通过精密滚珠丝杠5驱动调焦连接架9移动，随后调焦连接架9通过推动高精密线性滑台10而带动调焦透镜12向调焦方位按既定调焦量平稳地移动。整个调焦过程中，控制系统实时监控电位器8的反馈信号，通过其反馈信号指示控制调焦位置。

在空间大口径相机发射前，对整个光学系统进行地面装调，根据选取最优MTF原则确定调焦透镜12的初始位置，由于滚珠丝杠螺母无自锁性，为确保调焦透镜12在地面装调后的初始位置不会发生偏移，需增加透镜锁紧机构，本装置采用电磁阀15对调焦透镜动环进行机械自锁。当发出调焦透镜锁定指令后，电磁阀15通电，锁紧销14脱离电磁阀15内弹簧阀体，在外力作用下锁紧销14向调焦透镜12径向方向移动；同时，在调焦透镜动环上配有一个锥形槽，锁紧销14移动至锥形槽内，两锥面配合使其锁紧可靠；数秒后，电磁阀15失电，其内弹簧阀体重新弹出，将锁紧销14卡住，此时，调焦透镜12即被锁紧，在相机发射前调焦透镜12均为锁紧状态。相机在轨运行时，若焦平面发生偏移，在发出正式调焦运动指令前，首先要进行锁紧机构解锁。通过控制系统发出调焦解锁指令，调焦电磁阀15开始工作，将锁紧销14从电磁阀15内弹出，弹出的锁紧销14立即脱开调焦透镜动环，并通过位置传感器16反馈信号确定解锁是否成功。当确定锁紧机构解锁成功后即可发送调焦指令，从而完成一次完整的调焦过程。

本发明的优点：该装置采用高精密滚珠丝杠和线性滑台，装置结构紧凑，可驱动大口径的光学元件。通过该装置可精准地控制调焦位置，使调焦透镜沿轴向方向的定位精度达到5μm，重复定位精度达到2μm，透镜偏转角精度可达±0.05°。采用地面锁紧机构配合能够充分保证地面最佳像质位置不发生变化。

附图说明

图1为本发明高精度调焦装置结构示意图；

图中：

1、调焦机构支撑筒              11、固定透镜

2、驱动电机                    12、调焦透镜

3、柔性联轴器                  13、透镜支撑筒

4、滚珠丝杆支撑精密轴承I       14、锁紧销

5、精密滚珠丝杠                15、电磁阀

6、滚珠丝杆支撑精密轴承II      16、位置传感器

7、联轴器

8、电位器

9、调焦连接架

10、高精密线性滑台

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述：

如图1所示，调焦机构安装于调焦机构支撑筒1内，固定透镜11与调焦透镜12均安装于透镜支撑筒13内。U型调焦连接架9一端安装于精密滚珠丝杠5的螺母座上，另一端固定于调焦透镜动环上。为方便整个光学系统光校，需要保证透镜组件的光轴与透镜支撑筒13的机械轴尽量保持一致。为此，在设计加工过程中，保证透镜支撑筒13与调焦透镜12、固定透镜11分别配合的两内圆圆柱度小于0.008mm，两内圆同轴度小于0.01mm；同时，为保证调焦透镜在移动过程中具有较高的运动精度，需要将透镜支撑筒13与调焦机构支撑筒1组合加工，并保证两支撑筒轴线的平行度小于0.01mm。

调焦装置的主要性能参数与零部件参数如下所示：

1)调焦行程：-3mm～+3mm；

2)调焦透镜口径：＞100mm；

3)透镜重量：＞0.5kg；

4)驱动电机：可正反转混合式步进电机；

5)柔性联轴器：外径φ25mm，内径φ6mm；

6)滚珠丝杆支撑精密轴承I：定制P4级角接触球轴承；

7)滚珠丝杆支撑精密轴承II：定制P4级深沟球轴承；

8)轴承安装方式：轴承采用一端固定，一端游动的安装方式，消除了由温度变化对轴承预紧力的影响；

9)滚珠丝杠：定制P2级精密滚珠丝杠；

10)高精密线性滑台：定制精密滑台，其精度等级需达到0.002mm/100mm。

Claims (5)

1.一种用于空间光学遥感仪器的高精度调焦装置，它包括调焦机构和锁紧机构两大部分，其特征在于：

所述的调焦机构包括调焦机构支撑筒(1)、驱动电机(2)、柔性联轴器(3)、滚珠丝杆支撑精密轴承I(4)、精密滚珠丝杠(5)、滚珠丝杆支撑精密轴承II(6)、联轴器(7)、电位器(8)、调焦连接架(9)、高精密线性滑台(10)、固定透镜(11)、调焦透镜(12)、透镜支撑筒(13)；锁紧机构包括锁紧销(14)、电磁阀(15)和位置传感器(16)，其中：调焦机构支撑筒(1)为筒状结构，采用钛合金或不锈钢材料；驱动电机(2)采用可正反转的步进电机，转速小于＜3r/min；柔性联轴器(3)采用不锈钢材料；精密轴承I(4)与精密轴承II(6)分别选用精度等级在P4级以上的角接触球轴承和深沟球轴承；精密滚珠丝杠(5)精度等级达P2级以上；电位器(8)为旋转式角位置传感器；调焦连接架(9)为U字形结构，采用钛合金或不锈钢材料；高精密线性滑台(10)精度为0.002mm/100mm，其材料为不锈钢；锁紧销(14)为头端锥状结构，可方便嵌入调焦透镜(12)的安装座内；位置传感器(16)采用微动开关或霍尔元件；

所述的高精度调焦装置中，驱动电机(2)套于调焦机构支撑筒(1)内，通过柔性联轴器(3)将丝杠(5)与驱动电机(2)输出端连接，两套精密轴承(4、6)分别支撑丝杠(5)的前端和后端；电位器(8)通过联轴器(7)与丝杠(5)前端输出轴连接；固定透镜(11)通过其透镜安装座安装于透镜支撑筒(13)内；调焦透镜(12)安装于调焦透镜动环内，动环与调焦透镜静止环通过高精密线性滑台(10)连接，装配好的调焦透镜组合体置于透镜支撑筒(13)内；调焦连接架(9)上端固定于调焦透镜动环一侧，下端固定于底部丝杠螺母座上；电磁阀(15)位于透镜支撑筒(13)顶部，其锁紧销(14)锥型端插入调焦透镜动环锥形槽内，另外一端则固定于电磁阀(15)内。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间光学遥感仪器的高精度调焦装置，其特征在于：所述的驱动电机(2)可采用直流电机替代。

3.根据权利要求1所述的一种用于空间光学遥感仪器的高精度调焦装置，其特征在于：所述的电位器(8)可采用旋转变压器或光栅编码尺替代。

4.根据权利要求1所述的一种用于空间光学遥感仪器的高精度调焦装置，其特征在于：所述的精密轴承I(4)、精密轴承II(6)、精密滚珠丝杠(5)和高精密线性滑台(10)采用MoS₂固体润滑。

5.根据权利要求1所述的一种用于空间光学遥感仪器的高精度调焦装置，其特征在于：所述的电磁阀(15)可用无泄漏的火工品替代。