CN104076478A

CN104076478A - 空间目标探测镜头调焦系统

Info

Publication number: CN104076478A
Application number: CN201410313953.3A
Authority: CN
Inventors: 林春生; 肖维军; 周宝藏; 刘辉
Original assignee: Fujian Forecam Optics Co Ltd
Current assignee: Fujian Forecam Optics Co Ltd
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: CN104076478B

Abstract

本发明涉及一种空间目标探测镜头调焦系统，包括调焦镜筒，所述调焦镜筒外周侧上设有步进电机减速箱组件，所述步进电机减速箱组件的输出齿轮与调焦环外周侧啮合，所述调焦环套设在调焦镜筒外周侧上，所述调焦环前后与调焦镜筒之间分别设有钢球，所述调焦环内周侧通过梯形螺纹与调焦座外周侧连接，所述调焦座通过消隙轴承组件与调焦镜筒相连接，所述调焦座套设在调焦联接筒外周侧上，所述调焦联接筒与调焦座相连接，所述调焦联接筒与镜头联接法兰相连接，所述镜头联接法兰上安装有标准镜头，所述调焦镜筒分别与CCD摄像机和机架联接法兰相连接，所述机架联接法兰固定在机架上。本发明克服了现有调焦系统精度低、空回大、不能精确轴向定位等缺陷。

Description

空间目标探测镜头调焦系统

技术领域

本发明涉及一种天文跟踪观测系统的光学摄像调焦装置，特别是一种空间目标探测镜头调焦系统。

背景技术

目前，天文跟踪观测系统由于温度变化，镜筒长度及镜片的折射率发生变化，从而使镜头的焦距及后截距发生变化。若没有采取措施，CCD靶面会离焦，导致图像质量下降，甚至使图像模糊不清。其光学系统采用EF85/f1.2标准照像镜头，由于该镜头是由大相对孔径、大视场的照像镜头改装成高分辨率的天文跟踪观测镜头，像面对环境工作温度较敏感。在工作时，由于温度变化而产生像面偏移，故必须每隔一段时间要进行人工调焦使图像重新清晰，一个晚上要重复多次人工调焦，这样使天文观测的效率低下，并且人工调焦的精度不够，影响天文观测系统的精度。

因此，天文跟踪观测系统要求使用自动聚焦调焦方式，在环境温度变化像面偏移时，能够精确地自动聚焦以对温度效应进行补偿，使图像重新调整清晰，而自动聚焦系统要求精密的调焦机构，高精度的步进电机及减速机构才能保证自动聚焦的精确度。而传统的调焦结构存在精度低、空回大、电机无法精确地轴向定位等缺点，并不适合作为自动聚焦的执行机构。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于为天文跟踪观测系统提供一种结构紧凑、无空回、高精度轴向定位的空间目标探测镜头调焦系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种空间目标探测镜头调焦系统，包括调焦镜筒，所述调焦镜筒后部外周侧上设有步进电机减速箱组件，所述步进电机减速箱组件的输出齿轮与调焦环前部外周侧啮合，所述调焦环后部套设在调焦镜筒前部外周侧上，所述调焦环后部前后与调焦镜筒之间分别设有依靠调焦环压圈进行固定的钢球，所述调焦环前部内周侧通过梯形螺纹与调焦座前部外周侧连接，所述调焦座中部通过径向设置的消隙轴承组件与调焦镜筒相连接，所述调焦座套设在调焦联接筒外周侧上，所述调焦联接筒前部通过联接螺钉与调焦座前部相连接，所述调焦联接筒后部通过联接螺钉与镜头联接法兰相连接，所述镜头联接法兰上安装有标准镜头，所述调焦镜筒后部中间通过联接螺钉与CCD摄像机相连接，所述调焦镜筒后部边缘通过联接螺钉与机架联接法兰相连接，所述机架联接法兰固定在机架上。

进一步的，所述步进电机减速箱组件包含步进电机、减速箱盖板和减速箱立柱，所述步进电机通过电机架安装在调焦镜筒后部外周侧上，所述减速箱盖板通过减速箱立柱和锁紧螺母与电机架相连接，所述减速箱盖板与电机架之间安装有由四个齿轮组成的减速齿轮组，所述步进电机的电机轴上安装有与第四齿轮啮合的主动轮，所述第四齿轮的第二齿轮轴上安装有同步旋转的第三齿轮，所述第三齿轮与第二齿轮相啮合，所述第二齿轮的第一齿轮轴上安装有作为输出齿轮的第一齿轮。

进一步的，所述步进电机通过电机锁紧螺钉固定于电机架上并由电机压板压住。

进一步的，所述步进电机的电机轴上还安装有齿轮打滑机构。

进一步的，所述调焦联接筒前部径向设置有第一拉簧立柱，所述调焦镜筒中部径向设置有第二拉簧立柱，所述第一拉簧立柱通过拉簧与第二拉簧立柱相连接。

进一步的，所述消隙轴承组件包含消隙轴承、偏心套、轴承轴和锁紧圈，所述消隙轴承通过偏心套和轴承轴安装在调焦镜筒和调焦座之间，所述调焦镜筒上铣有与消隙轴承相配合的直槽，所述轴承轴固定在调焦座上。

进一步的，所述调焦联接筒前部还通过紧定螺钉连接有遮光罩。

进一步的，所述调焦环压圈通过紧定螺钉固定在调焦镜筒上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：该空间目标探测镜头调焦系统对天文跟踪观测系统进行自动聚焦改造，增加自动聚焦功能以提高观测效率和图像的分辨率，通过精密的调焦机构、步进电机减速箱组件的设计满足自动聚焦所需的平稳驱动载荷、镜头静态稳定、镜头运行平滑及调焦高分辨率的要求；其步进电机的输出力矩大，通过电机的输入脉冲数及精密的减速机构和高精度、无空回的调焦机构进行精密轴向定位，克服了现有调焦系统精度低、空回大、不能精确轴向定位等缺陷；加上现有的图像处理及控制系统，则成为天文跟踪观测的光学摄像自动聚焦系统，具备在不同的温度环境中进行高效、精密观测的能力，适用温度变化大的环境条件。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的结构装配图。

图2为步进电机减速箱组件的结构装配图。

图3为图2中A-A处的剖视图。

图中：1-遮光罩，2-第一紧定螺钉，3-第一联接螺钉，4-第一拉簧立柱，5-调焦座，6-调焦环，7-调焦环压圈，8-第二紧定螺钉，9-钢球，10-步进电机减速箱组件，11-拉簧，12-调焦镜筒，13-第二拉簧立柱，14-锁紧圈，15-偏心套，16-轴承轴，17-法兰联接螺钉，18-机架联接法兰，19-消隙轴承，20-摄像机联接螺钉，21-调焦联接筒，22-标准镜头，23-调焦联接筒联接螺钉，24-镜头联接法兰，25-CCD摄像机，31-锁紧螺母，32-减速箱盖板，33-第一齿轮轴，34-第一齿轮，35-第二齿轮轴，36-减速箱立柱，37-齿轮打滑机构，38-第三齿轮，39-第二齿轮，40-第四齿轮，41-主动轮，42-电机架，43-电机压板，44-步进电机，45-电机锁紧螺钉。

具体实施方式

如图1~3所示，一种空间目标探测镜头调焦系统，包括调焦镜筒12，所述调焦镜筒12后部外周侧上设有步进电机减速箱组件10，所述步进电机减速箱组件10的输出齿轮与调焦环6前部外周侧啮合，所述调焦环6后部套设在调焦镜筒12前部外周侧上，所述调焦环6后部前后与调焦镜筒12之间分别设有依靠调焦环压圈7进行固定的钢球9，所述调焦环6前部内周侧通过梯形螺纹与调焦座5前部外周侧连接，所述调焦座5中部通过径向设置的消隙轴承组件与调焦镜筒12相连接，所述调焦座5套设在调焦联接筒21外周侧上，所述调焦联接筒21前部通过第一联接螺钉3与调焦座5前部相连接，所述调焦联接筒21后部通过调焦联接筒联接螺钉23与镜头联接法兰24相连接，所述镜头联接法兰24上安装有标准镜头22，所述调焦镜筒12后部中间通过摄像机联接螺钉20与CCD摄像机25相连接，所述调焦镜筒12后部边缘通过法兰联接螺钉17与机架联接法兰18相连接，所述机架联接法兰18固定在机架上。

该空间目标探测镜头调焦系统的调焦原理如下：当温度发生变化、CCD靶面离焦，导致图像质量下降时，所述步进电机减速箱组件10的输出齿轮旋转，所述输出齿轮与调焦环6的外齿啮合进而带动调焦环6旋转，所述调焦环6通过钢球9相对调焦镜筒12滚动以减小摩擦力，所述调焦环6通过梯形螺纹、消隙轴承组件使得调焦座5作轴向的直线运动。当步进电机减速箱组件10的步进电机44作正反向旋转运动时，标准镜头22在轴向作直线运动，从而使CCD摄像机25相对于标准镜头22作轴向运动，即CCD靶面与标准镜头22作相对运动，使CCD靶面的图像清晰，达到温度效应补偿的目的。

该空间目标探测镜头调焦系统的光学指标如下：（1）轴向调焦分辨率：0.5um；（2）调焦范围：对于无穷远目标，常温状态像面处±1mm；（3）机械重复精度±5um；（4）系统回差不大于12um；（5）镜头法兰面与CCD法兰面平行度通过调焦系统调整机构调整优于3角分；（6）传动机构：满足调焦高分辨率要求，静态下（处于工作状态但又未执行调焦动作）传动机构保证镜头的机械稳定性，防止因为风力等因素导致镜头产生异常移动（反向自锁）；（7）位置控制要求：在控制模块作用下，可实现2um到2mm之间分辨率为1um的任意位置控制；（8）环境适应性：工作温度-30℃～30℃，储存温度-40℃～50℃。

在本实施例中，所述步进电机减速箱组件10包含步进电机44、减速箱盖板32和减速箱立柱36，所述步进电机44通过电机架42安装在调焦镜筒12后部外周侧上，所述步进电机44通过电机锁紧螺钉45固定于电机架42上并由电机压板43压住，所述减速箱盖板32通过减速箱立柱36和锁紧螺母31与电机架42相连接，所述减速箱盖板32与电机架42之间安装有由四个齿轮组成的减速齿轮组，所述步进电机44的电机轴上安装有与第四齿轮40啮合的主动轮41和齿轮打滑机构37，所述第四齿轮40的第二齿轮轴35上安装有同步旋转的第三齿轮38，所述第三齿轮38与第二齿轮39相啮合，所述第二齿轮39的第一齿轮轴33上安装有作为输出齿轮的第一齿轮34。所述齿轮打滑机构37使主动轮41与电机轴形成软联接，正常状态步进电机44带动主动轮41转动，当步进电机44堵转时，主动轮41打滑，以保护步进电机44不被打坏；所述齿轮打滑机构可以包含电机轴套、打滑垫片、压簧和锁紧螺母，所述电机轴套套设在电机轴上并由紧定螺钉固定，所述主动轮41套设在电机轴套上并由压簧通过打滑垫片压紧，所述锁紧螺母套设在电机轴套的外螺纹上并由紧定螺钉固定，当电机过载时主动轮41打滑，以对步进电机44进行保护。

在本实施例中，为了消除调焦座5与调焦环6之间的螺纹间隙，所述调焦联接筒21前部径向设置有第一拉簧立柱4，所述调焦镜筒12中部径向设置有第二拉簧立柱13，所述第一拉簧立柱4通过拉簧11与第二拉簧立柱13相连接。为了消除调焦座5和调焦镜筒12之间的径向间隙，使CCD摄像机25在调焦时像面稳定，所述消隙轴承组件包含消隙轴承19、偏心套15、轴承轴16和锁紧圈14，所述消隙轴承19通过偏心套15和轴承轴16安装在调焦镜筒12和调焦座5之间，所述调焦镜筒12上铣有与消隙轴承19相配合的直槽，所述轴承轴16固定在调焦座5上。另外，所述调焦联接筒21前部还通过第一紧定螺钉2连接有遮光罩1，所述调焦环压圈7通过第二紧定螺钉8固定在调焦镜筒12上。

为了使调焦精度高于1/2物理焦深（约0.01mm），调焦运动过程的摆动小于1/4象元，在调焦机构设计过程中，本实施例采用了以下具体措施：

第一，调焦电机选型及调焦机构精度设计。

请参考图2，选用 42型步进电机，步距角为0.9°，保持转矩0.54Nm，自制减速箱减速比为第四齿轮40与主动轮41啮合圆直径之比×第二齿轮39与第三齿轮38啮合圆直径之比，其值为(15/6)×(12/6)=15:1，该减速箱的输出齿轮啮合圆直径为φ20mm，则步进电机44的输出力矩为T=0.54×5=2.7Nm。而该减速箱的输出齿轮与调焦轮的减速比为η₁=67.5:10，效率为K₁=0.6，其螺纹副的导程选3mm，螺纹中径的周长为63×2π，则减速比为η₂=(63×2π)/3，螺纹传动的效率为K₂=0.15。该步进电机44传输给调焦轮切线上传动的力为F₁，F₁= J/ K=2.7/0.063=42.86N，其螺纹副的输出力为F，F= F₁·K₁·K₂·η₁·η₂=3435N。

标准镜头22及调焦座5重量W＜5Kg，而消除间隙弹簧拉力为负载的2.25～3.75倍，取3.75倍，则总负载为W=18.75Kg。因此，可知选用此电机功率足够。

调焦精度与步进电机44的步长及调焦机构的结构及精度有关，电机每步长为0.9度，减速比为5:1，该步进电机减速箱组件10的输出齿轮啮合圆为d₁=20mm，调焦机构的调节环啮合圆直径为135mm，调焦机构导程为3mm，则每步长调焦机构轴长移动距离△L=(电机步长/360°)×(1/5)×(20/135)×3=2.22×10^-4mm，即每走45步才能达到1焦深0.01mm，因此调焦机构满足调焦精度要求。

为了保证摄像机靶面在调焦过程中稳定，调焦机构必须满足自锁条件，因此，本发明采用丝杆（即调焦座5）与滑动螺母（即调焦环6）传动原理，当滑动螺母的螺纹升角小于或等于当量摩擦角P′时，此传动机构反向自锁。

，，式中：P′为当量摩擦角，f为摩擦系数（钢与青铜为0.08~0.1，取0.08），α为螺纹牙型角（选用梯形牙传动α=30℃），d为螺纹副的直径（取φ126mm），S为导程（取3mm）。因此，，，可见该传动机构满足自锁条件，从而实现自锁，调焦机构调焦过程中，摄像机靶面是稳定的。

第二，调焦机构结构设计。

请参考图1，为了消除调焦环6与调焦镜筒12的间隙，采用钢球9滚动以减小调焦环6运动的摩擦力，同时调节调焦环压圈7，使钢球9、调焦环6、调焦环压圈7及调焦镜筒12处于过盈配合状态，利用钢球9在调焦环6与调焦座5形成的滚道运动，达到消除调焦环6和调焦镜筒12之间旋转运动的间隙，避免调焦机构在调焦过程中的间隙引起的跳动而使摄像机靶面不稳定。

为了消除调焦座5与调焦环6之间的螺纹间隙，用3根均匀分布的拉簧11把调焦联接筒21和调焦镜筒12紧拉在一起，每根拉簧11的拉力为3.75～6.25公斤，总拉力为11.25～18.75公斤，为调焦机构及CCD摄像机25重量5公斤的2.25～3.75倍。这样就可以保证在任何情况下，调焦环6与调焦座5传动螺纹的间隙为0。

为了消除调焦座5和调焦镜筒12之间的径向间隙，使CCD摄像机25在调焦时像面稳定，设计了2个用于消除轴承径向间隙的消隙轴承组件，具体是在调焦镜筒12和调焦座5之间沿周侧均布2个消隙轴承组件。为了消除调焦系统运动时的径向间隙，在调焦镜筒12上铣了2个均布的直槽，用消隙轴承组件替代调焦机构上常用的导钉。装配一个消隙轴承组件时：转动其偏心套15，使该消隙轴承19在调焦镜筒12的直槽中偏摆，该消隙轴承19的一面紧紧地压紧直槽的一面，并用其锁紧圈14锁紧消隙轴承19。同理，装配另一个消隙轴承组件时，使该消隙轴承19的一面紧压在调焦镜筒12直槽相反的一面，这样使调焦座5与调焦镜筒12之间的径向处于过盈状态，从而消除调焦机构运动时的径向间隙。

通过以上设计使整个调焦系统的运动部件都处于过盈状态，运动间隙得到很好的消除，系统调焦精度和重复精度满足天文望远镜筒自动对焦的高精度要求，自动对焦精度达到技术要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种空间目标探测镜头调焦系统，包括调焦镜筒，其特征在于：所述调焦镜筒后部外周侧上设有步进电机减速箱组件，所述步进电机减速箱组件的输出齿轮与调焦环前部外周侧啮合，所述调焦环后部套设在调焦镜筒前部外周侧上，所述调焦环后部前后与调焦镜筒之间分别设有依靠调焦环压圈进行固定的钢球，所述调焦环前部内周侧通过梯形螺纹与调焦座前部外周侧连接，所述调焦座中部通过径向设置的消隙轴承组件与调焦镜筒相连接，所述调焦座套设在调焦联接筒外周侧上，所述调焦联接筒前部通过联接螺钉与调焦座前部相连接，所述调焦联接筒后部通过联接螺钉与镜头联接法兰相连接，所述镜头联接法兰上安装有标准镜头，所述调焦镜筒后部中间通过联接螺钉与CCD摄像机相连接，所述调焦镜筒后部边缘通过联接螺钉与机架联接法兰相连接，所述机架联接法兰固定在机架上。

2.根据权利要求1所述的空间目标探测镜头调焦系统，其特征在于：所述步进电机减速箱组件包含步进电机、减速箱盖板和减速箱立柱，所述步进电机通过电机架安装在调焦镜筒后部外周侧上，所述减速箱盖板通过减速箱立柱和锁紧螺母与电机架相连接，所述减速箱盖板与电机架之间安装有由四个齿轮组成的减速齿轮组，所述步进电机的电机轴上安装有与第四齿轮啮合的主动轮，所述第四齿轮的第二齿轮轴上安装有同步旋转的第三齿轮，所述第三齿轮与第二齿轮相啮合，所述第二齿轮的第一齿轮轴上安装有作为输出齿轮的第一齿轮。

3.根据权利要求2所述的空间目标探测镜头调焦系统，其特征在于：所述步进电机通过电机锁紧螺钉固定于电机架上并由电机压板压住。

4.根据权利要求2所述的空间目标探测镜头调焦系统，其特征在于：所述步进电机的电机轴上还安装有齿轮打滑机构。

5.根据权利要求1所述的空间目标探测镜头调焦系统，其特征在于：所述调焦联接筒前部径向设置有第一拉簧立柱，所述调焦镜筒中部径向设置有第二拉簧立柱，所述第一拉簧立柱通过拉簧与第二拉簧立柱相连接。

6.根据权利要求1所述的空间目标探测镜头调焦系统，其特征在于：所述消隙轴承组件包含消隙轴承、偏心套、轴承轴和锁紧圈，所述消隙轴承通过偏心套和轴承轴安装在调焦镜筒和调焦座之间，所述调焦镜筒上铣有与消隙轴承相配合的直槽，所述轴承轴固定在调焦座上。

7.根据权利要求1所述的空间目标探测镜头调焦系统，其特征在于：所述调焦联接筒前部还通过紧定螺钉连接有遮光罩。

8.根据权利要求1所述的空间目标探测镜头调焦系统，其特征在于：所述调焦环压圈通过紧定螺钉固定在调焦镜筒上。