CN104503061B - 一种空间相机主动热控调焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间相机主动热控调焦装置，包括次镜组件和调焦组件，所述次镜组件包括次镜室(1)、次镜压圈(2)和次镜片(3)；调焦组件包括隔热垫(4)、殷钢柱(5)、铝环(6)、加热片(7)、散热器(8)和热敏电阻(9)；次镜片(3)由次镜压圈(2)压紧在次镜室(1)中。本发明具有满足空间使用条件、性能稳定、精度高、结构可靠的优点。

Description

一种空间相机主动热控调焦装置

技术领域

本发明涉及一种空间相机主动热控调焦装置，属于航天遥感相机技术领域。

背景技术

近年来，航天技术发展非常迅速，星载空间相机的应用越来越广泛，空间相机任务的关键是获取和提供清晰完整的图像，而要想获得高清晰度的图像，在相机摄像时，地面景物应准确地成像在CCD的感光面上。但是随着科学技术的发展，对苛刻的发射环境和空间环境下空间相机的可靠性和精度要求越来越高，航天相机在运输和发射过程中会受到振动冲击，在轨工作时空间温度复杂多变，空间重力场是不同于地球表面的微重力环境，这些因素都可能导致相机的成像面与焦平面不重合，即产生不同程度的离焦，从而导致成像质量下降。

为保证相机成像质量，要求相机对环境因素变化具有良好的适应性，在对相机进行光学系统、结构支撑和电控系统设计时，需要在相机系统中加入调焦机构，采用相应的调焦机构来微调光学系统中光线成像的位置，补偿CCD的离焦量，使星下点目标准确成像在CCD感光面上，已修正这种离焦，调焦机构的调焦量根据环境条件和控制精度的要求确定的，从而使相机能得到高清晰度的图像。此外，采用空间调焦，也可以放宽对光学系统各光学反射镜安装位置及其变化的要求，有利于光学遥感器在恶劣的环境下可靠地工作。

调焦方式主要由光学系统、结构形式、调焦精度及使用环境条件决定。不同光学系统其调焦方式不同，常用的调焦方式主要有镜组移动式、焦面反射镜移动式和焦平面移动式几种。

现有的调焦机构设计主要有三种：第一种采用CCD焦平面调焦方案，为了使调焦控制精度优于±10μm，通过分析相机的光学系统和光机支撑结构设计了调焦机构。该调焦机构采用两级减速器，第一级采用精度等级为5级的蜗轮蜗杆副，减速比为33∶1；第二级采用精度等级为5级的齿轮副，减速比为3∶1；总减速比为99∶1。第二种，调焦机构主要由步进电机、滚珠丝杠、调焦镜组件、运动方向转换机构、蜗轮箱和编码器等组成。由于大口径、长焦距、高分辨率是空间相机的主要特点，镜头组件和焦面组件处的光学元件都不宜用来调焦。光学系统中，位于焦面前的校正镜尺寸小、重量轻，且为球面反射镜，最适宜用作调焦镜。由于调焦镜需要沿光轴方向在一定距离范围内移动，通常由丝杠丝母或凸轮机构将电机的回转运动转换为直线运动，然后再通过一系列的减速机构实现精确调焦。凸轮机构的结构比较简单，抗冲击能力强，适宜用作重载机构的运动方向转换，但凸轮曲线的加工要求较高，且凸轮机构和其减速机构的空间要求也较大。丝杠丝母机构的抗冲击能力较差，但其结构简单，运动灵活。由于相机调焦镜组件的重量较轻，故冲击力较小，适宜选用容易实现的丝杠丝母结构，同时选用轻便灵活的直线轴承作导向元件。第三种是一种行程30mm，负载10kg，可适用在环境温度为40℃～+55℃之间的航空光学调焦机构。调焦机构主要由以下几部分组成：带有滑块的直线导轨、直线步进电机、直线位移传感器、数字信号处理器、步进电机功率驱动模块。将平面反射镜固连在滑块上，直线步进电机驱动滑块沿导轨作直线运动，直线位移传感器检测滑块的相对位移量并将此模拟信号传递给数字信号处理器，对其进行处理，转换为数字信号反馈给直线步进电机，确定滑块的相对位置，对其进行实时控制。

综上，目前国内空间相机调焦环节均未涉及到通过调节次镜的位置来补偿离焦量，且调节方式均选择精密机械机构调节，相比本发明的设计来说，选择次镜作为调节环节，因次镜重量相对较轻，且所在位置较为独立，相比复杂的CCD焦平面组件等上述方法，要轻便很多，也较为容易控制，且调节目标重量较轻，精度较高，在者，精密机械机构调节中，精密部件较多，且精度要求较高，综合较本发明方法重量较大，这在航空中是一个很大的弊端，航空要求低重量，结构紧凑，但以上设计方案均较重量，较大体积，较高的经济投入，而本发明在精度要求不变的情况下，降低了加工成本，减轻了整体重量。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种满足空间使用条件、性能稳定、精度高、结构可靠的空间相机主动热控调焦装置及调焦方法。

本发明技术解决方案：一种空间相机主动热控调焦装置，包括：所述主动热控即应用材料的热膨胀性质理念，通过控制装置中某结构件的温度，实现驱动位移的目的；所述调焦装置选择调节次镜的位置进行离焦量的补偿；所述空间相机主动热控调焦装置包括次镜组件和调焦组件，所述次镜组件包括次镜室、次镜压圈和次镜片；所述调焦组件包括隔热垫、殷钢柱、铝环、加热片、散热器和热敏电阻；所述次镜片由次镜压圈压紧在次镜室中；所述调隔热垫起到隔绝次镜组件与其他部件的温度传导的作用，殷钢柱与次镜室(1)相连，殷钢柱上端与铝环连接，铝环的外圆粘有加热片，加热片均匀贴敷于铝环外圆面，保证铝环温度变化时线性膨胀更均匀，铝环上端装有散热器；在铝环上端圆周位置均布粘有4个热敏电阻，实时监测铝环的温度变化情况。

所述空间相机调焦方式中，选择调节次镜的相对位置进行离焦量的补偿。

所述次镜调节驱动方式选择非机械机构驱动，而是根据利用材料的热膨胀性质这种理念而设计的主动热控驱动方式。

所述利用材料的热膨胀性质设计的热控驱动方式中调节驱动元件为一定长度的铝环。

所述殷钢柱与次镜室连接表面，安装的隔热垫为绝缘材料聚酯酰亚胺材料，保证加热片工作时，只限于铝环的状态的改变，而不会将热量传导到次镜组件。

所述选择殷钢柱的目的是由于殷钢柱的热膨胀系数很低，力学性能良好，可看作在温度变化时形状不发生改变。

所述散热器选择上在能量消耗允许的情况下，尽量增大与铝环的接触面积，并且保证散热器的散热面积更大，提高散热效率。

本发明技术方案带来的有益效果：

(1)本发明节约空间、重量轻，空间相机作为载荷，在保证光机性能的前提下，尽量减轻质量，以实现较高的轻量化率，结构紧凑，以实现结构的稳定性，具有良好的振动特性；

(2)本发明精度高易于控制，相比较机械调焦本发明技术方案所用零部件较少，驱动主要靠材料自己本身的特性，而目前机械调焦机构中电子元器件较多，整个工作流程中累计下来引起误差的环节很多，累计误差较大；

(3)本发明节约投入成本，调焦机构的工作环境较为恶劣，要求每个元器件的级别具有很高的可靠性，这必然增加投入成本，如想实现较高的精度要求，其余辅助零部件的加工装调精度也会随之增加，这也是增加成本的一个重要环节，而本发明节约成本，与实际应用中有较大的突出特点，具有普遍的适用性。

附图说明

图1为本发明调焦装置三维模型等轴视图；

图2为本发明调焦装置三维模型标准视图；

图3为本发明调焦装置组成剖视图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明的空间相机主动热控调焦装置由所述空间相机主动热控调焦装置由次镜组件和调焦组件组成，其中次镜组件包括次镜室1、次镜压圈2、次镜片3、调焦组件由隔热垫4、殷钢柱5、铝环6、加热片7、散热器8和热敏电阻9组成。次镜组件次镜片3由次镜压圈2压紧在次镜室1中，调焦组件中，隔热垫4起到隔绝温度变化时将热量传递到次镜组件中，殷钢柱5通过3个M3螺钉与次境室1相连，殷钢柱5上端与铝环6用3个M3螺钉连接，铝环6的外圆粘有加热片7，加热片7均匀贴敷于铝环6外圆面，保证铝环6温度变化时线性膨胀更均匀，铝环6上端装有散热器8；在铝环6上端圆周位置均布粘有4个热敏电阻(温度探测器)9，可以实时监测铝环的温度变化情况。

本发明的有关参数为：次镜调焦量0.2mm，共分为12步调节，温度调节范围30℃，铝环长度为30mm，每步调节温度为1℃。

具体计算过程如下：

首先介绍该计算过程中所用到的基本原理为根据材料的热膨胀系数的概念而产生的，热膨胀系数表示物体由于温度改变而存在的胀缩现象，其变化能力以等压下，单位温度变化所导致的体积变化，热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量，而该机构的工作环境温度基本保证材料的热膨胀系数是一个常量，这也是该机构设计所依据的ΔL重要一点。热膨胀系数有线膨胀系数ɑ，面膨胀系数β与体膨胀系数γ。

线膨胀系数ɑ＝ΔL/(L*ΔT)

面膨胀系数β＝ΔS/(S*ΔT)

体膨胀系数γ＝ΔV/(V*ΔT)

空间相机调焦机构主要改变沿光轴方向一个自由度的位移，故该机构只用到线膨胀系数的概念，其中L为某种材料的初始长度，ΔL为在ΔT温度变化情况下物体长度的变化量，该机构把此概念应用到机构中，根据函数之间的关系，来实现调焦的目的，具体实施方案为把线膨胀系数ɑ作为一个常数，ΔL作为一个目标值，通过控制温度的变化ΔT来实现主动控制位移的目的，空间相机各材料应用当中，铝合金的线膨胀系数较其他空间相机所用材料的线膨胀系数高很多，为22.7x10-6，选择铝合金作为热控驱动的载体，能实现在较小的温度变化下，实现相对较大位移量，而且初始长度L可以做到相对较小，不仅能较好的保证结构稳定性，对于控制和能量的消耗都有相对较低的要求。

该空间相机设计时依据ɑ＝ΔL/(L*ΔT)公式，

其中ɑ＝22.7x10-6；

温度变化范围为ΔT＝30℃；

总的调焦量为ΔL＝0.2mm；

调焦步数为12步；

将上述值带入公式ɑ＝ΔL/(L*ΔT)中，

则22.7x10-6＝0.2/(L*30)

则可计算得到需要铝环的长度L约为30mm。

同样在已得到铝环长度30mm的情况下，每步温度变化约为1℃。

空间相机测得需要调焦时，热敏电阻作为温度传感器，首先测得当下的温度，反馈到控制系统，则控制系统发出指令使加热片以温升1度的方式进行加热，则铝环在光轴方向上产生微小位移，在调焦过程中殷钢柱的外圆与铝合金配合的内圆留有0.1mm的间隙，防止了铝环在圆周方向发生变化时与殷钢柱外圆发生干涉，而殷钢柱是一种具有低热膨胀性质的铁镍合金，最大特点随温度的变形极小，适合于制作对温度变形有严格要求的零件，导热系数低，塑形、韧性高，并且经过适当的回火，压延等处理，均匀得到一个零的膨胀系数，因此在温度变化中，要求得到较高精度和较小变形的光机结构中，均采用此种材料，故可认为殷钢在温度发生改变时，长度没有变化，及铝环沿光轴的位移直接驱动次镜位置沿光轴位置的发生改变，直到调焦过程结束。

上述所提到的实施方式仅作为本发明技术方案的示例性说明，而不应解释为对本发明的限制，任何对本发明进行显而易见的局部更改都应视为本发明的替代方案。这种替代方案包括设计理念相同，材料选择的改变，本质不变，结构形式的变化，安装方式的改变，连接孔的大小、多少等。这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。

Claims (2)

1.一种空间相机主动热控调焦装置，其特征在于包括：所述主动热控即应用材料的热膨胀性质理念，通过控制装置中某结构件的温度，实现驱动位移的目的；所述调焦装置选择调节次镜的位置进行离焦量的补偿，选择次镜作为调节环节，所述次镜调节驱动方式选择非机械机构驱动，则是根据利用材料的热膨胀性质这种理念而设计的主动热控驱动方式，

所述利用材料的热膨胀性质设计的热控驱动方式中调节驱动元件为一定长度的铝环，铝环长度为30mm；

所述空间相机主动热控调焦装置包括次镜组件和调焦组件，所述次镜组件包括次镜室(1)、次镜压圈(2)和次镜片(3)；所述调焦组件包括隔热垫(4)、殷钢柱(5)、铝环(6)、加热片(7)、散热器(8)和热敏电阻(9)；所述次镜片(3)由次镜压圈(2)压紧在次镜室(1)中；所述隔热垫(4)起到隔绝次镜组件与其他部件的温度传导的作用，殷钢柱(5)与次镜室(1)相连，殷钢柱(5)上端与铝环(6)连接，铝环(6)的外圆粘有加热片(7)，加热片(7)均匀贴敷于铝环(6)外圆面，保证铝环(6)温度变化时线性膨胀更均匀，铝环(6)上端装有散热器(8)；在铝环(6)上端圆周位置均布粘有4个热敏电阻(9)，即温度探测器，实时监测铝环的温度变化情况；

所述次镜调焦量0.2mm，共分为12步调节，温度调节范围30℃，铝环长度为30mm，每步调节温度为1℃，具体计算过程如下：

空间相机调焦机构改变沿光轴方向一个自由度的位移，只用到线膨胀系数，线膨胀系数ɑ＝ΔL/(L*ΔT)，其中L为某种材料的初始长度，ΔL为在ΔT温度变化情况下物体长度的变化量，根据函数之间的关系，来实现调焦的目的，具体实施方案为把线膨胀系数ɑ作为一个常数，ΔL作为一个目标值，通过控制温度的变化ΔT来实现主动控制位移的目的，空间相机各材料应用当中，铝合金的线膨胀系数较其他空间相机所用材料的线膨胀系数高很多，为α＝22.7x10^-6，选择铝合金作为热控驱动的载体，能实现在较小的温度变化下，实现相对较大位移量，而且初始长度L可以做到相对较小，不仅能较好的保证结构稳定性，对于控制和能量的消耗都有相对较低的要求，

空间相机设计时依据ɑ＝ΔL/(L*ΔT)公式，

其中α＝22.7x10^-6；

温度变化范围为ΔT＝30℃；

总的调焦量为ΔL＝0.2mm；

调焦步数为12步；

将上述值带入公式ɑ＝ΔL/(L*ΔT)中，

则22.7x10^-6＝0.2/(L*30)，

则计算得到需要铝环的长度L为30mm；

同样在已得到铝环长度30mm的情况下，每步温度变化为1℃；

空间相机测得需要调焦时，热敏电阻作为温度传感器，首先测得当下的温度，反馈到控制系统，则控制系统发出指令使加热片以温升1度的方式进行加热，则铝环在光轴方向上产生微小位移，在调焦过程中殷钢柱的外圆与铝合金配合的内圆留有0.1mm的间隙，防止了铝环在圆周方向发生变化时与殷钢柱外圆发生干涉，殷钢柱在温度发生改变时，长度没有变化，及铝环沿光轴的位移直接驱动次镜位置沿光轴位置的发生改变，直到调焦过程结束；

所述铝环(6)为调焦装置的热控驱动元件；

在所述殷钢柱(5)与次镜室连接表面安装有聚酯酰亚胺绝缘材料，保证加热片(7)工作时，只限于铝环的状态的改变，而不会将热量传导到次镜组件。

2.根据权利要求1所述的空间相机主动热控调焦装置，其特征在于：所述散热器(8)选择上在能量消耗允许的情况下，尽量增大与铝环(6)的接触面积，并且保证散热器(8)的散热面积更大，提高散热效率。