CN108227179B - 一种滤光片切换系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空航天光电成像技术领域，针对现有滤光片切换装置可靠性、稳定性较低，易发生切换卡滞以及不能检测滤光片切换正确性的问题，提供一种滤光片切换系统及方法。其中，本发明提供的滤光片切换系统，包括矩形基板、滤光片切换组件、靶面成像板、驱动组件和控制电路板；驱动组件包括电机和驱动齿轮，矩形基板上部开设第一安装孔，第一安装孔下方设第一直线轨道，下部设第二直线轨道；滤光片切换组件包括滤光片保持架；滤光片保持架顶部设驱动齿条，中部设滤光片安装孔，滤光片保持架上部和下部分别设与第一直线轨道和第二直线轨道适配的第一滑块和第二滑块；矩形基板安装侧面的相对两侧边缘分别设置第一限位块。

Description

一种滤光片切换系统及方法
技术领域
本发明涉及航空航天光电成像技术领域，具体涉及一种滤光片切换系统及方法。
背景技术
滤光片切换装置是一种可以应用在相机镜头上进行滤光片自动切换的装置。现有的滤光片切换装置根据切换动作方向分为摆钟型和直线型。摆钟型滤光片切换装置采用的磁能或机械能转换方式较为复杂，易受外来冲击影响，可靠性和稳定性较低。直线型滤光片切换装置在低温环境下易发生切换卡滞现象。
不论是摆钟型还是直线型的滤光片切换装置，其切换过程多为盲切，不能检测滤光片切换的正确性；对滤光片跑动错乱也没有有效的限位措施。
发明内容
本发明的目的是针对现有滤光片切换装置可靠性、稳定性较低，易发生切换卡滞以及不能检测滤光片切换正确性的问题，而提供一种滤光片切换系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种滤光片切换系统，其特殊之处在于，包括中部开设镜头通孔的矩形基板、滤光片切换组件、靶面成像板、驱动组件和控制电路板；所述驱动组件包括电机和安装在电机输出端的驱动齿轮，电机与所述控制电路板电连接；所述矩形基板的上部开设第一安装孔，所述驱动齿轮从矩形基板的背侧穿入并伸出第一安装孔，电机连接驱动齿轮的一端与矩形基板固连；所述矩形基板的安装侧面、第一安装孔的下方水平设置第一直线轨道，安装侧面的下部与第一直线轨道相对的位置水平设置第二直线轨道；所述滤光片切换组件包括滤光片保持架；滤光片保持架的顶部设置与所述驱动齿轮相匹配的驱动齿条，其中部设置至少两个滤光片安装孔，滤光片安装孔内设置滤光片；滤光片保持架靠近矩形基板安装侧面的一侧上部和下部分别设置与所述第一直线轨道和第二直线轨道适配的第一滑块和第二滑块；沿第一直线轨道的平行方向、矩形基板安装侧面的相对两侧边缘分别设置第一限位块，第一限位块在两侧边缘的安装位置与滤光片安装孔相对应；所述矩形基板的四角分别设置用于固连所述靶面成像板的安装柱。
进一步地，上述矩形基板安装侧面上、第一安装孔与第一直线轨道之间设置一个与所述控制电路板电连接的U型光电开关，所述驱动齿条靠近矩形基板安装侧面的一侧设有与所述U型光电开关相适配的光电片，用于提供上电初始位置，确定滤光片的初始位置。
进一步地，还包括位置反馈控制组件，所述位置反馈控制组件包括与所述控制电路板电连接的电位计、安装在电位计输入端的检测齿轮和位置检测齿条，所述矩形基板的下部开设第二安装孔，所述检测齿轮从矩形基板的背侧穿入并伸出第二安装孔，电位计连接检测齿轮的一端与矩形基板固连；所述位置检测齿条设置在所述滤光片保持架的底部并与所述检测齿轮相适配。
进一步地，上述检测齿轮为双啮合齿轮，用于与位置检测齿条啮合时消隙。
进一步地，上述滤光片安装孔为三个，中间的滤光片安装孔安装红外截止滤光片，两侧的滤光片安装孔分别安装蓝绿滤光片和近红外高通滤光片。
进一步地，上述第一直线轨道和第一滑块以及第二直线轨道和第二滑块均采用滚动直线导轨，用于提高对低温环境的适应性。
进一步地，上述安装柱分别对称设置在第一安装孔、第二安装孔的两侧，其中，第一安装孔两侧的两个安装柱顶部向第一安装孔延伸并止于第一安装孔的边缘；第二安装孔两侧的两个安装柱向第二安装孔延伸并止于第一安装孔的边缘，用于阻挡异物及灰尘落入滤光片切换装置内。
进一步地，上述第一直线轨道和第二直线导轨的两端分别设置与其垂直的第二限位块。
进一步地，上述第二限位块与安装柱一体成型，形成类“7”字形结构，制作安装方便。
另外，本发明还提供了一种基于上述滤光片切换系统的滤光片切换方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：驱动滤光片切换组件移动至光电片遮挡光电开关，电位计标定初始位置P0；
步骤2：以初始位置P0为起点，驱动滤光片切换组件移动，当中间滤光片安装孔的红外截止滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置a，此位置记为红外截止滤光片正确位置；
以相对位置a为起点，驱动滤光片切换组件移动，当蓝绿滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置b，此位置记为蓝绿滤光片正确位置；
以相对位置b为起点，驱动滤光片切换组件移动，当近红外高通滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置c，此位置记为近红外高通滤光片正确位置；滤光片位置标定完成；
步骤3：上电自检，驱动滤光片切换组件移动至初始位置P0；
当需要切换为红外截止滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a，即为红外截止滤光片位置；
当需要切换为蓝绿滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a+b位置，即为红外蓝绿滤光片位置；
当需要切换为近红外高通滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a+c位置，即为近红外高通滤光片位置；
切换过程中如出现卡滞或移动错乱，此时电机处于堵转状态，控制电路板检测电流过大后，控制电机停止运行。
进一步地，步骤3中，在切换滤光片时，通过控制电路板采集驱动组件电机的电流，实时监测滤光片的切换状态，如出现卡滞或移位错乱现象，控制电路板切断驱动组件的电机供电并报告错误信息。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明采用电机驱动齿条带动滤光片保持架沿直线导轨移动；光电开关提供上电后初始位置；电位计对滤光片位置进行反馈检测；第一限位块对对误操作引起的滤光片切换错乱进行限位；滚动直线导轨提高了移动精度、振动环境稳定性，提高了对低温环境的适应性。结构简单，定位精度高，易操作、控制，可广泛应用于各类航空航天光电载荷中。
2、相比于传统的摆钟式滤光片切换装置对滤光片的单点支撑，本发明通过两条平行的导轨对滤光片切换组件双点支撑，对冲击振动等恶劣工况有很好的抑制作用，具有良好的可靠性与稳定性。
3、相比于传统的直线型结构形式，本发明采用的滤光片切换组件通过滚动直线导轨平移，具有切换平稳，精度高，低温环境适应性好等优点。对滚动直线导轨的滑块滚珠涂抹低温润滑脂，能够进一步提高对低温环境的适应性。
4、本发明设置的光电开关及光电片能够实现初始定位，从而实现有序切换，保证了滤光片切换的正确性。
5、本发明采用的反馈控制组件通过电位计测量角度位移信息，并反馈至控制电路板形成对电机的反馈控制，有效提高了电机控制精度，提高了滤光片切换的正确性。
6、相对于通常的两组滤光片切换结构，本发明提供的滤光片保持架的结构能够根据实际需要安装多组滤光片，实现观察不同波段的成像效果。
7、本发明采用双啮合齿轮的啮合方式对传动机构进行消齿隙处理，将传动齿隙控制在0.18°内，即将滤光片移动误差控制在了0.015mm内，有效减小了系统误差。在保证不产生黑边现象的情况下，减小了滤光片尺寸，进一步有利于滤光片切换装置的小型化、高精度化。
8、U型光电开关及光电片起到记录滤光片切换组件工作零位的作用；因此，对于整批次、相同规格的滤光片切换系统只需进行一次标定，即可确定其相对位置a、b、c，有效避免了批量生产时对每一个产品进行繁琐的标定工作。
附图说明
图1是本发明滤光片切换系统一个实施例的分解示意图；
图2是图1实施例中滤光片切换组件的结构示意图；
图3是图1实施例的装配示意图(图中靶面成像板为透视)。
图中各标号的说明如下：
1—矩形基板，11—镜头通孔、12—第一安装孔、121—U型光电开关、13—第一直线轨道、14—第二直线轨道、15—第二安装孔、16—第一限位块、17—第二限位块、18—安装柱；
2—滤光片保持架，21—驱动齿条、211—光电片、22—第一滑块、23—第二滑块、24—位置检测齿条、25—滤光片安装孔；
3—靶面成像板；
4—驱动组件，41—电机、42—驱动齿轮；
5—反馈控制组件，51—电位计、52—检测齿轮；
6—控制电路板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、图2、图3所示的一种滤光片切换系统，包括中部开设镜头通孔11的矩形基板1、滤光片切换组件、靶面成像板3、驱动组件4、位置反馈控制组件5和控制电路板6；矩形基板1的四角分别设置用于固连靶面成像板3的安装柱18。
驱动组件4包括电机41和安装在电机41输出端的驱动齿轮42，电机41与控制电路板6电连接；矩形基板1的上部开设第一安装孔12，驱动齿轮42从矩形基板1的背侧穿入并伸出第一安装孔12，电机41连接驱动齿轮42的一端与矩形基板1固连。
矩形基板1的安装侧面、第一安装孔12的下方水平设置第一直线轨道13，安装侧面的下部与第一直线轨道13相对的位置水平设置第二直线轨道14。
如图2所示，滤光片切换组件包括滤光片保持架2；滤光片保持架2的顶部设置与驱动齿轮42相匹配的驱动齿条21，其中部设置三个滤光片安装孔25，中间的滤光片安装孔25安装红外截止滤光片，两侧的滤光片安装孔25分别安装蓝绿滤光片和近红外高通滤光片。
滤光片保持架2靠近矩形基板1安装侧面的一侧上部和下部分别设置与第一直线轨道13和第二直线轨道14适配的第一滑块22和第二滑块23；第一直线轨道13和第一滑块22以及第二直线轨道14和第二滑块23均采用滚动直线导轨，提高了对低温环境的适应性。
矩形基板1安装侧面上、第一安装孔12与第一直线轨道13之间设置一个与控制电路板6电连接的U型光电开关121，驱动齿条21靠近矩形基板1安装侧面的一侧设有与U型光电开关121相适配的光电片211，用于提供上电初始位置，确定滤光片的初始位置。
沿第一直线轨道13的平行方向、矩形基板1安装侧面的相对两侧边缘分别设置第一限位块16，第一限位块16在相对两侧边缘的安装位置与滤光片安装孔25相对应。
位置反馈控制组件5包括与控制电路板6电连接的电位计51、安装在电位计51输入端的检测齿轮52和位置检测齿条24，矩形基板1的下部开设第二安装孔15，检测齿轮52从矩形基板1的背侧穿入并伸出第二安装孔15，电位计51连接检测齿轮52的一端与矩形基板1固连；位置检测齿条24设置在滤光片保持架2的底部并与检测齿轮52相适配。检测齿轮52为双啮合齿轮，用于与位置检测齿条24啮合时消隙。用于与位置检测齿条啮合时消隙，提高控制精度。
安装柱18分别对称设置在第一安装孔12、第二安装孔15的两侧，其中，第一安装孔12两侧的两个安装柱18顶部向第一安装孔12延伸并止于第一安装孔12的边缘；第二安装孔15两侧的两个安装柱18向第二安装孔15延伸并止于第一安装孔12的边缘，用于阻挡异物及灰尘落入滤光片切换装置内。
第一直线轨道13和第二直线导轨的两端分别设置与其垂直的第二限位块17；第二限位块17与安装柱18一体成型，形成类“7”字形结构。
另外，本发明还提供一种基于上述滤光片切换系统的滤光片切换方法，包括以下步骤：
步骤1：驱动滤光片切换组件移动至光电片遮挡光电开关，电位计标定初始位置P0；
步骤2：以初始位置P0为起点，驱动滤光片切换组件移动，当中间滤光片安装孔25的红外截止滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置a，此位置记为红外截止滤光片正确位置；
以相对位置a为起点，驱动滤光片切换组件移动，当蓝绿滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置b，此位置记为蓝绿滤光片正确位置；
以相对位置b为起点，驱动滤光片切换组件移动，当近红外高通滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置c，此位置记为近红外高通滤光片正确位置；滤光片位置标定完成；
步骤3：上电自检，驱动滤光片切换组件移动至初始位置P0；
当需要切换为红外截止滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a，即为红外截止滤光片位置；
当需要切换为蓝绿滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a+b位置，即为红外蓝绿滤光片位置；
当需要切换为近红外高通滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a+c位置，即为近红外高通滤光片位置；
切换过程中如出现卡滞或移动错乱，此时电机处于堵转状态，控制电路板检测电流过大后，控制电机停止运行；
在切换滤光片时，通过控制电路板采集驱动组件电机的电流，实时监测滤光片的切换状态，如出现卡滞或移位错乱现象，控制电路板切断驱动组件的电机供电并报告错误信息。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (7)

1.一种滤光片切换系统，其特征在于：包括中部开设镜头通孔(11)的矩形基板(1)、滤光片切换组件、靶面成像板(3)、驱动组件(4)、位置反馈控制组件(5)和控制电路板(6)；
所述驱动组件(4)包括电机(41)和安装在电机(41)输出端的驱动齿轮(42)，电机(41)与所述控制电路板(6)电连接；
所述矩形基板(1)的上部开设第一安装孔(12)，所述驱动齿轮(42)从矩形基板(1)的背侧穿入并伸出第一安装孔(12)，电机(41)连接驱动齿轮(42)的一端与矩形基板(1)固连；
所述矩形基板(1)的安装侧面、第一安装孔(12)的下方水平设置第一直线轨道(13)，安装侧面的下部与第一直线轨道(13)相对的位置水平设置第二直线轨道(14)；
所述滤光片切换组件包括滤光片保持架(2)；滤光片保持架(2)的顶部设置与所述驱动齿轮(42)相匹配的驱动齿条(21)，其中部设置至少两个滤光片安装孔(25)，滤光片安装孔(25)内设置滤光片；
所述滤光片保持架(2)靠近矩形基板(1)安装侧面的一侧上部和下部分别设置与所述第一直线轨道(13)和第二直线轨道(14)适配的第一滑块(22)和第二滑块(23)；
沿第一直线轨道(13)的平行方向、矩形基板(1)安装侧面的相对两侧边缘分别设置第一限位块(16)，第一限位块(16)在相对两侧边缘的安装位置与滤光片安装孔(25)相对应；
所述矩形基板(1)的四角分别设置用于固连所述靶面成像板(3)的安装柱(18)；
所述矩形基板(1)安装侧面上、第一安装孔(12)与第一直线轨道(13)之间设置一个与所述控制电路板(6)电连接的U型光电开关(121)，所述驱动齿条(21)靠近矩形基板(1)安装侧面的一侧设有与所述U型光电开关(121)相适配的光电片(211)；
所述位置反馈控制组件(5)包括与所述控制电路板(6)电连接的电位计(51)、安装在电位计(51)输入端的检测齿轮(52)和位置检测齿条(24)，
所述矩形基板(1)的下部开设第二安装孔(15)，所述检测齿轮(52)从矩形基板(1)的背侧穿入并伸出第二安装孔(15)，电位计(51)连接检测齿轮(52)的一端与矩形基板(1)固连；
所述位置检测齿条(24)设置在所述滤光片保持架(2)的底部并与所述检测齿轮(52)相适配；U型光电开关(121)提供上电后滤光片切换组件的初始位置；电位计(51)对滤光片位置进行反馈检测；
所述滤光片安装孔(25)为三个，中间的滤光片安装孔(25)安装红外截止滤光片，两侧的滤光片安装孔(25)分别安装蓝绿滤光片和近红外高通滤光片。
2.根据权利要求1所述的滤光片切换系统，其特征在于：所述检测齿轮(52)为双啮合齿轮，用于与位置检测齿条(24)啮合时消隙。
3.根据权利要求2所述的滤光片切换系统，其特征在于：所述第一直线轨道(13)和第一滑块(22)以及第二直线轨道(14)和第二滑块(23)均采用滚动直线导轨。
4.根据权利要求3所述的滤光片切换系统，其特征在于：所述安装柱(18)分别对称设置在第一安装孔(12)、第二安装孔(15)的两侧，
其中，第一安装孔(12)两侧的两个安装柱(18)顶部向第一安装孔(12)延伸并止于第一安装孔(12)的边缘；
第二安装孔(15)两侧的两个安装柱(18)向第二安装孔(15)延伸并止于第一安装孔(12)的边缘。
5.根据权利要求4所述的滤光片切换系统，其特征在于：所述第一直线轨道(13)和第二直线导轨的两端分别设置与其垂直的第二限位块(17)；所述第二限位块(17)与安装柱(18)一体成型，形成类“7”字形结构。
6.一种基于权利要求1至5任一所述滤光片切换系统的滤光片切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：驱动滤光片切换组件移动至光电片遮挡光电开关，电位计标定初始位置P0；
步骤2：以初始位置P0为起点，驱动滤光片切换组件移动，当中间滤光片安装孔的红外截止滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置a，此位置记为红外截止滤光片正确位置；
以相对位置a为起点，驱动滤光片切换组件移动，当蓝绿滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置b，此位置记为蓝绿滤光片正确位置；
以相对位置b为起点，驱动滤光片切换组件移动，当近红外高通滤光片完全覆盖靶面时，电位计标定相对位置c，此位置记为近红外高通滤光片正确位置；滤光片位置标定完成；
步骤3：上电自检，驱动滤光片切换组件移动至初始位置P0；
当需要切换为红外截止滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a，即为红外截止滤光片位置；
当需要切换为蓝绿滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a+b位置，即为红外蓝绿滤光片位置；
当需要切换为近红外高通滤光片，则根据标定结果，控制滤光片切换组件移动至P0+a+c位置，即为近红外高通滤光片位置；
切换过程中如出现卡滞或移动错乱，此时电机处于堵转状态，控制电路板检测电流过大后，控制电机停止运行。
7.根据权利要求6所述的滤光片切换系统的滤光片切换方法，其特征在于：
步骤3中，在切换滤光片时，通过控制电路板采集驱动组件电机的电流，实时监测滤光片的切换状态，如出现卡滞或移位错乱现象，控制电路板切断驱动组件的电机供电并报告错误信息。
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