CN108680093B - 一种光学调焦机构中调焦距离测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种光学调焦机构中调焦距离测量装置及测量方法，其解决了小型化、轻量化精密测量系统无法实现高精密测量大位移的问题。一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，包括传感器组件；传感器组件包括电涡流传感器和菱形被测件；调焦移动镜框通过导轨与调焦基座相连，其中调焦移动镜框可沿导轨在光轴方向做直线往复运动；驱动组件设置调焦基座上；驱动组件驱动调焦移动镜框沿导轨在光轴方向做直线往复运动；菱形被测件固定在调焦移动镜框上，电涡流传感器是通过测量距菱形被测件的移动距离来间接得到调焦移动镜框沿光轴方向的位移距离。

Description

一种光学调焦机构中调焦距离测量装置及测量方法

技术领域

本发明具体涉及一种光学调焦机构中调焦距离测量装置及测量方法。

背景技术

目前在位移高精密测量技术领域，微位移测量应用中，基于电反馈测量方法的电阻应变式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器等占主导地位，具有体积小、高灵敏度、高分辨率、低成本等优点，但也存在测量范围小的局限，此外接触式位移传感器如电阻应变式传感器受温度、传感器安装误差等因素的影响较大；在大位移测量应用中，基于光反馈测量方法的光栅式位移传感器、双频激光干涉仪等占主导地位，具有抗电磁干扰能力强、高灵敏度、高分辨率、测量范围大等优点，但也存在体积大、重量大、成本高以及对环境污染敏感的局限。

在小型化、轻量化高精密测量系统中，精度通常和大位移测量相悖。在对大位移进行测量时，通常采用牺牲精度的方法来增大测量位移的量程。上述因素使得在选择测量位移的方法时，需要综合权衡精度、测量量程两个指标，而无法同时满足高精度、紧凑型、低成本、大位移测量等条件。因此，发明一种同时满足高精度、紧凑型、低成本、大位移测量等条件的测量方法具有重要的现实意义。

发明内容

本发明提供了一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，解决了小型化、轻量化精密测量系统无法实现高精密测量大位移的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是，一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，所述光学调焦机构包括调焦基座、调焦移动镜框和驱动组件；调焦移动镜框通过导轨与调焦基座相连，其中调焦移动镜框可沿导轨在光轴方向做直线往复运动；驱动组件设置调焦基座上；驱动组件驱动调焦移动镜框沿导轨在光轴方向做直线往复运动；其特殊之处在于：

包括传感器组件；

传感器组件包括电涡流传感器和菱形被测件；

电涡流传感器固定在调焦基座上，菱形被测件固定在调焦移动镜框上，电涡流传感器是通过测量距菱形被测件的移动距离来间接得到调焦移动镜框沿光轴方向的位移距离。

以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化改进：

进一步地，上述电涡流传感器包含一对探头和一个前置器，一对探头分为第一探头和第二探头，一对探头对称安装在探头固定座上，探头固定座固定在调焦基座上，菱形被测件位于一对探头之间，且菱形被测件的被测面和一对探头中心连线的法面之间的夹角为θ，θ为锐角。

进一步地，上述调焦基座上设有温度传感器。

进一步地，上述驱动组件为电机。

进一步地，上述驱动组件与调焦移动镜框通过丝杠螺母副连接。

另外，本发明还提出一种光学调焦机构中调焦距离测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将移动镜组固定在调焦移动镜框上，调焦移动镜框通过导轨与调焦基座相连，其中调焦移动镜框可沿导轨与调焦基座相对直线运动；驱动组件与调焦移动镜框通过丝杠螺母副连接，实现移动镜组直线往复运动；

2)将菱形被测件固定在调焦移动镜框上；

3)将探头固定座固定在调焦基座上；

4)当传感器组件的第一探头与菱形被测件上的M点的距离为A时，将第一探头固定在探头固定座上，移动菱形被测件，使其菱形被测件上的M点位于第一探头的轴线上；

使第二探头的轴线与第一探头的轴线重合，此时，菱形被测件上的N点在第二探头的轴线上，将第二探头沿着其轴线移动，当前置器的输出电压为零时，再将第二探头固定在探头固定座上；

其中，M、N点分别在菱形被测件两侧的被测面的中心，M、N两点连线构成的直线MN与菱形被测件的上下两个短边面平行，且距离相等；

5)对传感器组件进行标定：

5.1)将角锥棱镜胶粘在菱形被测件的上端，在角锥棱镜对应处设置双频激光干涉仪，此时双频激光干涉仪的上位机界面显示此刻角锥棱镜与双频激光干涉仪之间的距离；

5.2)使得调焦移动镜框沿导轨方向移动距离X₀，此时前置器输出电压V₀；

5.3)重复步骤(5.2)，测量一组数据{(X₀，V₀)、(X₁，V₁)……(X_n，V_n)}；

5.4)利用最小二乘法对数据进行拟合，得到一条标定曲线；

5.5)将整个装置放入温控室内，通过调节温度，再重复步骤5.2)、5.3)、5.4)，这样便得到不同温度下的标定曲线，例如{(-50℃～-30℃)标定曲线1，(-30℃～-10℃)标定曲线2，……(30℃～50℃)标定曲线5}，其中温度区间可根据实际情况改变；

6)根据测得前置器的输出电压值，通过温度传感器判断环境温度，再调用当前环境温度区间内的标定曲线得到菱形被测件的沿光轴方向的位移量，即得到移动镜组的位移量。

本发明的优点：

1、本发明一种光学调焦机构中调焦距离测量装置具有高精度、紧凑型、低成本、大位移测量等优点，通过设计不同的安装接口，可以广泛应用于各类航空航天光电载荷中。

2、本发明一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，采用电涡流传感器和菱形被测件配合使用，利用电涡流传感器高精度的测量优势，克服其线性段测量范围小的缺陷，通过探测菱形被测件的移动距离来得到调焦距离，不受温度、传感器安装误差、环境污染(如油污、灰尘等因素)的影响，提高了环境适应性；

3、本发明一种光学调焦机构中调焦距离测量方法，在地面实验室对调节机构在不同温度下的移动距离和对应电压进行标定，用电涡流传感器测量菱形被测件在探头连线方向的小距离，来得到精确的调焦机构较大的调焦距离。

附图说明

图1为本发明光学调焦机构中调焦距离测量装置的立体结构图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的后视图；

图4为本发明光学调焦机构中调焦距离测量装置工作原理示意图；

图5为本发明光学调焦机构中调焦距离测量装置的标定方法示意图；

图6为本发明光学调焦机构中调焦距离测量装置中菱形被测件受温度影响示意图；

图7为本发明光学调焦机构中调焦距离测量装置中菱形被测件受安装角度误差示意图；

图8为本发明光学调焦机构中调焦距离测量装置中菱形被测件受安装位移误差示意图。

其中，1-调焦基座；2-调焦移动镜框；3-驱动组件；4-电涡流传感器；

41-第一探头；42-第二探头；43-前置器；5、11、12、13、14-菱形被测件；

6-探头固定座；7-温度传感器；8-角锥棱镜；9-双频激光干涉仪；16第一探头压板、17-第二探头压板；18-导轨；19-丝杠螺母副。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1、图2和图3，一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，所述光学调焦机构包括调焦基座1、调焦移动镜框2、驱动组件3；调焦距离测量装置包括传感器组件。

传感器组件包括电涡流传感器4和菱形被测件5；调焦移动镜框2上固定有移动镜组；调焦移动镜框2通过导轨18与调焦基座1相连，其中调焦移动镜框2可沿导轨18在光轴方向做直线往复运动，驱动组件3与调焦移动镜框2通过丝杠螺母副19连接，可实现移动镜组直线往复运动；电涡流传感器4固定在调焦基座1上，菱形被测件5固定在调焦移动镜框2上，电涡流传感器4用来测量菱形被测件5的位移。电涡流传感器4包含一对探头和一个前置器43，一对探头分为第一探头41和第二探头42，一对探头对称安装在探头固定座6上，探头固定座6固定在调焦基座1上，菱形被测件5位于一对探头之间，且菱形被测件5的被测面和一对探头中心连线的法面之间的夹角为θ，θ为锐角。调焦基座1上还设有温度传感器7。电涡流传感器可以采用美国KAMAN公司生产的型号为KD-5100的电涡流传感器。

前置器43是一个电子信号处理器，包含振荡器、电桥电路、检波电路、放大器、稳压器以及线性/温漂补偿电路等。本发明的调焦距离测量装置的工作原理如图4所示。在图4中，电涡流传感器4采用电桥平衡原理，电涡流传感器4是直接输出电压值，两个探头是成对使用的，当菱形被测件5在零位时，电涡流传感器4的两个探头距菱形被测件5的距离相等(A＝B，距离A、距离B为两个探头在安装时，距离被测件表面的初始距离)，此时输出的电压信号为零；当菱形被测件5往复移动时，电涡流传感器4的两个探头距菱形被测件5的距离不等，输出的电压信号不为零。

由于电涡流传感器4的非线性误差与测量范围有关，随着测量范围的增大，非线性误差剧增，因此电涡流传感器4在线性段测量的范围很小(±0.5mm以内)不满足精密测量系统中的大位移测量。为解决这一问题，将被测件设计成菱形结构(夹角为θ)，通过三角关系间接得到精密测量系统的位置关系。

x＝L_x×tanθ (1)

其中：x为探头与菱形被测件5在Y方向的位移；测量装置用到的距离，L_x为菱形被测件5在x方向的位移，调焦移动镜框2的实际位移。

由(1)式可以看出，调焦移动镜框2的实际位移可以很大，但是使用了菱形被测件5作为间接测量介质，菱形被测件5在Y方向的位移要小很多，促使测量符合电涡流传感器4的测量范围越小，测量越精确的原理。

菱形被测件5沿X方向移动时，菱形被测件5沿Y方向与两个探头之间的距离也发生变化，电涡流传感器4输出的电压也会发生变化。

参见图1、2、3、4和5，光学调焦机构中调焦距离测量方法，包括以下步骤：

1)将移动镜组固定在调焦移动镜框2上，调焦移动镜框2通过导轨18与调焦基座1相连，其中调焦移动镜框2可沿导轨18与调焦基座1相对直线运动；驱动组件3与调焦移动镜框2通过丝杠螺母副19连接，实现移动镜组直线往复运动；

2)将菱形被测件5固定在调焦移动镜框2上；

3)将探头固定座6固定在调焦基座1上；

4)当传感器组件的第一探头41与菱形被测件5上的M点的距离为A时，将第一探头41固定在探头固定座6上；用第一探头压板16将第一探头41压紧，移动菱形被测件5，使其菱形被测件5上的M点位于第一探头41的轴线上；

使第二探头42的轴线与第一探头41的轴线重合，此时，菱形被测件5上的N点在第二探头42的轴线上，将第二探头42沿着其轴线移动，当前置器43的输出电压为零时，再将第二探头42固定在探头固定座6上，用第二探头压板17将第二探头42压紧；

其中，M、N点分别在菱形被测件5两侧的被测面的中心，M、N两点连线构成的直线MN与菱形被测件5的上下两个短边面平行，且距离相等；

5)对传感器组件进行标定：

5.1)将角锥棱镜8胶粘在菱形被测件5的上端，在角锥棱镜8对应处设置双频激光干涉仪9，此时双频激光干涉仪9的上位机界面显示此刻角锥棱镜8与双频激光干涉仪9之间的距离；

5.2)使得调焦移动镜框2沿导轨18方向移动距离X₀，此时前置器43输出电压V₀；

5.3)重复步骤(5.2)，测量一组数据{(X₀，V₀)、(X₁，V₁)……(X_n，V_n)}；

5.4)利用最小二乘法对数据进行拟合，得到一条标定曲线；

5.5)将传感器组件放入温控箱内，通过调节温度，再重复步骤5.2)、5.3)、5.4)，这样便得到不同温度下的标定曲线，例如{(-50℃～-30℃)标定曲线1，(-30℃～-10℃)标定曲线2，……(30℃～50℃)标定曲线5}，其中温度区间可根据实际情况改变；

6)根据测得前置器43的输出电压值，通过温度传感器7判断环境温度，再调用当前环境温度区间内的标定曲线得到菱形被测件5沿光轴方向的的移动位移，即得到移动镜组的移动位移。

参见图6，由于整个装置并非一直处于恒温状态下工作，当温度发生变化时，菱形被测件5会因为材料的热胀冷缩发生变化变为菱形被测件13或菱形被测件14，但由于菱形被测件5的夹角θ不会变化，故测量方法中只需通过调用当前环境温度区间内的标定曲线便可实现对调焦量的精密测量，故对精密测量系统的不产生影响，因此提高了对环境的适应性。

任何零件都有加工误差、装配误差，由于菱形被测件5是一个很小的零件，通过研磨其加工的尺寸误差和形位误差会很小可忽略不计，但装配误差相对较大，但都可分解为装配转动误差和装配平移误差，如图7、图8所示。如图7所示，菱形被测件5有了绕Z轴的转动误差α变为菱形被测件11，则菱形被测件11与X方向成夹角θ+α，对测量系统只会影响其测量量程L，但在设计菱形被测件5时考虑转动误差，留出量程余量便可解决这一问题。对于菱形被测件的装配平移误差如图8所示，菱形被测件5沿Y方向平移变为菱形被测件12，此误差可通过上述标定步骤4)进行消除。

Claims (5)

1.一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，所述光学调焦机构包括调焦基座(1)、调焦移动镜框(2)和驱动组件(3)；调焦移动镜框(2)通过导轨(18)与调焦基座(1)相连，其中调焦移动镜框(2)可沿导轨(18)在光轴方向做直线往复运动；驱动组件(3)设置在调焦基座(1)上；驱动组件(3)驱动调焦移动镜框(2)沿导轨(18)在光轴方向做直线往复运动；其特征在于：

还包括传感器组件；

传感器组件包括电涡流传感器(4)和菱形被测件(5)；

电涡流传感器(4)固定在调焦基座(1)上，菱形被测件(5)固定在调焦移动镜框(2)上，电涡流传感器(4)是通过测量距菱形被测件(5)的移动距离来间接得到调焦移动镜框(2)沿光轴方向的位移距离；所述电涡流传感器(4)包含一对探头和一个前置器(43)，一对探头分为第一探头(41)和第二探头(42)，一对探头对称安装在探头固定座(6)上，探头固定座(6)固定在调焦基座(1)上，菱形被测件(5)位于一对探头之间，且菱形被测件(5)的被测面和一对探头中心连线的法面之间的夹角为θ，θ为锐角。

2.根据权利要求1所述的一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，其特征在于：所述调焦基座(1)上设有温度传感器(7)。

3.根据权利要求2所述的一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，其特征在于：所述驱动组件(3)为电机。

4.根据权利要求3所述的一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，其特征在于：所述驱动组件(3)与调焦移动镜框(2)通过丝杠螺母副(19)连接。

5.一种光学调焦机构中调焦距离测量方法，基于权利要求1所述的一种光学调焦机构中调焦距离测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

1)将移动镜组固定在调焦移动镜框(2)上，调焦移动镜框(2)通过导轨(18)与调焦基座(1)相连，其中调焦移动镜框(2)可沿导轨(18)与调焦基座(1)相对直线运动；驱动组件(3)与调焦移动镜框(2)通过丝杠螺母副(19)连接，实现移动镜组直线往复运动；

2)将菱形被测件(5)固定在调焦移动镜框(2)上；

3)将探头固定座(6)固定在调焦基座(1)上；

4)当传感器组件的第一探头(41)与菱形被测件(5)上的M点的距离为A时，将第一探头(41)固定在探头固定座(6)上，移动菱形被测件(5)，使其菱形被测件(5)上的M点位于第一探头(41)的轴线上；

使第二探头(42)的轴线与第一探头(41)的轴线重合，此时，菱形被测件(5)上的N点在第二探头(42)的轴线上，将第二探头(42)沿着其轴线移动，当前置器(43)的输出电压为零时，再将第二探头(42)固定在探头固定座(6)上；

其中，M、N点分别在菱形被测件(5)两侧的被测面的中心，M、N两点连线构成的直线MN与菱形被测件(5)的上下两个短边面平行，且距离相等；

5)对传感器组件进行标定：

5.1)将角锥棱镜(8)胶粘在菱形被测件(5)的上端，在角锥棱镜(8)对应处设置双频激光干涉仪(9)，此时双频激光干涉仪(9)的上位机界面显示此刻角锥棱镜(8)与双频激光干涉仪(9)之间的距离；

5.2)使得调焦移动镜框(2)沿导轨(18)方向移动距离X₀，此时前置器(43)输出电压V₀；

5.3)重复步骤(5.2)，测量一组数据{(X₀，V₀)、(X₁，V₁)……(X_n，V_n)}；

5.4)利用最小二乘法对数据进行拟合，得到一条标定曲线；

5.5)将整个装置放入温控室内，通过调节温度，再重复步骤5.2)、5.3)、5.4)，这样便得到不同温度下的标定曲线；

6)根据测得前置器(43)的输出电压值，通过温度传感器(7)判断环境温度，再调用当前环境温度区间内的标定曲线得到菱形被测件(5)的沿光轴方向的位移量，通过三角关系间接得到移动镜组的位移量。