CN108957734A - 一种耐高温大动态调节范围的电动光阑 - Google Patents

一种耐高温大动态调节范围的电动光阑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，包括光阑底板、光阑顶板，光阑底板的滑槽中滑动安装有光阑滑板，光阑滑板朝向上、下通光孔之间的一端设计为指数函数曲线形状的切口，光阑滑板由步进电机驱动能够滑动至切口遮盖在上、下通光孔之间。本发明采用原创的光阑滑板指数函数曲线形状的切口，可以实现大动态范围调节。本发明部分部件创新的采用耐高温隔热材料（聚酰亚胺材料），有效保护步进电机等核心部件。光阑底板采用散热片式设计，可有效将光阑口传导过来的热量散除。本发明电机采用步进式电机，位置精度较高。

Description

一种耐高温大动态调节范围的电动光阑
技术领域
本发明涉及光阑领域，具体是一种耐高温大动态调节范围的电动光阑。
背景技术
目前市面上所用的电动光阑多为彩虹光阑，彩虹光阑由电机、涡轮蜗杆及光阑板组成，由于机械结构限制，彩虹光阑调节范围均在3个量级以内。随着基于等色温调节技术的大动态范围可调节辐射定标光源的发展，等色温调节要求最小开口面积比要达到10-5的要求，即需要5个量级的大动态调节范围的电动光阑，然而目前电动光阑的调节范围无法满足使用要求。与此同时，光源设备随着科技的发展及实际需要，功率逐步提升，迫切需要适用于大功率光源的耐高温电动光阑。现有技术光阑存在的问题主要有以下几点：
1.目前市面上的电动光阑均为小动态范围调节，调节范围均在3个量级(约为千倍通光面积比，即最大通光面积与最小通光面积比为1000:1)达不到5个量级的调节范围(十万倍通光面积比，即最大通光面积与最小通光面积比为100000:1)不能满足大动态范围调节的光源的需要。
2.目前现有电动光阑受电机工作温度的限制，安装位置耐受温度较低，根据热量传输计算光阑口温度不应超过100℃，因而无法在大功率温度高的光源中使用。
3.光阑应能够实现自动控制，量化位置指标，提高光阑位置精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，以解决现有技术光阑存在的调节范围小的问题。
一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：包括长边沿X向且呈水平的光阑底板，光阑底板顶部成型有长边沿X向的滑槽，滑槽的槽底位于X向一端设有竖直贯通光阑底板的下通光孔，光阑底板上盖合连接有光阑顶板，光阑顶板对应下通光孔位置设有与下通光孔同轴连通且大小相同的上通光孔，所述光阑底板的滑槽中沿X向滑动安装有光阑滑板，光阑滑板在Y向宽度大于上、下通光孔的直径，光阑滑板的X向一端朝向上、下通光孔之间，且光阑滑板朝向上、下通光孔之间的一端设计为指数函数曲线形状的切口，光阑底板X向另一端外安装有驱动光阑滑板运动的步进电机，光阑滑板由步进电机驱动能够滑动至切口遮盖在上、下通光孔之间。
所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：光阑滑板切口形状的指数函数曲线由构成连续曲线一的第一切口曲线、第二切口曲线，以及构成连续曲线二的第三切口曲线、第四切口曲线构成，连续曲线一、连续曲线二关于X轴对称，且连续曲线一中第一切口曲线与连续曲线二中第三切口曲线关于X轴对称，连续曲线一中第二切口曲线与连续曲线二中第四切口曲线关于X轴对称，所述第一切口曲线在X-Y坐标系中的函数表达式为：
所述第二切口曲线在X-Y坐标系中的函数表达式为：
其中，R为电动光阑上、下通光孔半径，a的值取0～1范围内，即0＜a＜1，当a的取值趋于0值时，曲线一及曲线二沿X方向变短，同等开口面积比的情况下光阑滑板的滑动调节步长变小，这不利于光阑滑板的滑动调节步长的精确调节。当a的取值趋于1值时，曲线一及曲线二沿X方向变长，同等开口面积比的情况下光阑滑板的滑动调节步长变大，这虽然有利于大动态范围的调节，但是光阑滑板的尺寸会变长，在空间安装尺寸受限的实际工程应用中无法安装。光阑滑板的滑动调节步长的精度是由步进电机步距角及丝杆导程决定的。综上，需要依据实际的安装空间及光阑滑板的滑动调节步长的精度合理确定a的取值。通常实际工程应用中取a＝0.75～0.85。
例如：通光孔径为50mm，那么R＝25mm，取a＝0.8，电机机身长度L1＝85mm，步进电机步距角0.09°，丝杆导程1mm；考虑到线性轴承、滑块及各支座等结构件的安装尺寸，光阑底板尺寸L2＝335mm，所以耐高温大动态调节范围的电动光阑在X方向上的安装空间应大于L1+L2＝85+335＝420mm。综上，应依据结构紧凑设计原则及光阑滑板的滑动调节步长的精度来合理选取a的值。
所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述光阑顶板远离上通光孔的X向一侧设有滑道，滑道长边沿X向，滑道上下贯通光阑顶板，所述光阑滑板顶面连接有向上穿出滑道的滑块座，滑块座中固定有滑块，滑道朝向上通光孔的一端方向上的光阑顶板顶面设置有丝杆支座，丝杆支座中转动安装有中心轴沿X向的丝杆，所述步进电机输出轴通过联轴器与丝杆远离丝杆支座的一端传动连接，丝杆上通过螺纹装配有线性轴承，由线性轴承与丝杆构成丝杠螺母副，所述滑块与线性轴承固定连接。
所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述丝杆支座中俯仰转动安装有俯仰块，所述丝杆一端通过过渡接头转动连接于俯仰块，且过渡接头和俯仰块采用不同材料制成。
所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述步进电机通过电机支架安装于光阑底板X向另一端外，且光阑底板与电机支架之间设有电机支架隔热板。
所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述光阑底板底面设计为散热片结构。
所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述光阑顶板顶面设置有同轴连通在上通光孔孔口处的安装套筒。
所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述丝杆支座、滑块座均采用耐高温隔热材料制成。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1.本发明采用原创的光阑滑板指数函数曲线形状的切口，可以实现大动态范围调节，即最小开口面积比10-5的5个量级的调节范围。并在微光状态下能够完成更精密的调节，这一点已经在实际使用中得到验证。目前市面上的电动光阑(最小开口面积比10-3的3个量级的调节范围)还没有如此大的调节范围。
2.本发明部分部件创新的采用耐高温隔热材料(聚酰亚胺材料)，有效保护步进电机等核心部件，可在温度较高(理论温度200℃～250℃)的场合使用。在大功率的氙灯(目前试验功率4500W)焦点处可正常使用无故障。目前市面上的电动光阑的使用温度需低于100℃，无高温场合使用的电动光阑。
3.光阑底板采用散热片式设计，可有效将光阑口传导过来的热量散除，不会造成热量积累从而损坏装置。目前还无此类带散热片的光阑。
4.本发明电机采用步进式电机，可与工控机通信连接，实现自动控制，位置精度较高。目前国内此类光阑产品均为手动。
附图说明
图1是本发明电动光阑实际使用图
图2是本发明耐高温大动态调整范围电动光阑装置图。
图3是本发明耐高温大动态调整范围电动光阑装置仰视图。
图4是本发明电动光阑内部组件图一。
图5是本发明电动光阑滑块组件局部图。
图6是本发明光阑滑板组件图。
图7是本发明电动光阑内部组件图二。
图8是本发明光阑滑板切口原理图。
图9是三种切口示意图。
图10是三种切口形状光阑滑板对应通光比模拟结果。
图中标号为：1光阑顶板，2安装套筒，3光阑滑板，4罩壳，5步进电机，6电机支架，7电机支架隔热板，8光阑底板，9固定螺栓，10螺栓隔热套，11线性轴承，12滑块，13丝杆支座，14支座压块，15俯仰块，16过渡接头，17丝杆，18滑块座，19联轴器，20光源设备，21垫板，22螺钉，A第一切口曲线，B第二切口曲线，C第三切口曲线，D第四切口曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图7所示，一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，包括长边沿X向且呈水平的光阑底板8，光阑底板8顶部成型有长边沿X向的滑槽，滑槽的槽底位于X向一端设有竖直贯通光阑底板的下通光孔，光阑底板8上盖合连接有光阑顶板1，光阑顶板1对应下通光孔位置设有与下通光孔同轴连通且大小相同的上通光孔，光阑底板8的滑槽中沿X向滑动安装有光阑滑板3，光阑滑板3在Y向宽度大于上、下通光孔的直径，光阑滑板3的X向一端朝向上、下通光孔之间，且光阑滑板3朝向上、下通光孔之间的一端设计为指数函数曲线形状的切口，光阑底板8的X向另一端外安装有驱动光阑滑板3运动的步进电机5，光阑滑板3由步进电机5驱动能够滑动至切口遮盖在上、下通光孔之间。
如图8所示，光阑滑板3切口形状的指数函数曲线由构成连续曲线一的第一切口曲线A、第二切口曲线B，以及构成连续曲线二的第三切口曲线C、第四切口曲线D构成，连续曲线一、连续曲线二关于X轴对称，且连续曲线一中第一切口曲线A与连续曲线二中第三切口C曲线关于X轴对称，连续曲线一中第二切口曲线B与连续曲线二中第四切口D曲线关于X轴对称，第一切口曲线A在X-Y坐标系中的函数表达式为：
所述第二切口曲线在X-Y坐标系中的函数表达式为：
其中，R为电动光阑上、下通光孔半径，a的值取0～1范围内(即0＜a＜1)，当a的取值趋于0值时，曲线一及曲线二沿X方向变短，同等开口面积比的情况下光阑滑板的滑动调节步长变小，这不利于光阑滑板的滑动调节步长的精确调节。当a的取值趋于1值时，曲线一及曲线二沿X方向变长，同等开口面积比的情况下光阑滑板的滑动调节步长变大，这虽然有利于大动态范围的调节，但是光阑滑板的尺寸会变长，在空间安装尺寸受限的实际工程应用中无法安装。光阑滑板的滑动调节步长的精度是由步进电机步距角及丝杆导程决定的。综上，需要依据实际的安装空间及光阑滑板的滑动调节步长的精度合理确定a的取值。通常实际工程应用中取a＝0.75～0.85。
例如：通光孔径为50mm，那么R＝25mm，取a＝0.8，电机机身长度L1＝85mm，步进电机步距角0.09°，丝杆导程1mm；考虑到线性轴承、滑块及各支座等结构件的安装尺寸，光阑底板尺寸L2＝335mm，所以耐高温大动态调节范围的电动光阑在X方向上的安装空间应大于L1+L2＝85+335＝420mm。综上，应依据结构紧凑设计原则及光阑滑板的滑动调节步长的精度来合理选取a的值。
光阑顶板1远离上通光孔的X向一侧设有滑道，滑道长边沿X向，滑道上下贯通光阑顶板1，光阑滑板3顶面连接有向上穿出滑道的滑块座18，滑块座18中固定有滑块12，滑道朝向上通光孔的一端方向上的光阑顶板1顶面设置有丝杆支座13，丝杆支座13中转动安装有中心轴沿X向的丝杆17，步进电机5输出轴通过联轴器19与丝杆17远离丝杆支座的一端传动连接，丝杆17上通过螺纹装配有线性轴承11，由线性轴承11与丝杆17构成丝杠螺母副，滑块12与线性轴承11固定连接。
丝杆支座13中俯仰转动安装有俯仰块15，丝杆17一端通过过渡接头16转动连接于俯仰块15，且过渡接头16和俯仰块15采用不同材料制成。
步进电机5通过电机支架6安装于光阑底板8的X向另一端外，且光阑底板8与电机支架6之间设有电机支架隔热板7。
光阑底板8底面设计为散热片结构。
光阑顶板1顶面设置有同轴连通在上通光孔孔口处的安装套筒2。
丝杆支座13、滑块座18均采用耐高温隔热材料制成。
如图1、图2所示，本发明包括：光阑顶板1，光阑底板8，罩壳4，步进电机5，光阑滑板3和内部组件等组成。
光阑顶板通过螺栓与光阑底板固连，安装套筒2是电动光阑装置连接光源设备20的重要接口，安装套筒通过螺钉与光阑顶板1相连接。
如图3、图4所示，步进电机5通过螺栓与电机支架6连接。固定螺栓9穿过螺栓隔热套10将电机支架6与光阑底板8固连，在电机支架与光阑底板中间夹着电机支架隔热板7。通过螺栓隔热套及电机支架隔热板可以有效的将光阑口传递过来的热量阻断，使得热量无法传递到电机支架6及步进电机5上，从而切断通过电机支架传导到步进电机的热量传递途径。上述螺栓隔热套及电机支架隔热板均采用耐高温隔热材料(聚酰亚胺材料)。
电机输出轴通过联轴器19与丝杆17同步连接，完成扭矩由从步进电机端到丝杆的传递。丝杆的另一端通过过渡接头16与俯仰块15连接。过渡接头采用黄铜材料，俯仰块采用不锈钢材质，过渡接头可以在俯仰块中旋转，采用不同材料可以有效的减少磨损，延长寿命，而且无需润滑，从而保证步进电机传递过来的动力阻力小且不失精度。
支座压块14通过螺栓与丝杆支座13相连接。丝杆支座通过螺栓与光阑顶板1相连接。俯仰块通过支座压块与丝杆支座13相连接，俯仰块可在丝杆支座中进行俯仰方向的转动。通过俯仰方向自由度的释放，可以消除因装配引入的丝杆与光阑顶板竖直方向的不平行误差带来的转动卡顿阻力大的问题。丝杆支座13及支座压块14采用耐高温隔热材料(聚酰亚胺材料)加工制作。这样可以有效的阻断热量由光阑顶板1传递到俯仰块进而通过丝杆传递到步进电机，从而引起电机受热，影响电机寿命。
如图5、图6、图7所示，滑块12通过螺栓与线性轴承11固连，线性轴承可以随着丝杆的转动在丝杆上滑动。滑块安放在滑块座18的滑槽内。从而滑块带动滑块座进行滑动。滑块座18通过螺钉22及垫板21与光阑滑板相固连。滑块座采用耐高温隔热材料(聚酰亚胺材料)加工制作，这样可以有效的阻断热量由光阑滑板3传递到滑块12进而通过丝杆传递到步进电机，从而避免电机受热。电机驱动滑块，滑块带动滑块座移动，滑块座带动光阑滑板3移动，光阑滑板在光阑底板8的槽里滑动，从而改变通光面积，完成电动光阑动作。
如图8所示，光阑滑板3采用线切割加工，线切割技术所能加工的最小尺寸为0.2mm，结合误差控制及加工工艺，光阑滑板采用指数函数切口(参见图8中的切口曲线)。如图9建立坐标轴，第一切口曲线A的函数表达式为：
第二切口曲线B的函数表达式为：
第三切口曲线C、第四切口曲线D分别于第一切口曲线A及第二切口曲线B关于X轴对称(参见图8中的各切口曲线)。上式中的a值可通过软件模拟，取合适的值。R为电动光阑的口径。
举例：以口径为50mm的电动光阑为例，通过软件模拟可取a＝0.8，R＝50mm。代入①、②式中。
第一切口曲线A的函数表达式为：
y＝12.5x0.8x+0.1(0≤x＜21.7mm)，
第二切口曲线B的函数表达式为：
y＝12.5(-0.8-x+2)+0.1(--21.7mm＜x＜0)，
第三切口曲线C、第四切口曲线D分别于第一切口曲线A及第二切口曲线B关于X轴对称。根据得出的切口曲线A、B、C和D的函数表达式，即可确定光阑滑板的外形尺寸。
相对于市面上的平面切口及三角切口的电动光阑滑板(参见图9)，指数切口的光阑滑板可以达到最小开口面积比10-5的要求，并具有在微光状态下调节步长更小(参见图10)，能够完成更精密的调节，在5个量级的调节范围内可以实现更精细的调节，更有利于辐射定标时最优辐亮度的选择。

Claims (8)

1.一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：包括长边沿X向且呈水平的光阑底板，光阑底板顶部成型有长边沿X向的滑槽，滑槽的槽底位于X向一端设有竖直贯通光阑底板的下通光孔，光阑底板上盖合连接有光阑顶板，光阑顶板对应下通光孔位置设有与下通光孔同轴连通且大小相同的上通光孔，所述光阑底板的滑槽中沿X向滑动安装有光阑滑板，光阑滑板在Y向宽度大于上、下通光孔的直径，光阑滑板的X向一端朝向上、下通光孔之间，且光阑滑板朝向上、下通光孔之间的一端设计为指数函数曲线形状的切口，光阑底板X向另一端外安装有驱动光阑滑板运动的步进电机，光阑滑板由步进电机驱动能够滑动至切口遮盖在上、下通光孔之间。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：光阑滑板切口形状的指数函数曲线由构成连续曲线一的第一切口曲线、第二切口曲线，以及构成连续曲线二的第三切口曲线、第四切口曲线构成，连续曲线一、连续曲线二关于X轴对称，且连续曲线一中第一切口曲线与连续曲线二中第三切口曲线关于X轴对称，连续曲线一中第二切口曲线与连续曲线二中第四切口曲线关于X轴对称，所述第一切口曲线在X-Y坐标系中的函数表达式为：
所述第二切口曲线在X-Y坐标系中的函数表达式为：
其中，R为电动光阑上、下通光孔半径，a的值取0～1范围内(即0＜a＜1)，当a的取值趋于0值时，曲线一及曲线二沿X方向变短，同等开口面积比的情况下光阑滑板的滑动调节步长变小，这不利于光阑滑板的滑动调节步长的精确调节，当a的取值趋于1值时，曲线一及曲线二沿X方向变长，同等开口面积比的情况下光阑滑板的滑动调节步长变大，这虽然有利于大动态范围的调节，但是光阑滑板的尺寸会变长，在空间安装尺寸受限的实际工程应用中无法安装，光阑滑板的滑动调节步长的精度是由步进电机步距角及丝杆导程决定的，综上，需要依据实际的安装空间及光阑滑板的滑动调节步长的精度合理确定a的取值，通常实际工程应用中取a＝0.75～0.85。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述光阑顶板远离上通光孔的X向一侧设有滑道，滑道长边沿X向，滑道上下贯通光阑顶板，所述光阑滑板顶面连接有向上穿出滑道的滑块座，滑块座中固定有滑块，滑道朝向上通光孔的一端方向上的光阑顶板顶面设置有丝杆支座，丝杆支座中转动安装有中心轴沿X向的丝杆，所述步进电机输出轴通过联轴器与丝杆远离丝杆支座的一端传动连接，丝杆上通过螺纹装配有线性轴承，由线性轴承与丝杆构成丝杠螺母副，所述滑块与线性轴承固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述丝杆支座中俯仰转动安装有俯仰块，所述丝杆一端通过过渡接头转动连接于俯仰块，且过渡接头和俯仰块采用不同材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述步进电机通过电机支架安装于光阑底板X向另一端外，且光阑底板与电机支架之间设有电机支架隔热板。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述光阑底板底面设计为散热片结构。
7.根据权利要求1所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述光阑顶板顶面设置有同轴连通在上通光孔孔口处的安装套筒。
8.根据权利要求1所述的一种耐高温大动态调节范围的电动光阑，其特征在于：所述丝杆支座、滑块座均采用耐高温隔热材料制成。
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