CN111722352A - 一种高精度调焦镜组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调焦镜组，为解决高分辨率空间相机的调焦装置中，凸轮调焦装置对凸轮曲线加工精度要求高，丝杠螺母调焦装置运动中易卡滞的技术问题，提供一种高精度调焦镜组，包括驱动单元、电机支架、连接板、镜座、镜框和三个柔性调节单元；镜座套设安装于镜框内，镜组安装在镜座上；连接板安装在镜座顶部；驱动单元的输出端同轴连接螺杆，螺杆上套设安装有两个与螺杆相适配的螺母，两个螺母之间的螺杆上套设安装有两个螺母连接板，两个螺母连接板分别与相邻的螺母固定连接；柔性调节单元包括柔性片和柔性杠杆；柔性片的一端与两个螺母连接板相连，另一端与柔性杠杆的一端相连；柔性杠杆的另一端为分叉结构，一侧与连接板相连，另一侧与镜框相连。

Description

一种高精度调焦镜组

技术领域

本发明涉及调焦镜组，具体涉及一种高精度调焦镜组。

背景技术

高分辨率空间相机在使用时由于受空间环境中压强、温度、重力等因素的影响，会引起光学系统产生微小的离焦量。为保证相机成像质量，必须使拍摄目标准确地落在相机探测器感光面上，若调焦精度不够，则会导致像点离散，从而影响成像质量。因此，高精度的调焦系统至关重要。

目前，调焦装置主要有两种：凸轮调焦装置和丝杠螺母调焦装置。凸轮调焦装置结构简单，装配工艺要求低，且具有较好的抗冲击性能，但凸轮曲线加工精度要求较高，导致成本增加。丝杠螺母调焦装置质量轻、体积小，但在运动中容易产生卡滞，导致调焦精度低。

发明内容

本发明为解决现有高分辨率空间相机的调焦装置中，凸轮调焦装置对凸轮曲线加工精度要求高，导致成本增加，而丝杠螺母调焦装置运动中易卡滞，导致调焦精度低的技术问题，提供一种高精度调焦镜组。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高精度调焦镜组，包括镜组，其特殊之处在于，还包括驱动单元、电机支架、连接板、镜座、镜框和三个柔性调节单元；

所述镜座套设安装于镜框内，镜座与镜框间隙配合，镜组安装在镜座上；

所述连接板安装在镜座顶部；

所述驱动单元固定于电机支架上，电机支架固定在镜框上，驱动单元的输出端同轴连接螺杆，螺杆上套设安装有两个与螺杆相适配的螺母，两个螺母之间的螺杆上套设安装有两个螺母连接板，两个螺母连接板分别与相邻的螺母固定连接；

三个所述柔性调节单元沿镜座的周向相互呈120°夹角设置，螺杆位于三个柔性调节单元的中心处；柔性调节单元包括柔性片和柔性杠杆；

所述柔性片的一端与两个螺母连接板相连，另一端与柔性杠杆的一端相连；所述柔性杠杆的另一端为分叉结构，所述分叉结构的一侧与连接板相连，另一侧与镜框相连。

进一步地，两个所述螺母连接板的相对面上分别设有三棱柱状楔块，所述柔性片插接在两个楔块的斜面之间。

进一步地，所述柔性杠杆呈四棱锥状，顶部呈斜面设置，柔性片通过压板连接在斜面处，底面为分叉结构。

进一步地，所述柔性杠杆的动力臂与阻力臂长度比为10：1。

进一步地，所述分叉结构呈门字型。

进一步地，所述柔性杠杆门字型分叉结构处侧壁的厚度为1mm，所述连接板的厚度为4mm。

进一步地，所述连接板边沿与镜座顶部之间沿周向均匀设置有三处缺口，所述柔性杠杆的分叉结构跨接在缺口处；连接板上沿周向均匀开设有多个减重孔。

进一步地，所述电机支架包括支板和多个支腿；

多个所述支腿沿支板边缘周向均布，呈倾斜设置，支腿一端固定于镜框上，另一端与支板相连；

所述支板中心处设有通孔，驱动单元安装在支板的底部，输出端穿过通孔设置。

进一步地，所述镜框为两端开口的中空柱状，镜框的内表面沿周向设有安装凸台；

所述支腿和所述柔性杠杆均安装在安装凸台上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明高精度调焦镜组中的调焦部分，相较于现有利用凸轮曲线进行调焦的方式，机械传动链环节少，能减少多环节间的误差，实现更高精度的调焦，有效简化了调焦部分的传动链环节；驱动单元通过螺杆驱动两个螺母同向运动，通过螺母连接板带动柔性片的一端微小移动，进而带动柔性片的另一端、柔性杠杆与柔性片相连的一端形变，柔性杠杆的微小形变使连接板发生形变，进而带动镜座沿光轴轴向微小运动，经验证，能够实现精度优于1μm的调焦精度；本发明的调焦镜组调焦精度高且结构紧凑简单。

2.本发明中柔性片与螺母连接板通过两个楔块连接，使螺母连接板向柔性片沿直线方向传递力，传动方式简单，便于设计计算。

3.本发明中柔性杠杆呈四棱锥状，柔性片通过压板连接在柔性杠杆顶点处的斜面上，使柔性片整体呈直线状连接，且力的传递方向沿直线传递，整体结构更加简单，设计更加便捷。

4.本发明中柔性杠杆的动力臂与阻力臂长度比为10：1，分叉结构呈门字型且侧壁厚度为1mm，都是为了既保证柔性杠杆的弯曲量，又要保证柔性杠杆的使用寿命，使其不易折损；另外，连接板的厚度设计为4mm，保证传动的有效性，也能够匹配镜组的调焦要求。

5.本发明的连接板上设置有缺口和减重孔，能够有效降低连接板和整个镜组的重量。

6.本发明中电机支架和驱动单元的结构设计，使整体布局更加合理，有利于镜组整体的小型化。

7.本发明中镜框内表面上设置的安装凸台，便于支腿和柔性杠杆的安装连接，设计更加合理。

附图说明

图1为本发明高精度调焦镜组实施例的结构示意图(未示出镜框)；

图2为本发明高精度调焦镜组实施例示出镜框后的结构示意图；

图3为本发明图1中楔块的结构示意图；

图4为本发明实施例中前六阶模态变化趋势图。

其中，1-驱动单元、2-电机支架、201-支板、202-支腿、3-连接板、4-镜座、5-镜框、6-螺杆、7-螺母、8-螺母连接板、901-柔性片、902-柔性杠杆、10-缺口、11-楔块、12-压板。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

传统调焦装置由于机械传动链中各环节固有的误差，无法实现高精度调焦，本发明利用柔性调节单元的微小弹性变形，来实现精度优于1μm的调焦，同时简化传动链，调焦镜组中的调焦部分整体质量较轻，可设计为约722g，外形尺寸也可设计为较小尺寸，至160mm×160mm×120mm，能够实现高精度调焦且质量轻、体积小、结构简单。

如图1和图2所示，本发明提供了一种高精度调焦镜组，包括驱动单元1、电机支架2、连接板3、镜座4、镜框5和三个柔性调节单元。

镜座4套设安装于镜框5内，镜座4与镜框5间隙配合，径向间隙约为1mm，实际应用时，为了规避镜座4与镜框5之间间隙造成的轴向偏转，往往会配置其他结构与间隙配合搭配使用，可直接采用现有镜座4与镜框5的安装结构，不在本发明中具体介绍，镜组安装在镜座4上。

为了便于与其他部件安装连接，镜框5为两端开口的中空圆柱状，镜框5的内表面沿周向设有安装凸台，镜框5的具体内外部形状并不受限，可根据实际使用和设计需要进行适应性调整。

驱动单元1固定于电机支架2上，电机支架2固定在镜框5上。作为一种优选方案，电机支架2包括支板201和多个支腿202，多个支腿202沿周向均布，呈倾斜设置，支腿一端固定于镜框5内的安装凸台上，另一端与支板201相连。支板201中心处设有通孔，驱动单元1安装在支板201的底部，位于多个支腿202围成区域的几何中心处，驱动单元1的输出端穿过通孔设置，使驱动单元1的安装位置更合理，集成度更高，有利于镜组整体的小型化。

驱动单元1的输出端同轴连接螺杆6，螺杆6上套设安装有两个与螺杆6相适配的螺母7，两个螺母7之间的螺杆6上套设安装有两个螺母连接板8，两个螺母连接板8分别与相邻的螺母固定连接。驱动单元1可采用步距角为0.9°的减速电机驱动，电机带动螺杆6旋转，进而带动两个螺母7同向沿螺杆6移动，两个螺母连接板8也能够同步运动。

三个柔性调节单元沿镜座4的周向相互呈120°夹角设置，螺杆6位于三个柔性调节单元的中心处。柔性调节单元包括柔性片901和柔性杠杆902；柔性片901的一端与两个螺母连接板8相连，另一端与柔性杠杆902的一端相连，与螺母连接板8是通过如图3所示的楔块11进行连接的，两个螺母连接板8的相对面上分别设有三棱柱状楔块11，所柔性片901插接在两个楔块11的斜面之间，两个楔块11恰好组成一个长方体，柔性片901位于长方体的对角线上，柔性杠杆902呈四棱锥状，顶点处呈斜面设置，柔性片901通过压板12连接在斜面处，使柔性片901整体沿直线延伸，设计更加合理。柔性杠杆902的底面为分叉结构，呈门字型，一侧与连接板3相连，作为优选，该侧的侧壁厚度为1mm，利用弹性变形，将运动传递至连接板3，另一侧安装在镜框5内的安装凸台上。连接板3位于镜座4的顶部，和镜座4相连，连接板厚度约为4mm，产生微小变形，带动镜座4沿着光轴方向运动。

三个柔性调节单元相互呈120°放置，驱动单元1为减速电机，提供镜组调焦所需的运动，螺杆6上的螺母7移动时，通过柔性调节单元驱动镜座4和镜组，使镜组沿光轴方向精确移动。本发明可以精确调节镜组，使其能够在工作行程内的任何点都能保持稳定位置，且调焦精度优于1μm，调焦行程超过±100μm，可进行精细的位移调节，又具有较高的刚度。

为了进一步减轻重量，连接板3边沿与镜座4顶部之间沿周向均设有三处缺口10，柔性杠杆902的分叉结构跨接在缺口处连接板3上沿周向均匀开设有多个减重孔，另外，柔性杠杆902的侧面也可适当开槽，以减轻整体重量。

调焦原理为：驱动单元1作为动力来源带动螺杆6转动，两个螺母7和两个螺母连接板8沿螺杆6同向直线运动，将旋转运动转化为直线运动，进而带动柔性片901运动，柔性调节单元提供沿光轴方向移动的运动，限制其他方向的转动和移动自由度，保证运动的稳定性，柔性片901将运动传递至柔性杠杆902，柔性杠杆902优选的动力臂与阻力臂比值约为10:1，柔性杠杆902输出端将产生的微小形变传递至连接板3，带动镜座4沿着光轴方向运动，连接板3作为末端执行机构，直接反应调焦量的大小。

如表1所示，进行调焦定位误差测量，得到调焦误差为0.8μm，调焦精度优于1μm。

表1调焦定位误差测量结果表

测量点序号	预期位置/mm	实际位置/mm	位置偏差/μm
				1	0.004	0.00430	0.30
2	0.008	0.00828	0.28
				3	0.012	0.01243	0.43
4	0.016	0.01650	0.50
				5	0.02	0.01998	-0.02
6	0.024	0.02358	-0.42
				7	0.028	0.02740	-0.60
8	0.032	0.03170	-0.30
				9	0.036	0.03623	0.23
10	0.04	0.04040	0.40
				11	0.044	0.04480	0.80

从图4中可以看出调焦镜组基频约为260Hz，动态力学性能好，刚度高，可满足航天精度要求。

本发明的应用范围广泛，能够用于次镜、反射镜等的调焦，经仿真验证，能够满足高分辨率空间相机的调焦精度和使用需求的要求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种高精度调焦镜组，包括镜组，其特征在于：还包括驱动单元(1)、电机支架(2)、连接板(3)、镜座(4)、镜框(5)和三个柔性调节单元；

所述镜座(4)套设安装于镜框(5)内，镜座(4)与镜框(5)间隙配合，镜组安装在镜座(4)上；

所述连接板(3)安装在镜座(4)顶部；

所述驱动单元(1)固定于电机支架(2)上，电机支架(2)固定在镜框(5)上，驱动单元(1)的输出端同轴连接螺杆(6)，螺杆(6)上套设安装有两个与螺杆(6)相适配的螺母(7)，两个螺母(7)之间的螺杆(6)上套设安装有两个螺母连接板(8)，两个螺母连接板(8)分别与相邻的螺母(7)固定连接；

三个所述柔性调节单元沿镜框(5)的周向均布；柔性调节单元包括柔性片(901)和柔性杠杆(902)；

所述柔性片(901)的一端与两个螺母连接板(8)相连，另一端与柔性杠杆(902)的一端相连；所述柔性杠杆(902)的另一端为分叉结构，所述分叉结构的一侧与连接板(3)相连，另一侧与镜框(5)相连。

2.如权利要求1所述一种高精度调焦镜组，其特征在于：两个所述螺母连接板(8)的相对面上分别设有三棱柱状楔块(11)，所述柔性片(901)插接在两个楔块(11)的斜面之间。

3.如权利要求1或2所述一种高精度调焦镜组，其特征在于：所述柔性杠杆(902)呈四棱锥状，顶部呈斜面设置，柔性片(901)通过压板(12)连接在斜面处。

4.如权利要求3所述一种高精度调焦镜组，其特征在于：所述柔性杠杆(902)的动力臂与阻力臂长度比为10：1。

5.如权利要求4所述一种高精度调焦镜组，其特征在于：所述分叉结构呈门字型。

6.如权利要求5所述一种高精度调焦镜组，其特征在于：所述柔性杠杆(902)门字型分叉结构处侧壁的厚度为1mm，所述连接板(3)的厚度为4mm。

7.如权利要求6所述一种高精度调焦镜组，其特征在于：所述连接板(3)边沿与镜座(4)顶部之间沿周向均匀设置有三处缺口(10)，所述柔性杠杆(902)的分叉结构跨接在缺口处；连接板(3)上沿周向均匀开设有多个减重孔。

8.如权利要求7所述一种高精度调焦镜组，其特征在于：所述电机支架(2)包括支板(201)和多个支腿(202)；

多个所述支腿(202)沿支板(201)边缘周向均布，呈倾斜设置，支腿一端固定于镜框(5)上，另一端与支板(201)相连；

所述支板(201)中心处设有通孔，驱动单元(1)安装在支板(201)的底部，输出端穿过通孔设置。

9.如权利要求8所述一种高精度调焦镜组，其特征在于：所述镜框(5)为两端开口的中空柱状，镜框(5)的内表面沿周向设有安装凸台；

所述支腿(202)和所述柔性杠杆(902)均安装在安装凸台上。

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