CN111880354B - 一种用于真空环境的机械快门 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于真空环境的机械快门，包括快门底座(1)，在快门底座(1)上设置有通光孔(101)，在快门底座(1)内设置有电磁铁(2)和遮光部(3)，遮光部(3)具有驱动部(31)和遮光板(32)，在驱动部(31)上设置永磁体(311)，电磁铁(2)磁极指向永磁体(311)。本发明所述的用于真空环境的机械快门，具有结构简单、尺寸小、无污染、可靠性高、响应速度可达毫秒级等诸多优点。

Description

一种用于真空环境的机械快门

技术领域

本发明涉及一种机械快门，尤其是一种用于高真空环境的机械快门，属于摄像领域。

背景技术

在一些光学实验中，需要利用相机采集光的成像信息以获取实验数据，其中机械快门是控制相机曝光时间的关键器件，对相机的成像质量产生直接影响。

光学实验环境，不同于常规相机使用环境，除对快门响应时间和动作时间有极高要求，在使用高能量激光的光学实验中，激光可达TW甚至PW级别，如此高能量的激光下，相机直接接受高能量激光信号会对其造成损伤，为了避免高能量激光对相机“误伤”，需要使用机械快门来对相机进行保护。

此外，在一些光学实验中，尤其是强激光实验中，涉及真空环境，且由于实验空间非常狭小，光学实验中复杂的光路实验设备又会占据很大的空间，为了避免快门对光路产生阻碍，快门的尺寸大小以及快门对真空环境影响度有着特殊要求。

传统的机械快门驱动方式多为电机驱动，但电机结构往往含有润滑油脂，润滑油脂在真空环境下会出现挥发现象，挥发的有机物在真空中扩散，会污染光学器件(例如光学镜片、光栅等)表面，严重影响光学实验效果，甚至会损坏光学器件。此外，采用电机驱动的机械快门多为通过调整电机步进量配合弹簧或机械传动结构来实现曝光时间的控制，在需要调整曝光时间时，由于涉及部件多，影响因素多，需要反复的测试调整才能达到预期的曝光时间，使用时操作繁琐。

此外，传统的机械快门多通过连杆、棘轮、旋转等结构实现遮光板的移动，此种快门开闭结构相对复杂，导致快门尺寸偏大，难以满足狭小空间下的光学实验中尺寸要求。

现有技术中还有采用电磁驱动，旋转传动的方式控制遮光板移动的机械快门，如申请号为201110444477.5的发明专利，但此种设计旋转空间较大，不利于快门尺寸的控制，且遮光片受到的磁场力不均，导致旋转速度不易控制，进而难以实现对曝光时间的精确控制，其复位过程也同样存在较多不确定性，遮光片极容易出现无法复位到初始位置的情况，最终导致曝光失误，甚至造成相机的损毁。

因此，有必要设计一种结构精简、尺寸小，适用于高真空环境的机械快门。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种包括快门底座1，在快门底座1上设置有通光孔101，在快门底座1内设置有遮光部3_。

进一步地，在快门底座1内设置有电磁铁2，所述遮光部3上设置有永磁体311。

根据本发明，所述遮光部3具有驱动部31和遮光板32，所述永磁体311设置在驱动部31上，电磁铁2磁极指向永磁体311，使得电磁铁2通电时，驱动部31能够带动遮光板靠近或远离电磁铁2。

在一个优选的实施方式中，所述永磁体311质心位于电磁铁2轴线上。

优选地，所述快门底座1内设置有平行于电磁铁2轴线的导轨11，所述驱动部31能够沿导轨11滑动。

更优选地，所述导轨11为矩形槽体，所述驱动部31具有与导轨11相应的凸起，使得驱动部31能够沿导轨11滑动。

根据本发明，所述导轨11两端具有限位挡板12。

优选地，所述电磁铁2具有两个，分别在驱动部31的两端。

在一个优选的实施方式中，所述快门底座1上具有盖板13。

根据本发明的一个优选实施方式，在快门底座1上设置有安装孔15；

在另一个优选的实施方式中，在所述快门底座1上设置有镜头连接螺纹16，所述镜头连接螺纹16与通光孔101同轴心，在盖板13上设置有相机连接螺纹131，所述相机连接螺纹131与通光孔101同轴心。

本发明所述的一种用于真空环境的机械快门，具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的真空环境的机械快门，极大限度地使机械快门的结构变得更加简单，从而使得机械快门尺寸变小，适用于空间狭小的环境中，在相同通过孔径和曝光时间条件下，本发明的结构尺寸可使用范围远远超过其他同类用途产品，尤其需要在细小的真空管道内安装机械快门时，本发明更是具有绝对优势；

(2)根据本发明提供的真空环境的机械快门，解决了高真空环境下光学实验对机械快门油污产生的问题；

(3)根据本发明提供的真空环境的机械快门，快门的操作简单、可靠性高、快门的开关动作时间可达到毫秒级；

(4)根据本发明提供的真空环境的机械快门，可实现在无机械快门的CS接口相机和C接口镜头之间加装快门的功能，使加装后的相机应用用途更广泛，特别是在强光实验中可实现对相机感光芯片的保护，避免漏光或误操作对相机的破坏。

附图说明

图1示出一种优选实施方式的用于真空环境的机械快门结构示意图；

图2示出一种优选实施方式的用于真空环境的机械快门结构快门关闭状态示意图；

图3示出一种优选实施方式的用于真空环境的机械快门结构快门打开状态示意图；

图4示出一种优选实施方式的用于真空环境的机械快门结构示意图；

图5示出一种优选实施方式的用于真空环境的机械快门结构示意图；

图6示出一种优选实施方式的用于真空环境的机械快门与相机、相机镜头连接结构示意图。

附图标号说明

1-快门底座；

2-电磁铁；

3-遮光部

11-导轨

12-限位挡板；

13-盖板；

14-线槽；

15-安装孔；

16-镜头连接螺纹；

31-驱动部；

32-遮光板；

101-通光孔；

131-相机连接螺纹；

311-永磁体；

8-相机；

9-相机镜头。

具体实施方式

下面通过附图对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

本发明提供了一种用于高真空环境光学实验的机械快门，包括快门底座1，在快门底座1上设置有通光孔101，如图1所示。

所述通光孔101贯穿快门底座1，在快门底座1内设置有电磁铁2和遮光部3，所述遮光部3上设置有永磁体311。

在本发明中，采用电磁驱动遮光部3，替代传统的电机驱动，解决了电机润滑油脂在真空情况下挥发影响实验效果、污染光学器件的问题。

所述遮光部3具有驱动部31和遮光板32，所述遮光板32截面大于通光孔101，在无需曝光时遮挡通光孔101。

在一个优选的实施方式中，所述遮光板32为平板状结构，固定连接在驱动部31下端，随着驱动部31移动。

优选地，遮光板32截面的内切圆直径比通光孔101孔径大1～3mm，更优选2mm，既保证遮光板32能够完全遮挡通光孔101，避免出现漏光现象，又提高了遮光板32的响应速度，避免由于遮光板32尺寸偏大造成的移动速度降低、移动距离增加等现象。

根据本发明，所述遮光板32与快门底座1内侧之间的距离小于0.5mm，优选小于0.2mm，以保证遮光板32遮挡住通光孔101后，快门无透光现象。

进一步地，所述永磁体311设置在驱动部31上，电磁铁2磁极指向永磁体311，使得电磁铁2通电时，驱动部31能够带动遮光板靠近或远离电磁铁2。

在光学实验中，对快门的响应时间、动作时间的要求极高，传统的电磁驱动快门难以达到实验要求，根据本发明一个优选的实施方式，所述永磁体311质心位于电磁铁2轴线上，使得电磁铁2通电时，驱动部31受到的驱动力最大，从而达到提高机械快门动作速度，实现快速响应的效果，使得电磁驱动快门能够应用于光学实验中，快门响应可达到毫秒级。

进一步地，永磁体311质心位于电磁铁2轴线上，还减少了永磁体311受力情况的复杂程度，使得遮光部3的受力与电磁铁2电流大小呈线性关系，进而使得使得永磁体311受力状态更容易分析，从而使得遮光部的响应时间便于计算，利于实验后期的分析工作。

根据本发明，所述快门底座1内设置有导轨11，所述驱动部31能够沿导轨11滑动，进一步地，所述导轨11平行于电磁铁2轴线，导轨11既能够引导驱动部31的滑动，同时还起到支撑遮光部3的作用。

驱动部31带动遮光板32沿导轨11进行直线往复运动，相较于传统的遮光板32以旋转运动的结构对通光孔101进行遮挡、曝光，节约了快门底座1的内部空间，使得快门底座1的结构更加简单。同时，直线往复运动相较于旋转运动，遮光板32受力方向与磁场提供力的方向不存在夹角，对磁场力大小要求降低，可以减小电磁铁和/或永磁体的体积，从而有效实现了机械快门尺寸的减小，使得其能够安装在空间狭小的光学实验中，尤其是能够安装在细小的真空管道内。

在一个优选的实施方式中，所述导轨11为矩形槽体，所述驱动部31具有与导轨11相应的凸起，使得驱动部31能够沿导轨11滑动。

根据本发明一个优选的实施方式，在所述导轨11的两端，还设置有限位挡板12以限制驱动部31的移动范围，使得驱动部31运动到限位挡板12位置时，遮光板32能够完全的遮挡住通光孔101或者完全不对通光孔101进行遮挡。

在一个优选的实施方式中，所述电磁铁2具有两个，分别在驱动部31的两端，两个电磁铁2共同驱动驱动部31，达到协同增效的效果。

具体地，如图2所示，当两个电磁铁2均为断电无磁状态，遮光部3中的永磁体311由于磁力和左侧电磁体2铁芯吸附，使得驱动部31贴在左侧的限位挡板12上，快门处在关闭状态；当两个电磁铁同时通电，左侧电磁铁产生与永磁体左侧磁极相同的磁极，右侧电磁铁产生与永磁体右侧磁极相反的磁极，这样在左侧电磁铁斥力和右侧电磁铁吸力的作用下，永磁体311带动遮光部3沿着导轨11向右运动，驱动部31碰触到右侧限位挡板12时停止运动，快门打开，如图3所示，此时停止通电，遮光部3中的永磁体311由于磁力和右侧电磁体2铁芯吸附，使得驱动部31贴在右侧的限位挡板12上，快门保持打开状态；当两个电磁铁2同时同时通电，并改变电流方向，两个电磁铁2的磁极变换，分别与打开状态下各自的磁极相反，即左侧电磁铁2磁极与永磁体311左侧磁极相反，右侧电磁铁2磁极和永磁体311右侧磁极相同，在右侧电磁铁2斥力和左侧电磁铁2吸力的作用下，永磁体311带动遮光部3沿着导轨11向左运动，驱动部31碰触到左侧限位挡板12时停止运动，并贴在左侧限位挡板12上，快门关闭。

在真空的环境中，由于热量传导效率低，电磁铁长时间通电会造成严重的发热，导致电磁铁温度过高进而无法正常工作。

在本发明中，快门响应速度快，毫秒级即可完成打开或关闭过程。进一步地，由于快门保持在打开和关闭状态无需对电磁铁通电，当需要打开和关闭快门，电磁铁通电时间也仅为毫秒级，解决了电磁铁发热失效问题，使得机械快门能够应用于长时间真空环境下的光学实验。

根据本发明一种优选的实施方式，所述电磁铁2通过螺栓固定在快门底座1内部，所述快门底座1还具有盖板13，以方便电磁铁2和遮光部3的安装，优选地，在盖板13上设置有与导轨11对应的盖板导轨，以提高遮光部3的滑动稳定性；进一步地，在盖板13上还设置有与通光孔101对应的盖板通光孔，使得光路能够从通光孔101穿过机械快门。

根据本发明，在快门底座1上还设置有线槽14，将电磁铁2的导线引出快门底座1。

在本发明中，所述快门底座1、遮光部3优选为由聚四氟乙烯材料或金属铝制成，聚四氟乙烯材料或金属铝具有真空放气率低、密度小、加工性能好的优点，尤其适合于高真空环境下的光学实验使用。

在一个优选的实施方式中，在快门底座1上还设置有安装孔15，所述安装孔15具有螺纹，用于将快门底座1固定在光学实验仪器上。在本发明中，对安装孔15的位置不做特别限定，可以是在快门底座1的上方、下方或侧方，只要能够实现对快门底座1的固定即可。

常见的工业相机和相机镜头之间的接口包括C接口、CS接口、M接口等，其中，相机接口为CS接口、相机镜头为C接口时，需要增加转接环，转接环转接的厚度为5mm，使得镜头成像信息能够准确的落在相机感光区域。

在另一个优选的实施方式中，所述快门底座1在通光孔101处的厚度小于安装电磁铁2处的厚度，如图4、图5所示，进一步地，在所述快门底座1上设置有镜头连接螺纹16，所述镜头连接螺纹16与通光孔101同轴心，使得快门底座1能够安装C接口的相机镜头。

更进一步地，在盖板13上设置有相机连接螺纹131，所述相机连接螺纹131与通光孔101同轴心，且贯穿盖板13，使得盖板13能够安装在CS接口的相机上，如图6所示。

更进一步地，所述盖板13内侧到镜头连接螺纹16底部的距离为5mm，镜头成像信息能够准确的落在相机感光区域，其中，所述盖板13内侧是指盖板13靠近快门底座1的一侧；所述镜头连接螺纹16底部是指快门底座1与相机镜头接触面。

通过机械快门将相机8与相机镜头9连接，解决了相机与镜头连接处空间狭小，无法外加机械快门的问题，使得没有机械快门的CS接口相机也能够连接C口镜头，同时，还起到了在强光实验中对相机感光芯片保护，避免漏光或误操作对相机的破坏。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于真空环境的机械快门，包括快门底座（1），在快门底座（1）上设置有通光孔（101），在快门底座（1）内设置有遮光部（3）；

在快门底座（1）内设置有电磁铁（2），所述遮光部（3）上设置有永磁体（311）；

所述遮光部（3）具有驱动部（31）和遮光板（32），所述永磁体（311）设置在驱动部（31）上，电磁铁（2）磁极指向永磁体（311），使得电磁铁（2）通电时，驱动部（31）能够带动遮光板靠近或远离电磁铁（2）；

所述永磁体（311）质心位于电磁铁（2）轴线上；

所述电磁铁（2）具有两个，分别在驱动部（31）的两端；

所述快门底座（1）内设置有平行于电磁铁（2）轴线的导轨（11），所述驱动部（31）能够沿导轨（11）滑动。

2.根据权利要求1所述的用于真空环境的机械快门，其特征在于，

所述导轨（11）为矩形槽体，所述驱动部（31）具有与导轨（11）相应的凸起，使得驱动部（31）能够沿导轨（11）滑动。

3.根据权利要求1所述的用于真空环境的机械快门，其特征在于，

所述导轨（11）两端具有限位挡板（12）。

4.根据权利要求1所述的用于真空环境的机械快门，其特征在于，

所述快门底座（1）上具有盖板（13）。

5.根据权利要求1所述的用于真空环境的机械快门，其特征在于，

在快门底座（1）上设置有安装孔（15）；

在所述快门底座（1）上设置有镜头连接螺纹（16），所述镜头连接螺纹（16）与通光孔（101）同轴心，在盖板（13）上设置有相机连接螺纹（131），所述相机连接螺纹（131）与通光孔（101）同轴心。

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