CN112255865B - 一种超轻型碳纤维遥感相机结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超轻型碳纤维遥感相机结构，包括：反射镜组件，反射镜组件包括承力塔，承力塔被配置为拼接式结构，承力塔的一端连接有次镜，且承力塔的外圆周套设有主反射镜，承力塔穿过主反射镜、且远离次镜的一端连接有基板；能够拆卸地套设在反射镜组件外表面的遮光罩；基板远离主反射镜的一端连接有焦面组件；穿过基板中心且与基板相连的透镜组件，透镜组件用以校正相机光学系统像差。本发明的一种超轻型碳纤维遥感相机结构采用中心承力塔式支撑方案，中心支撑次镜，降低支撑框架的整体重量，保证了反射镜系统的支撑刚度和面形；减小了支撑框架的整体尺寸，节省了空间，实用性强。

Description

一种超轻型碳纤维遥感相机结构
技术领域
本发明涉及空间遥感技术领域，尤其涉及一种超轻型碳纤维遥感相机结构。
背景技术
随着国家经济实力的增长，科学技术的进步和社会可持续发展的需要，中国的地球空间信息科学与技术，包括摄影测量与遥感在内，在今后若干年内将出现更加飞速发展的大好时机，空间遥感相机是由CCD等所构成高级光学系统，是搭载在卫星上用来获取地球目标信息的传感器。被广泛用于资源普查、地形测绘、军事侦察等许多领域。随着航天遥感技术的不断发展,遥感相机对地分辨率不断提高。空间遥感(特别是红外遥感技术)在资源调查、环境监测、大气和海洋观测、地球辐射测量和天文观测以及军事等方面拥有广阔的应用前景。
碳纤维反射镜的密度低、比刚度高且热性能优良。因此，选择性很多，既可以制成薄型结构，也可以制成蜂窝型的中空结构，能够满足空间光学遥感相机的轻量化要求。最近，在国内外的光学遥感领域应用广泛。
现有技术中，碳纤维反射镜大多都是薄型结构。为了提高支撑刚度，主镜和次镜之间多采用三脚架式支撑方案。三脚架的上端连接次镜，下端连接主镜基板，使反射镜系统的支撑刚度不够，这种情况下的主镜基板尺寸通常都做的很大，影响了进一步轻量化设计，整机重量偏高。
基于上述技术问题，本领域的技术人员急需研发一种能够保证反射镜系统的支撑刚度和面形，节省空间，且能够降低整机重量的超轻型碳纤维遥感相机结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够保证反射镜系统的支撑刚度和面形，节省空间，且能够降低整机重量的超轻型碳纤维遥感相机结构。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，该碳纤维遥感相机结构包括：
反射镜组件，所述反射镜组件包括承力塔，所述承力塔被配置为拼接式结构，所述承力塔一端连接有次镜，且所述承力塔的外圆周套设有主反射镜，所述主反射镜呈扇形或圆形，所述承力塔穿过所述主反射镜、且远离所述次镜的一端连接有基板；
能够拆卸地套设在所述反射镜组件外表面的遮光罩；
所述基板远离所述主反射镜的一端连接有焦面组件；
该碳纤维遥感相机结构还包括：
穿过所述基板中心且与所述基板相连的透镜组件，所述透镜组件用以校正相机光学系统像差。
进一步的，所述主反射镜包括主反射镜面板；以及
沿所述主反射镜面板圆周反面均匀设置的多个轻量化槽；
每两个所述轻量化槽之间设有一个轻量化斜筋，且每个所述轻量化槽皆设置有侧筋；
所述主反射镜面板靠近圆心一侧被配置为第一接口，所述主反射镜通过所述第一接口连接所述基板；
进一步的，所述承力塔包括第二接口以及第三接口，所述承力塔通过所述第二接口与所述次镜相连接，所述承力塔通过所述第三接口与所述基板相连接，所述第二接口和所述第三接口皆为碳纤圆环；
沿所述第二接口的圆周均匀连接有多个支架，多个所述支架远离所述第二接口的一端与所述第三接口相连。
进一步的，所述基板整体呈蜂窝型的中空结构；
所述基板包括沿外轮廓设置的三个基板上端面以及三个基板下端面；
三个所述基板下端面的两侧皆设置有基板轻量化槽；
每两个所述基板上端面之间皆连接有两个安装接口，相机通过所述安装接口与卫星相连；
每个所述基板轻量化槽靠近所述安装接口的位置皆设有基板斜筋；
所述基板的中间位置开设有通光孔；
所述通光孔的圆周侧面均匀设置数个连接凸台，每个所述连接凸台均开设有两个第四接口，所述基板通过第四接口连接所述承力塔；
每两个所述连接凸台之间皆设置两个第五接口，所述基板通过所述第五接口与所述透镜组件相连。
进一步的，所述遮光罩为碳纤维材质，包括挡光筒；以及
连接在所述挡光筒一端的第一连接法兰，所述第一连接法兰通过螺钉连接于所述透镜组件；
所述挡光筒的内壁上均匀设置有多条挡光环，所述挡光环能够防止反射杂光进入相机。
进一步的，所述透镜组件包括镜筒；以及
设置在所述镜筒外表面的镜筒法兰，所述镜筒法兰用以连接所述基板下端面；
所述透镜组件还包括：
布置在所述镜筒内壁上的数个镜座；
依次对应地安装在数个所述镜座内的数个透镜，所述透镜的数量与所述镜座的数量相等；
所述镜座的端面设置有压圈，所述压圈压持所述镜座以固定所述镜座内嵌装的透镜。
进一步的，所述焦面组件包括电箱壳体；以及
嵌装在所述电箱壳体内部一端的焦面；
所述电箱壳体的内部远离所述焦面的一端设置有数个电路板；
所述电箱壳体靠近所述焦面的一端设置有第二连接法兰，所述第二连接法兰为所述焦面组件与相机的连接接口。
进一步的，所述反射镜组件还包括像面，所述像面为光学系统成像的平面。
更进一步的，所述基板的外轮廓还可以设置为圆形。
作为进一步的，所述支架包括第一体；以及
与所述第一体交叉连接的第二体，所述第一体沿着所述第二接口方向延伸并与所述第二接口相连，所述第二体沿着所述第三接口的圆周切向延伸并与所述第三接口相连。
在上述技术方案中，本发明提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，具有以下有益效果：
本发明的一种超轻型碳纤维遥感相机结构采用中心承力塔式支撑方案，中心支撑次镜，降低支撑框架的整体重量，保证了反射镜系统的支撑刚度和面形；减小了支撑框架的整体尺寸，节省了空间，实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构的整体半剖结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构反射镜组件的半剖结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构主反射镜的半剖结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构基板的整体结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构承力塔的整体结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构遮光罩的半剖结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构透镜组件的半剖结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构焦面组件的半剖结构示意图。
附图标记说明：
1、反射镜组件；2、遮光罩；3、焦面组件；4、透镜组件；
1、承力塔；12、次镜；13、主反射镜；14、基板；15、像面；
21、挡光筒；22、第一连接法兰；23、挡光环；
31、电箱壳体；32、焦面；33、电路板；34、第二连接法兰；
41、镜筒；42、镜筒法兰；43、镜座；44、透镜；45、压圈；
111、第二接口；112、第三接口；113、支架；
131、；主反射镜面板；132、轻量化槽；133、轻量化斜筋；134、侧筋；135、第一接口；
141、基板上端面；142、基板下端面；143、基板轻量化槽；144、安装接口；145、基板斜筋；146、通光孔；147、连接凸台；148、第四接口；
1131、第一体；1132、第二体。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1～图8所示；
本发明的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，该碳纤维遥感相机结构包括：
反射镜组件1，所述反射镜组件1包括承力塔11，所述承力塔11被配置为拼接式结构，所述承力塔11一端连接有次镜12，且所述承力塔11的外圆周套设有主反射镜13，所述主反射镜13呈扇形，所述承力塔11穿过所述主反射镜13、且远离所述次镜12的一端连接有基板14；
能够拆卸地套设在所述反射镜组件1外表面的遮光罩2；
所述基板14远离所述主反射镜13的一端连接有焦面组件3；
该碳纤维遥感相机结构还包括：
穿过所述基板14中心且与所述基板14相连的透镜组件4，所述透镜组件4用以校正相机光学系统像差。
进一步的，所述主反射镜13包括主反射镜面板131；以及
沿所述主反射镜面板131圆周反面均匀设置的多个轻量化槽132；
每两个所述轻量化槽132之间设有一个轻量化斜筋133，且每个所述轻量化槽132皆设置有侧筋134；
所述主反射镜面板131靠近圆心一侧被配置为第一接口135，所述第一接口135用以连接所述基板14。首先，根据光学系统给出的主反射镜13尺寸和积累的径厚比设计经验，确定反射镜面板的初步尺寸。然后，根据主反射镜13的直径尺寸和中间通光孔的直径以及加工能力，确定加强筋的密度和初步尺寸。加强筋可以采用常规的三角形布局或者扇形布局等。通常，小尺寸的反射镜可以采用扇形布局。大尺寸的反射镜多采用三角形布局。
作为本实施例中优选的技术方案：
本实施例中所述的承力塔11包括第二接口111以及第三接口112，所述第二接口111用以连接所述次镜12，所述第三接口112用以连接所述基板14，所述第二接口111和所述第三接口112皆为碳纤圆环；
沿所述第二接口111的圆周均匀连接有多个支架113，多个所述支架113远离所述第二接口111的一端与所述第三接口112相连。
进一步的，本实施例中所述基板14整体呈蜂窝型的中空结构；
所述基板14包括沿外轮廓设置的三个基板上端面141以及三个基板下端面142；
三个所述基板下端面142的两侧皆设置有基板轻量化槽143；
每两个所述基板上端面141之间皆连接有两个安装接口144，相机通过所述安装接口144与卫星相连；
每个所述基板轻量化槽143靠近所述安装接口144的位置皆设有基板斜筋145；
所述基板14的中间位置开设有通光孔146；
所述通光孔146的圆周侧面均匀设置数个连接凸台147，每个所述连接凸台147均开设有两个第四接口148，所述基板14通过第四接口148连接所述承力塔11；
每两个所述连接凸台147之间皆设置两个第五接口149，所述基板14通过所述第五接口149与所述透镜组件4相连。
本发明对所述遮光罩2的设计，所述遮光罩2为碳纤维材质，包括挡光筒21；以及
连接在所述挡光筒21一端的第一连接法兰22，所述第一连接法兰22通过螺钉连接于所述透镜组件4；
所述挡光筒21的内壁上均匀设置有多条挡光环23，所述挡光环23能够防止反射杂光进入相机。根据光学系统输入条件给出的视场角和入瞳直径，计算得到所述挡光筒21的直径和长度，采用几何作图法确定所述挡光环23的位置和数量，所述挡光筒21的长度与直径根据如下公式确定：
Figure BDA0002751549690000071
其中，W0是相机的视场角，单位度。W1是光线进入相机入射光瞳的边界光线角，单位度。D0是相机入射光瞳孩子经，单位毫米。L是所述遮光罩2长度，单位毫米。D1是所述遮光罩2的入射孔直径，单位毫米。上述变量中，W0、W1、D0值由光学系统给出，作为初始输入条件。通过上述两个公式计算可以得到L和D1的值。
为了方便拆卸和运输，所述遮光罩2的尺寸尽量减小，所述遮光罩2与所述基板14通常采用能够拆卸的连接方式。常用的方式为螺纹连接或者螺钉连接。为了保证安装位置精度，所述遮光罩2接口设计为止口定位方式。
根据经验公式计算得到所述挡光筒21的长度和直径，并将其作为初始输入条件，经过几何作图确定所述挡光环23在所述挡光筒21内的位置和高度，所述第一连接法兰22通过螺纹或者螺钉连接所述基板14。
进一步的，所述透镜组件4包括镜筒41；以及
设置在所述镜筒41外表面的镜筒法兰42，所述镜筒法兰42用以连接所述基板下端面142；
具体地，所述透镜组件4还包括：
布置在所述镜筒41内壁上的数个镜座43；
依次对应地安装在数个所述镜座43内的数个透镜44，其中，所述透镜44的数量与所述镜座43的数量相等；
所述镜座43的端面设置有压圈45，所述压圈45压持所述镜座43以固定所述镜座43内嵌装的透镜44。
其中，每个所述透镜44的圆周涂胶后装入所述镜座43，所述镜座43端面还可以采用包边方式固定。所述镜座43通过精修端面或者精修垫圈的方式调整间隔。所述镜座精修外圆周后装入所述镜筒41。
作为进一步的，所述焦面组件3包括电箱壳体31；以及
连接在所述电箱壳体31内部一端的焦面32；
所述电箱壳体31的内部远离所述焦面32的一端设置有数个电路板33；其中，所述焦面32的位置由光学系统确定，安装探测器时保证其感光面和所述焦面32对准，具体可以通过调节所述焦面组件3和所述基板14之间的垫圈来修正。而所述电路板33的尺寸、型号和数量是根据成像电子学的功能要求确定的。然后，所述电箱壳体31的尺寸由所述电路板33的数量和尺寸确定。
所述电箱壳体31靠近所述焦面32的一端设置有第二连接法兰34，所述第二连接法兰34为所述焦面组件3与相机的连接接口。
进一步的，所述反射镜组件1还包括像面15，所述像面15为光学系统成像的平面。
优选的，所述主反射镜13还可以设置为矩形、三角形、菱形。
优选的，所述基板14的外轮廓还可以设置为圆形、矩形。
作为更进一步的限定，所述支架113包括第一体1131；以及
与所述第一体1131交叉连接的第二体1132，所述第一体1131沿着所述第二接口111方向延伸并与所述第二接口111相连，所述第二体1132沿着所述第三接口112的圆周切向延伸并与所述第三接口112相连。
最后，对相机进行有限元仿真分析，优化系统的尺寸，改善光学元件支撑面形质量。得到优化后的相机模型。经测量，该相机总长150mm，直径90mm，重量仅为530克，且反射镜面形仿真结果优于10nm，相机整机的一阶段固有频率高于500Hz，满足超轻量化设计要求。
在上述技术方案中，本发明提供的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，具有以下有益效果：
本发明的一种超轻型碳纤维遥感相机结构采用中心承力塔式支撑方案，中心支撑次镜，降低支撑框架的整体重量，保证了反射镜系统的支撑刚度和面形；减小了支撑框架的整体尺寸，节省了空间，实用性强。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种超轻型碳纤维遥感相机结构，其特征在于，该碳纤维遥感相机结构包括：
反射镜组件(1)，所述反射镜组件(1)包括承力塔(11)，所述承力塔(11)被配置为拼接式结构，所述承力塔(11)的一端连接有次镜(12)，且所述承力塔(11)的外圆周套设有主反射镜(13)，所述主反射镜(13)呈扇形或圆形，所述承力塔(11)穿过所述主反射镜(13)、且远离所述次镜(12)的一端连接有基板(14)；
所述承力塔(11)包括第二接口(111)以及第三接口(112)，所述第二接口(111)用以连接所述次镜(12)，所述第三接口(112)用以连接所述基板(14)，所述第二接口(111)和所述第三接口(112)皆为碳纤圆环；
沿所述第二接口(111)的圆周均匀连接有多个支架(113)，多个所述支架(113)远离所述第二接口(111)的一端与所述第三接口(112)相连；所述支架(113)包括第一体(1131)以及与所述第一体(1131)交叉连接的第二体(1132)，所述第一体(1131)沿着所述第二接口(111)方向延伸并与所述第二接口(111)相连，所述第二体(1132)沿着所述第三接口(112)的圆周切向延伸并与所述第三接口(112)相连；
能够拆卸地套设在所述反射镜组件(1)外表面的遮光罩(2)；
所述基板(14)远离所述主反射镜(13)的一端连接有焦面组件(3)；
该碳纤维遥感相机结构还包括：
穿过所述基板(14)中心且与所述基板(14)相连的透镜组件(4)，所述透镜组件(4)用以校正相机光学系统像差。
2.根据权利要求1所述的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，其特征在于，所述主反射镜(13)包括主反射镜面板(131)；以及
沿所述主反射镜面板(131)圆周反面均匀设置的多个轻量化槽(132)；
每两个所述轻量化槽(132)之间设有一个轻量化斜筋(133)，且每个所述轻量化槽(132)皆设置有侧筋(134)；
所述主反射镜面板(131)靠近圆心一侧被配置为第一接口(135)，所述第一接口(135)用以连接所述基板(14)。
3.根据权利要求1所述的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，其特征在于，所述基板(14)整体呈蜂窝型的中空结构；
所述基板(14)包括沿外轮廓设置的三个基板上端面(141)以及三个基板下端面(142)；
三个所述基板下端面(142)的两侧皆设置有基板轻量化槽(143)；
每两个所述基板上端面(141)之间皆连接有两个安装接口(144)，相机通过所述安装接口(144)与卫星相连；
每个所述基板轻量化槽(143)靠近所述安装接口(144)的位置皆设有基板斜筋(145)；
所述基板(14)的中间位置开设有通光孔(146)；
所述通光孔(146)的圆周侧面均匀设置数个连接凸台(147)，每个所述连接凸台(147)均开设有两个第四接口(148)，所述基板(14)通过第四接口(148)与所述承力塔(11)相连；
每两个所述连接凸台(147)之间皆设置有两个第五接口(149)，所述基板(14)通过所述第五接口(149)与所述透镜组件(4)相连。
4.根据权利要求1所述的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，其特征在于，所述遮光罩(2)为碳纤维材质，包括挡光筒(21)；以及
连接在所述挡光筒(21)一端的第一连接法兰(22)，所述第一连接法兰(22)通过螺钉连接于所述透镜组件(4)；
所述挡光筒(21)的内壁上均匀设置有多条挡光环(23)，所述挡光环(23)能够防止反射杂光进入相机。
5.根据权利要求1所述的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，其特征在于，所述透镜组件(4)包括镜筒(41)；以及
设置在所述镜筒(41)外表面的镜筒法兰(42)，所述镜筒法兰(42)用以连接所述基板下端面(142)；
所述透镜组件(4)还包括：
布置在所述镜筒(41)内壁上的数个镜座(43)；
依次对应地嵌装在数个所述镜座(43)内的数个透镜(44)，所述透镜(44)的数量与所述镜座(43)的数量相等；
所述镜座(43)的端面设置有压圈(45)，所述压圈(45)压持所述镜座(43)以固定所述镜座(43)内嵌装的透镜(44)。
6.根据权利要求1所述的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，其特征在于，所述焦面组件(3)包括电箱壳体(31)；以及
嵌装在所述电箱壳体(31)内部一端的焦面(32)；
所述电箱壳体(31)的内部远离所述焦面(32)的一端设置有数个电路板(33)；
所述电箱壳体(31)靠近所述焦面(32)的一端设置有第二连接法兰(34)，所述第二连接法兰(34)为所述焦面组件(3)与相机的连接接口。
7.根据权利要求1所述的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，其特征在于，所述反射镜组件(1)还包括像面(15)，所述像面(15)为光学系统成像的平面。
8.根据权利要求3所述的一种超轻型碳纤维遥感相机结构，其特征在于，所述基板(14)的外轮廓还可以配置为圆形。
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