CN112485878A - 一种机电集成的阵列式滤光机构 - Google Patents

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Abstract

一种机电集成的阵列式滤光机构，包括多谱段阵列排布的滤光片组件、多组阵列排布的直线电机组件、到位传感器、主体结构框架和通光口光阑等部分；主体结构框架为中间镂空的立方体框架结构；直线电机组件位于主体结构框架的内部，集成安装在主体结构框架第一侧面，作为切换动作的执行机构；主体结构框架的第二侧面安插有辅助导轨，第二侧面与第一侧面平行；滤光片组件安装在直线电机组件和辅助导轨之间，沿辅助导轨和直线电机导轨提供的限位运动空间直线移动；主体结构框架的第三侧面和第四侧面安装到位传感器，用于检测各谱段滤光片组件的零位和光路位的到位信息；主体结构框架的背面安装有通光口光阑，其上设有通光口和挡光面板，用于限制通光口径，减少杂散光。

Description

一种机电集成的阵列式滤光机构
技术领域
本发明涉及一种机电集成的阵列式滤光机构，属于空间遥感器技术领域。
背景技术
滤光机构是一种安装在多光谱遥感相机中的关键组件，其作用是通过切换机构对进入光路中的光线进行过滤，让特定的谱段光线透过滤光片，而其他谱段光线则被截止，最终实现多个谱段分时成像，从而获取被观测目标的细分光谱信息。随着航天应用领域发展和天文观测研究的深入，光学遥感卫星的应用场景多样化，空间光学遥感相机的口径越来越大，同时对光学通道和光学谱段细分提出更高的要求，滤光片的谱段数量越来越多。
目前，空间光学遥感器的多谱段滤光机构常选用转盘式滤光切换机构(专利CN19100847A、CN108957673A等)，其结构特点是所有滤光片共同安装在转盘框架上、沿周圈分布，驱动电机及传动单元配合使转盘转动，从而将指定谱段滤光片切入光路中，实现滤光切换功能。随着遥感相机光学口径增大和光学谱段数量增加(单个光学通道细分位6-10个谱段)，转盘式滤光机构的尺寸越来较大；过大的滤光圆盘薄壁结构导致重量过大、组件刚度变差、抗扰动能力差等一系列缺点，最终会影响遥感相机的整体性能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种机电集成的阵列式滤光机构，解决现有转盘式滤光切换机构光谱细分不足(一般≤5件滤光片)、滤光转盘薄壁结构振动响应差、空间利用率低、抗扰动能力差等问题。本发明设计提供了一种机电集成的直线运动式滤光片切换机构，区别于传统的转轮机构将所有谱段滤光片安装至同一个转轮中，本发明设计的各谱段滤光片单独装框，沿光轴方向阵列排布，各谱段滤光片切换功能相互独立，允许同时将多个滤光片同时切换至光路中。具有结构紧凑、光谱数量不限、阵列化可拓展等多项优点，适应未来新一代多谱段航天遥感器的应用需求，解决了目前航天遥感器多光谱观测的短板。
本发明的技术解决方案是：一种机电集成的阵列式滤光机构，包括多谱段阵列排布的滤光片组件、多组阵列排布的直线电机组件、到位传感器、主体结构框架和通光口光阑等部分；
主体结构框架为中间镂空的立方体框架结构；
直线电机组件位于主体结构框架的内部，集成安装在主体结构框架第一侧面，作为切换动作的执行机构；
主体结构框架的第二侧面安插有辅助导轨，第二侧面与第一侧面平行；
滤光片组件安装在直线电机组件和辅助导轨之间，沿辅助导轨和直线电机导轨提供的限位运动空间直线移动；
主体结构框架的第三侧面和第四侧面安装到位传感器，用于检测各谱段滤光片组件的零位和光路位的到位信息；
主体结构框架的背面安装有通光口光阑，其上设有通光口和挡光面板，用于限制通光口径，减少杂散光。
进一步地，所述滤光机构的有效光学负载为滤光片，为平板玻璃或塑料片形状；每组滤光片具有不同的光学透射谱段，多组滤光片实现不同光学谱段细分功能。
进一步地，所述滤光机构为直线运动机构，滤光片组件沿直线运动，实现滤光片切换功能。
进一步地，所述滤光机构的直线电机组件包括直线电机和电机导轨；直线电机用于为滤光片组件切换运动提供驱动力，所述电机导轨用于与辅助导轨配合，为滤光片组件提供运动导向。
进一步地，所述滤光机构的直线电机包括绕组线圈和磁钢片；绕组线圈作为直线电机定子，集成在有齿槽的电机导轨上；磁钢片作为直线电机动子，集成在滤光片组件的安装框上。
进一步地，所述滤光机构的直线电机为动磁式结构，绕组线圈固定，磁钢运动；直线电机加电时，磁钢片带动滤光片组件直线运动；电机断电时，利用磁钢片齿槽吸力特性保持滤光片组件位置。
进一步地，所述滤光机构的直线电机的绕组线圈和磁钢片选用不同参数的极槽配合，可实现不同的直线运动步距和电机驱动性能；极槽配合参数确定后，直线电机可延伸任意长度，实现对不同光学尺寸的滤光片的适应。
进一步地，所述滤光机构的直线电机选用单拍、双拍或单双拍的驱动控制方式，实现不同的电机驱动性能。
进一步地，所述滤光机构的滤光片组件包括安装框、滤光片、压板、磁钢片和支撑滚珠；安装框和压板固定滤光片；磁钢片镶嵌在滤光片框上，与直线电机配合驱动；支撑滚珠镶嵌在滤光片框上，与电机导轨、辅助导轨配合导向运动。
进一步地，所述滤光机构的滤光片组件和直线电机组件一一对应配合，根据光学系统的谱段数量需求设置所需套数；直线电机厚度与滤光片阵列间距相同。
进一步地，所述到位传感器为电磁式到位传感器、光电式到位传感器或霍尔式到位传感器，用于检测各谱段滤光片组件的零位和光路位的位置遥测信息；将传感器信号接入电机驱动控制反馈回路，实现闭环驱动控制功能，提高机构的运动定位精度。
进一步地，多套滤光片组件沿着光轴方向阵列排布，彼此切换运动相互独立。
进一步地，所述滤光片为圆形、矩形或多边形。
进一步地，将单组滤光片切入光路时，实现单谱段滤光功能；将多组滤光片组件同时切入光路，利用各滤光片组件的透射谱段差分组合，实现比滤光片数量更多的光谱细分。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明具所述滤光机构有良好的滤光效果，滤光片数量不受限制，滤光方式灵活多样，可使用多件滤光片自由组合，实现差分滤光等功能。
2、本发明所述滤光机构的尺寸紧凑、结构精巧、稳定性高，充分利用航天遥感器空间。
3、模块化设计，对滤光片的尺寸及数量都有良好的适应性和扩展性，可以满足多光谱遥感器的日益增长的光谱细分需求。
附图说明
图1一种机电集成的阵列式滤光机构的整体结构轴测图
图2一种机电集成的阵列式滤光机构的整体结构爆炸图
图3一种机电集成的阵列式滤光机构的单层结构示意图
附图标识：
1、直线电机；2、滤光片组件；3、主体结构框架；4、通光口光阑；5、到位传感器；6、直线电机定子绕组；7、直线电机动子磁钢片；8、滤光片；9、安装框；10、直线电机导轨；11、辅助导轨；12、支撑滚珠
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种机电集成的阵列式滤光机构做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：
如图1和图2所示，一种机电集成的阵列式滤光机构包含了多组阵列的直线电机1、多组阵列的滤光片组件2、主体结构框架3、通光口光阑4和到位传感器5。所述滤光机构为多层阵列化结构样式，单层结构如图3所示，主要包括直线电机定子绕组6、直线电机动子磁钢片7、滤光片8、安装框9、直线电机导轨10、辅助导轨11、支撑滚珠12。单层结构采用集成化设计，直线电机动子磁钢片7和滤光片8共同嵌入安装框9中，直线电机与滤光片一一对应。本发明所述滤光机构采用直线电机直驱、无传动环节，直线电机驱动特定滤光片直线运动，实现切换滤光功能。
在本申请实施例提供的技术方案中，包括多谱段阵列排布的滤光片组件、多组阵列排布的直线电机组件、到位传感器、主体结构框架和通光口光阑等部分；
主体结构框架为中间镂空的立方体框架结构；
直线电机组件位于主体结构框架的内部，集成安装在主体结构框架第一侧面，作为切换动作的执行机构；
主体结构框架的第二侧面安插有辅助导轨，第二侧面与第一侧面平行；
滤光片组件安装在直线电机组件和辅助导轨之间，沿辅助导轨和直线电机导轨提供的限位运动空间直线移动；
主体结构框架的第三侧面和第四侧面安装到位传感器，用于检测各谱段滤光片组件的零位和光路位的到位信息；
主体结构框架的背面安装有通光口光阑，其上设有通光口和挡光面板，用于限制通光口径，减少杂散光。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述滤光机构的有效光学负载为滤光片，为平板玻璃或塑料片形状；每组滤光片具有不同的光学透射谱段，多组滤光片实现不同光学谱段细分功能。
进一步，所述滤光机构为直线运动机构，滤光片组件沿直线运动，实现滤光片切换功能。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述滤光机构的直线电机组件包括直线电机和电机导轨；直线电机用于为滤光片组件切换运动提供驱动力，所述电机导轨用于与辅助导轨配合，为滤光片组件提供运动导向。
具体的，所述滤光机构的直线电机包括绕组线圈和磁钢片；绕组线圈作为直线电机定子，集成在有齿槽的电机导轨上；磁钢片作为直线电机动子，集成在滤光片组件的安装框上。
可选的，在一种可能实现的方式中，所述滤光机构的直线电机为动磁式结构，绕组线圈固定，磁钢运动；直线电机加电时，磁钢片带动滤光片组件直线运动；电机断电时，利用磁钢片齿槽吸力特性保持滤光片组件位置。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述滤光机构的直线电机的绕组线圈和磁钢片选用不同参数的极槽配合，可实现不同的直线运动步距和电机驱动性能；极槽配合参数确定后，直线电机可延伸任意长度，实现对不同光学尺寸的滤光片的适应。
具体的，所述滤光机构的直线电机选用单拍、双拍或单双拍的驱动控制方式，实现不同的电机驱动性能。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述滤光机构的滤光片组件包括安装框、滤光片、压板、磁钢片和支撑滚珠；安装框和压板固定滤光片；磁钢片镶嵌在滤光片框上，与直线电机配合驱动；支撑滚珠镶嵌在滤光片框上，与电机导轨、辅助导轨配合导向运动。
可选的，在一种可能实现的方式中，所述滤光机构的滤光片组件和直线电机组件一一对应配合，根据光学系统的谱段数量需求设置所需套数；直线电机厚度与滤光片阵列间距相同。
在一种可能实现的方式中，所述到位传感器为电磁式到位传感器、光电式到位传感器或霍尔式到位传感器，用于检测各谱段滤光片组件的零位和光路位的位置遥测信息；将传感器信号接入电机驱动控制反馈回路，实现闭环驱动控制功能，提高机构的运动定位精度。
进一步，在一种可能实现的方式中，多套滤光片组件沿着光轴方向阵列排布，彼此切换运动相互独立。
进一步，所述滤光片为圆形、矩形或多边形。
进一步，在一种可能实现的方式中，将单组滤光片切入光路时，实现单谱段滤光功能；将多组滤光片组件同时切入光路，利用各滤光片组件的透射谱段差分组合，实现比滤光片数量更多的光谱细分。
由于本发明所述滤光机构的直线电机参数、结构尺寸大小、滤光片数量等在一定范围内具有适应性和扩展性，该章节描述的实施方式为本发明的实施举例，而不是全部的实施例。本领域的技术人员在无创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都应当属于本发明所保护的范围。本发明权利要求书内容所述术语“第一侧面”、“第二侧面”……等用于区别方位，不必用于描述特定的先后顺序，可以在适当情形互换。
本发明的核心思路是滤光片和直线电机的集成设计和阵列化布置，因而核心内容是确定滤光片和直线电机的基本设计参数。首先，根据光学系统输入的通光要求确定单片滤光片的尺寸；滤光片尺寸确定后，可以根据装框要求设计量计算出安装框的尺寸。其次，根据切换运动精度需求设计直线电机的极槽参数和驱动控制方式，经电磁分析计算确定直线电机的绕组线圈、磁钢的性能、尺寸和排布参数。然后，经集成化设计将磁钢嵌入滤光片安装框中，并补充直线电机导轨、辅助导轨、支撑滚珠等部分，至此完成单层滤光机构的基本设计。最后，按照滤光片数量要求，将多组单层滤光机构阵列排布，增加主体结构框架、通光口光阑、到位传感器及连接件等，整体组成本发明所述机电集成的阵列式滤光机构。
根据直线电机的电磁特性，直线电机的动子和定子部分选用不同材料：定子绕组为带绝缘层的漆包线，绕组的背铁部分为高导磁性材料，如10#、2Cr13、1J22等；动子磁钢为永磁性材料，如钕铁硼、钐钴等，磁钢的安装框为非导磁性材料，如铝合金、钛合金等。
为保证设计参数的一致性，所有滤光片和安装框的设计尺寸相同，进而设计出同参数的直线电机，最终设计模块化的单层结构。此外，滤光片的厚度尺寸在设计和工艺允许的范围内应尽量薄(比如2.5～3mm)，保证单层滤光机构的厚度尺寸较小，保证阵列化多层滤光机构的整体结构紧凑。
本发明所述滤光机构的工作原理：
当相机控制器发出切换运动指令后，直线电机交流供电，直线电机动子磁钢片受电磁力运动，带动同安装框中的滤光片沿导轨方向直线运动；当相机控制器接收到到位传感器信号后，直线电机停止供电，直线电机动子磁钢片受齿槽力作用，带着滤光片保持在平衡位置；改变交流供电的相序，可实现滤光片的切入和切出运动方向。每套电机对应一个特定谱段滤光片，相机控制器根据用户需求切入或切出滤光片，灵活组合滤光，最终实现相机特定谱段成像功能。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (14)

1.一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：包括多谱段阵列排布的滤光片组件、多组阵列排布的直线电机组件、到位传感器、主体结构框架和通光口光阑等部分；
主体结构框架为中间镂空的立方体框架结构；
直线电机组件位于主体结构框架的内部，集成安装在主体结构框架第一侧面，作为切换动作的执行机构；
主体结构框架的第二侧面安插有辅助导轨，第二侧面与第一侧面平行；
滤光片组件安装在直线电机组件和辅助导轨之间，沿辅助导轨和直线电机导轨提供的限位运动空间直线移动；
主体结构框架的第三侧面和第四侧面安装到位传感器，用于检测各谱段滤光片组件的零位和光路位的到位信息；
主体结构框架的背面安装有通光口光阑，其上设有通光口和挡光面板，用于限制通光口径，减少杂散光。
2.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构的有效光学负载为滤光片，为平板玻璃或塑料片形状；每组滤光片具有不同的光学透射谱段，多组滤光片实现不同光学谱段细分功能。
3.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构为直线运动机构，滤光片组件沿直线运动，实现滤光片切换功能。
4.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构的直线电机组件包括直线电机和电机导轨；直线电机用于为滤光片组件切换运动提供驱动力，所述电机导轨用于与辅助导轨配合，为滤光片组件提供运动导向。
5.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构的直线电机包括绕组线圈和磁钢片；绕组线圈作为直线电机定子，集成在有齿槽的电机导轨上；磁钢片作为直线电机动子，集成在滤光片组件的安装框上。
6.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构的直线电机为动磁式结构，绕组线圈固定，磁钢运动；直线电机加电时，磁钢片带动滤光片组件直线运动；电机断电时，利用磁钢片齿槽吸力特性保持滤光片组件位置。
7.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构的直线电机的绕组线圈和磁钢片选用不同参数的极槽配合，可实现不同的直线运动步距和电机驱动性能；极槽配合参数确定后，直线电机可延伸任意长度，实现对不同光学尺寸的滤光片的适应。
8.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构的直线电机选用单拍、双拍或单双拍的驱动控制方式，实现不同的电机驱动性能。
9.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构的滤光片组件包括安装框、滤光片、压板、磁钢片和支撑滚珠；安装框和压板固定滤光片；磁钢片镶嵌在滤光片框上，与直线电机配合驱动；支撑滚珠镶嵌在滤光片框上，与电机导轨、辅助导轨配合导向运动。
10.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光机构的滤光片组件和直线电机组件一一对应配合，根据光学系统的谱段数量需求设置所需套数；直线电机厚度与滤光片阵列间距相同。
11.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述到位传感器为电磁式到位传感器、光电式到位传感器或霍尔式到位传感器，用于检测各谱段滤光片组件的零位和光路位的位置遥测信息；将传感器信号接入电机驱动控制反馈回路，实现闭环驱动控制功能，提高机构的运动定位精度。
12.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：多套滤光片组件沿着光轴方向阵列排布，彼此切换运动相互独立。
13.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：所述滤光片为圆形、矩形或多边形。
14.根据权利要求1所述的一种机电集成的阵列式滤光机构，其特征在于：将单组滤光片切入光路时，实现单谱段滤光功能；将多组滤光片组件同时切入光路，利用各滤光片组件的透射谱段差分组合，实现比滤光片数量更多的光谱细分。
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