CN115356847A - 一种光路切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光路切换装置，包括固定基座、通过第一转动轴单元与固定基座连接的第一转动基座、通过第二转动轴单元与第一转动基座连接的第二转动基座，折转镜设置在第二转动基座上。通过第一转动轴单元和第二转动轴单元，实现折转镜的切入和切出；在切入态，通过锁紧件限制第一转动基座的转动自由度，通过限位板限制第二转动基座的转动自由度，保证了折转镜切入光路中的定位精度，结构稳定，实现光路的折转；通过扭簧提供第二转动轴自转的力矩以使第二转动轴带动第二转动基座转动，使得在切出态，折转镜占用较小的尺寸空间，实现了结构紧凑。

Description

一种光路切换装置

技术领域

本发明涉及微扫描超分辨技术领域，特别涉及一种光路切换装置。

背景技术

光电载荷主要用于对空或对地目标的探测、捕获、跟踪和测量，对不同场景成像时需要更换焦距、切换视场。为了实现视场的切换，光学系统设计过程中需要考虑随时更改光路方向，以满足不同的成像要求。

目前，根据不同光学系统的结构形式，更改光路方向的切换方式主要有以下两种：第一种方式是光路中原有折转镜，通过改变折转镜的方向或角度，实现光路方向的切换；另一种方式是通过在光学系统的光路中切入/切出折转镜来实现光路方向的改变，这种方式通常通过电机来控制折转镜的切换，通常采用直线导轨等传动结构，结构复杂，体积重量较大，且不易保证折转镜在光路中的位置精度，特别是在有振动和冲击的环境条件下，光轴的稳定性很难得到保证。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中光路切换装置结构复杂，体积重量较大且不易保证折转镜在光路中的位置精度的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光路切换装置，包括固定基座；第一转动基座，其包括第一连接部和续接于所述第一连接部底端的第二连接部；所述第一连接部顶端设置有锁紧件，所述第二连接部的底端设置有限位板；第一转动轴单元，其包括第一驱动组件和第一转动轴；所述第一转动轴穿设于所述第一连接部且所述第一转动轴的两端连接于所述固定基座，所述第一驱动组件连接所述第一连接部以驱动所述第一转动基座绕第一转动轴转动，所述锁紧件用于限制切出态切换至切入态的过程中所述第一转动基座的转动范围；第二转动基座，其设置在所述第一转动基座的下方，折转镜设置在所述第二转动基座上；第二转动轴单元，其包括以所述第二连接部的上下方向穿设于所述第二连接部的第二转动轴和套设于所述第二转动轴的扭簧；所述第二转动基座连接于所述第二转动轴远离所述第一连接部的一端，所述扭簧用于为所述第二转动轴提供自转的力矩，以使得所述第二转动基座在切出态时抵靠所述固定基座，并在切出态切换至切入态的过程中使所述第二转动轴带动所述第二转动基座转动至所述限位板的位置。

可选地，所述第一驱动组件包括驱动电机、与所述驱动电机的输出端连接的主动齿轮以及与所述主动齿轮啮合的从动齿轮；所述从动齿轮与所述第一转动基座的所述第一连接部连接。

可选地，所述第一连接部通过两个第一轴承与所述第一转动轴连接。

可选地，所述第一转动轴的两个轴端分别设置有轴承内压圈和轴承外压圈，以用于分别将所述第一转动轴的两端固定于所述固定基座。

可选地，所述第二转动轴单元还包括连接于所述第二转动轴靠近所述第一连接部一端的扭簧固定盖，所述扭簧固定盖包括盖头和由所述盖头延伸形成的固定连接所述第二转动轴的端部外周的盖体；所述盖头开设有斜槽，所述扭簧套设于所述盖体且所述扭簧的一个端头收容于所述斜槽，所述扭簧的另一个端头固定于所述第二连接部。

可选地，所述第二转动轴上通过两个第二轴承与所述第一转动基座连接。

可选地，所述第二转动基座上设置有滚轮组件，以用于减少第二转动基座在所述固定基座上移动时的摩擦。

可选地，所述第二转动基座上设置有用于压紧固定所述折转镜的折转镜压件。

可选地，所述锁紧件为铁磁性材料，所述固定基座上设置有失电型电磁铁，以用于断电时通过磁力吸紧所述锁紧件进而实现断电时锁紧第一转动基座。

可选地，所述固定基座上设置有锁紧柱塞，所述第一转动基座上开设有与所述锁紧柱塞配合的锁紧孔。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：

本发明提供一种光路切换装置，包括固定基座、通过第一转动轴单元与固定基座连接的第一转动基座、通过第二转动轴单元与第一转动基座连接的第二转动基座，折转镜设置在第二转动基座上。其中，第一转动基座包括第一连接部和续接于第一连接部底端的第二连接部；第一转动轴单元的第一转动轴穿设于第一转动基座的第一连接部且第一转动轴的两端连接于固定基座，第一驱动组件驱动第一转动基座绕第一转动轴转动，第一连接部顶端的锁紧件用于限制切出态切换至切入态的过程中第一转动基座的转动范围；第二转动轴单元包括以第二连接部的上下方向穿设于第二连接部的第二转动轴和套设于第二转动轴的扭簧；第二转动基座连接于第二转动轴远离第一连接部的一端，扭簧用于为第二转动轴提供自转的力矩，以使得第二转动基座在切出态时抵靠固定基座，并在切出态切换至切入态的过程中使第二转动轴带动第二转动基座转动至限位板的位置。通过第一转动轴单元和第二转动轴单元，实现折转镜的切入和切出；在切入态，通过锁紧件限制第一转动基座的转动自由度，通过限位板限制第二转动基座的转动自由度，保证了折转镜切入光路中的定位精度，结构稳定，实现光路的折转；通过扭簧提供第二转动轴自转的力矩以使第二转动轴带动第二转动基座转动，使得在切出态，折转镜占用较小的尺寸空间，实现了结构紧凑。

附图说明

图1是本申请提供的光路切换装置一实施例的切出态的整体结构示意图。

图2是本申请提供的光路切换装置一实施例的切入态的整体结构示意图。

图3是本申请提供的光路切换装置一实施例的切出态的正视图。

图4是本申请提供的光路切换装置一实施例的切出态的右侧视图。

图5是图4中光路切换装置切出态的A-A剖视图。

图6是图4中光路切换装置切出态的B-B剖视图。

图7是图4中光路切换装置切出态的C-C剖视图。

图8是本申请提供的光路切换装置一实施例的切入态的右侧视图。

图9是图8中光路切换装置切入态的A-A剖视图。

图10是本申请提供的光路切换装置一实施例滚轮组件与固定基座分离/接触瞬间状态示意图。

附图标记说明如下：

10、固定基座；11、失电型电磁铁；12、锁紧柱塞；20、第一转动基座；21、第一连接部；211、锁紧件；22、第二连接部；221、限位板；30、第一转动轴单元；31、驱动电机；32、主动齿轮；33、从动齿轮；34、第一轴承；35、轴承内压圈；36、轴承外压圈；37、第一转动轴；38、过渡环；40、第二转动基座；41、折转镜；42、折转镜压件；43、滚轮组件；50、第二转动轴单元；51、第二转动轴；52、扭簧；53、第二轴承；54、扭簧固定盖；541、盖头；542、盖体；543、斜槽；55、锁紧螺钉；60、外壳。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限制有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限制。

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

本申请提供了一种光路切换装置，以应用于光电载荷，能够实现高稳定性的光路方向转折，且结构紧凑占用较小的尺寸空间。

请参阅图1、图2和图3，该光路切换装置包括固定基座10、第一转动基座20、第一转动轴单元30、第二转动基座40和第二转动轴单元50，其中，第一转动基座20通过第一转动轴单元30连接于固定基座10，第二转动基座40通过第二转动轴单元50连接于所述第一转动基座20，折转镜41设置在第二转动基座40上。

图1是本申请提供的光路切换装置一实施例的切出态的整体结构示意图，为了便于理解与说明，现规定以图1中的X轴方向为左右方向，Y轴方向为上下方向，Z轴方向为前后方向。

第一转动基座20包括第一连接部21和续接于第一连接部21底端的第二连接部22；第一连接部21开设有左右贯通的通孔，在第一连接部21的顶端设置有锁紧件211；第二连接部22开设有上下贯通的通孔，在第二连接部22的底端设置有限位板221。

请参参阅图4和图5，第一转动轴单元30包括第一驱动组件和第一转动轴37，第一转动轴37的方向与图1中所示的X轴方向平行。具体地，驱动电机31固定在固定基座10上，第一驱动组件包括驱动电机31、设置在驱动电机31输出端的主动齿轮32以及与主动齿轮32啮合的从动齿轮33；第一转动轴37穿设于所述第一连接部21的通孔，第一连接部21通过两个第一轴承34与第一转动轴37连接，第一轴承34与第一连接部21之间设置有过渡环38；第一转动轴37的两端分别设置有轴承内压圈35和轴承外压圈36，以用于分别将第一转动轴37固定于固定基座10上；从动齿轮33与第一连接轴37同轴并与第一连接部21连接，通过驱动电机31驱动主动齿轮32带动从动齿轮33绕第一转动轴37转动，使得与从动齿轮33连接的第一连接部21随从动齿轮33绕第一连接轴37转动，以实现第一转动基座20切出态和切入态的转换。

请参阅图7，通过第一连接部21的顶端设置的锁紧件211，在第一转动基座20转动到合适的位置，锁紧件211被固定基座10阻挡，从而使得第一转动基座20无法继续转动，可以限制第一转动基座20由切出态向切入态切换时的转动范围。

请参阅图9，进一步地，锁紧件211为能被磁铁吸附的铁磁性材料，固定基座10上设置有失电型电磁铁11，失电型电磁铁11断电时有磁性，通电无磁性。通过驱动电机31、主动齿轮32和从动齿轮33将第一转动基座20转动到合适的位置时，即折转镜41为切入态时，锁紧件211与失电型电磁铁11接触，驱动电机31停止转动，失电型电磁铁11断电，通过失电型磁铁的磁性实现对锁紧件211的吸附进而实现第一转动基座20的定位；驱动电机31工作时，失电型电磁铁11通电，锁紧件211可以与失电型电磁铁11分离。失电型电磁铁11能够同时提供锁紧力和定位平面，由于失电型电磁铁11可以提供一个法向力，为第一转动基座20提供一个反向的锁紧力矩，这个力矩至少是折转镜41质量造成力矩的20倍以上，保证折转镜41在振动和冲击环境下的稳定性，因此通过失电型电磁铁11和锁紧件211的配合能够提高了第一转动基座20锁紧(稳定)的精度，且断电后能够实现对折转镜41切入态时的位置的自动锁定，有效地降低了功耗。

第二转动基座40设置在第一转动基座20的下方，并通过第二转动轴单元50与第一转动基座20连接，折转镜41设置在第二转动基座40上；第二转动基座40上设置有用于压紧固定所述折转镜41的折转镜压件42。

请参阅图4和图6，第二转动轴单元50包括第二转动轴51和扭簧52，第二转动轴51穿设于第二连接部22的通孔，第二转动轴51远离第一连接部21的一端与第二转动基座40连接，扭簧52套设在第二转动轴51上，扭簧52的两个端头中的其中一个端头固定于第二连接部22，另一个端头固定在第二转动轴51，通过扭簧52提供的扭矩使得第二转动轴51自转，进而第二转动轴51带动第二转动基座40转动，由于第二连接部22底端设置有限位板221，第二转动基座40到达限位板221的位置则停止转动，以此折转镜41到达切入态的位置。通过扭簧52提供锁紧力以及限位板221提供定位平面，扭簧52能够提高第二转动基座40的锁紧(稳定)精度，提供一个反向的锁紧力矩，这个力矩至少是折转镜41质量造成力矩的20倍以上，保证折转镜41在振动和冲击环境下的稳定性。此外，通过设置扭簧52，还可以减少驱动机构空间的占用，实现了结构紧凑，且通过扭簧52的弹性形变产生力矩驱动第二转动轴51带动第二转动基座40转动，无需耗能，使整个光路切换装置进一步实现低功耗。

请参阅图6和图8，进一步地，第二转动轴51通过两个第二轴承53与第二连接部22连接，第二转动轴51相对于第二转动基座40的一端固定连接有扭簧固定盖54，扭簧固定盖54通过锁紧螺钉55固定连接第二转动轴51的端部，扭簧固定盖54包括盖头541和自盖头541延伸形成的固定连接在第二轴承53端部外周的盖体542，盖头541开设有斜槽543，扭簧52套设于盖体542且扭簧52的一个端头收容于斜槽543，扭簧52的另一个端头固定连接于第二连接部22，如此，扭簧52产生的扭矩可以使得扭簧固定盖54发生转动进而带动与扭簧固定盖54固定连接的第二转动轴51自转，第二转动轴51带动第二转动基座40转动。扭簧固定盖54上可以开设多个斜槽543，以方便安装。

请参阅图4，进一步地，固定基座10上设置有锁紧柱塞12，第一转动基座20上开设有与锁紧柱塞12配合的锁紧孔。具体地，锁紧柱塞12的一端连接固定基座10，另一端为可转动的圆球，两端之间设置有弹簧，当折转镜41为切出态时，第一转动基座20的锁紧孔正好对准锁紧柱塞12，锁紧柱塞12的圆球伸入锁紧孔内，以实现对第一转动基座20的固定。

当折转镜41由切出态向切入态切换时，经历如图1到图10再到图2的变化。切出态时，第一转动基座20和第二转动基座40靠近固定基座10，由于扭簧52的作用第二转动轴51发生转动，使得第二转动基座40的一侧抵靠于固定基座10；首先，驱动电机31驱动主动齿轮32转动，进而带动被动齿轮和第一转动基座20转动，第一转动基座20逐渐远离固定基座10；同时，由于扭簧52提供转动扭矩，第二转动基座40同时发生转动，在第二转动基座40的一侧未离开固定基座10前则在固定基座10上移动；当第二基座移动到限位板221，在限位板221的阻挡下第二基座停止转动，第一转动基座20继续转动带动第二转动基座40转动，第二转动基座40离开固定基座10；当第一转动基座20转动至切入态的位置，锁紧件211与失电型电磁铁11接触，驱动电机31停止转动，失电型电磁铁11断电而具有磁性，失电型电磁铁11将锁紧件211紧紧吸附进而将第一转动基座20的位置锁定，此时，折转镜41到达切入态。

当折转镜41由切入态向切出态切换时，经历如图2到图10再到图1的变化。首先对失电型电磁铁11通电，失电型电磁铁11通电时无磁性，使锁紧件211与失电型电磁铁11可以分离；然后驱动电机31驱动主动齿轮32反向转动，进而从动齿轮33带动第一转动基座20和第二转动基座40逐渐靠近固定基座10；当第二转动基座40开始接触固定基座10时，由于第一转动基座20继续带动第二转动基座40靠近固定基座10，则第二转动基座40开始绕第二转动轴51转动，第二转动基座40与固定基座10接触的一侧在固定基座10上移动；在第一转动轴单元30和第二转动轴单元50的共同作用下，折转镜41转动到切出态，此时，第一转动基座20的锁紧孔正好对准锁紧柱塞12，锁紧柱塞12的圆球伸入锁紧孔内，第一转动基座20被锁紧柱塞12固定，驱动电机31停止转动。

θ角为折转镜41切入光路中的角度，首先根据所需切入光路中的角度确定θ角。例如，具体在本实施例中，如图8中所示，折转镜41切入态时所需切入的θ角为45°，规定第一连接部21开设的左右贯通的通孔的轴线和第二连接部22开设的上下贯通通孔的轴线之间的夹角γ角，一般设计过程中，θ角和γ角的角度均为已知。根据所确定的θ角和γ角的角度进一步确定第一转动基座20绕第一转动轴37转动的角度α角，进而确定第二转动基座40绕第二转动轴51转动的角度β角。

设切出态反射镜的初始位置法向单位矩阵为(0 0 1)，

则最后反射镜切入态的法向单位矩阵为(cosθ sinθ 0)，(cosθ sinθ 0)＝(0 01)Rx(α) Rz(γ) Ry(β)，

以图1中的XYZ轴的坐标方向为参照，获得α角、γ角和β角的公式如下：

1、绕X轴逆时针旋转α角，

2、绕Z轴逆时针旋转γ角，

3、绕Y轴逆时针旋转β角，

以上旋转矩阵都是在右手坐标系下计算的，三维旋转矩阵就可由以上三个矩阵相乘得到，最后通过三个角度，使得折转镜41准确地移动到光路中的所需的位置。

进一步地，为了减少切出态和切入态切换过程中，第二转动基座40在所述固定基座10上移动时产生的摩擦，在第二转动基座40上设置有滚轮组件43，通过滚轮组件43实现折转镜41切入态和切出态互相转换时的平稳过渡。

进一步地，在固定基座10上设置有外壳60，以用于对内部的部件实现防尘和保护作用。

本申请提供了一种光路切换装置，包括固定基座10、通过第一转动轴单元30与固定基座10连接的第一转动基座20、通过第二转动轴单元50与第一转动基座20连接的第二转动基座40，折转镜41设置在第二转动基座40上。其中，第一转动基座20包括第一连接部21和续接于第一连接部21底端的第二连接部22；第一转动轴单元30的第一转动轴37穿设于第一转动基座20的第一连接部21且第一转动轴37的两端连接于固定基座10，第一驱动组件驱动第一转动基座20绕第一转动轴37转动，第一连接部21顶端的锁紧件211用于限制切出态切换至切入态的过程中第一转动基座20的转动范围；第二转动轴单元50包括以第二连接部22的上下方向穿设于第二连接部22的第二转动轴51和套设于第二转动轴51的扭簧52；第二转动基座40连接于第二转动轴51远离第一连接部21的一端，扭簧52用于为第二转动轴51提供自转的力矩，以使得第二转动基座40在切出态时抵靠固定基座10，并在切出态切换至切入态的过程中使第二转动轴51带动第二转动基座40转动至限位板221的位置。通过第一转动轴单元30和第二转动轴单元50，实现折转镜41的切入和切出；在切入态，通过锁紧件211限制第一转动基座20的转动自由度，通过限位板221限制第二转动基座40的转动自由度，保证了折转镜41切入光路中的定位精度，结构稳定，实现光路的折转；通过扭簧52提供第二转动轴51自转的力矩以使第二转动轴51带动第二转动基座40转动，使得在切出态，折转镜41占用较小的尺寸空间，实现了结构紧凑。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限制的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种光路切换装置，其特征在于，包括：

固定基座；

第一转动基座，其包括第一连接部和续接于所述第一连接部底端的第二连接部；所述第一连接部顶端设置有锁紧件，所述第二连接部的底端设置有限位板；

第一转动轴单元，其包括第一驱动组件和第一转动轴；所述第一转动轴穿设于所述第一连接部且所述第一转动轴的两端连接于所述固定基座，所述第一驱动组件连接所述第一连接部以驱动所述第一转动基座绕第一转动轴转动，所述锁紧件用于限制切出态切换至切入态的过程中所述第一转动基座的转动范围；

第二转动基座，其设置在所述第一转动基座的下方，折转镜设置在所述第二转动基座上；

第二转动轴单元，其包括以所述第二连接部的上下方向穿设于所述第二连接部的第二转动轴和套设于所述第二转动轴的扭簧；所述第二转动基座连接于所述第二转动轴远离所述第一连接部的一端，所述扭簧用于为所述第二转动轴提供自转的力矩，以使得所述第二转动基座在切出态时抵靠所述固定基座，并在切出态切换至切入态的过程中使所述第二转动轴带动所述第二转动基座转动至所述限位板的位置。

2.根据权利要求1所述的光路切换装置，其特征在于，所述第一驱动组件包括驱动电机、与所述驱动电机的输出端连接的主动齿轮以及与所述主动齿轮啮合的从动齿轮；所述从动齿轮与所述第一转动基座的所述第一连接部连接。

3.根据权利要求2所述的光路切换装置，其特征在于，所述第一连接部通过两个第一轴承与所述第一转动轴连接。

4.根据权利要求3所述的光路切换装置，其特征在于，所述第一转动轴的两个轴端分别设置有轴承内压圈和轴承外压圈，以用于分别将所述第一转动轴的两端固定于所述固定基座。

5.根据权利要求1所述的光路切换装置，其特征在于，所述第二转动轴单元还包括连接于所述第二转动轴靠近所述第一连接部一端的扭簧固定盖，所述扭簧固定盖包括盖头和由所述盖头延伸形成的固定连接所述第二转动轴的端部外周的盖体；所述盖头开设有斜槽，所述扭簧套设于所述盖体且所述扭簧的一个端头收容于所述斜槽，所述扭簧的另一个端头固定于所述第二连接部。

6.根据权利要求5所述的光路切换装置，其特征在于，所述第二转动轴上通过两个第二轴承与所述第一转动基座连接。

7.根据权利要求1所述的光路切换装置，其特征在于，所述第二转动基座上设置有滚轮组件，以用于减少第二转动基座在所述固定基座上移动时的摩擦。

8.根据权利要求1所述的光路切换装置，其特征在于，所述第二转动基座上设置有用于压紧固定所述折转镜的折转镜压件。

9.根据权利要求1所述的光路切换装置，其特征在于，所述锁紧件为铁磁性材料，所述固定基座上设置有失电型电磁铁，以用于断电时通过磁力吸紧所述锁紧件进而实现断电时锁紧第一转动基座。

10.根据权利要求1所述的光路切换装置，其特征在于，所述固定基座上设置有锁紧柱塞，所述第一转动基座上开设有与所述锁紧柱塞配合的锁紧孔。

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