CN213399028U - 一种高精度快速调焦装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度快速调焦装置，包括：控制板、导轨、安装在所述导轨上并且可沿着所述导轨移动的镜组、用于采集所述镜组在所述导轨上的位置信息的光栅位移传感器、用于控制所述镜组在所述导轨上移动的音圈电机和用于锁定或解锁所述镜组在所述导轨上位置的电磁销，所述控制板第一端与所述光栅位移传感器电连接，所述控制板的第二端与所述音圈电机电连接，所述控制板的第三端与所述电磁销电连接。本实用新型采用音圈电机、光栅位移传感器相结合的方式，通过可靠的闭环控制，达到稳定的快速调焦，实现快响应、高精度的运动指标，可有效地提升了光学系统的动态技术指标。

Description

一种高精度快速调焦装置

技术领域

本实用新型属于光电探测技术领域，更具体地，涉及一种高精度快速调焦装置。

背景技术

相机为获得高清晰度的图像，在摄像时，目标应准确地成像在CCD或胶片的感光面上。由于目标是高速运动的，会造成相机的离焦现象，影响成像质量。为了保证成像质量，需要在相机系统中加入调焦机构，以修正这种离焦。调焦机构的调焦量是根据实时的目标距离确定的，从而使相机能得到高清晰度的目标图像。

而当成像目标运动频率高、速度快时，对调焦机构响应速度、精度有着更高的要求。通常调焦机构的执行机构采用蜗轮蜗杆传动驱动丝杠运动方式，或者步进电机驱动丝杠运动方式，存在以下的问题和缺陷：往往很难使调焦机构的稳定性、快速性和准确性达到要求。因此，需要开发一种新型的调焦机构。

实用新型内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种高精度快速调焦装置，采用音圈电机、光栅位移传感器相结合的方式，通过可靠的闭环控制，达到稳定的快速调焦，实现快响应、高精度的运动指标，可有效地提升了光学系统的动态技术指标。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种高精度快速调焦装置，包括：控制板、导轨、安装在所述导轨上并且可沿着所述导轨移动的镜组、用于采集所述镜组在所述导轨上的位置信息的光栅位移传感器、用于控制所述镜组在所述导轨上移动的音圈电机和用于锁定或解锁所述镜组在所述导轨上位置的电磁销，所述控制板第一端与所述光栅位移传感器电连接，所述控制板的第二端与所述音圈电机电连接，所述控制板的第三端与所述电磁销电连接。

优选的，所述控制板包括数字信号处理模块、可编程逻辑器件模块、第一通信模块、第二通信模块、第一光电隔离电路、功率放大器、第二光电隔离电路、继电器和时钟模块，所述数字信号处理模块的第一端与所述第一通信模块电连接，所述数字信号处理模块的第二端与所述可编程逻辑器件模块的第一端电连接，所述可编程逻辑器件模块的第二端与所述第二通信模块的第一端电连接，所述可编程逻辑器件模块的第三端与所述第一光电隔离电路的第一端电连接，所述可编程逻辑器件模块的第四端与所述第二光电隔离电路的第一端电连接，所述可编程逻辑器件模块的第五端与所述时钟模块电连接，所述第一光电隔离电路的第二端与所述功率放大器的第一端电连接，所述第二光电隔离电路的第二端与所述继电器的第一端电连接，所述功率放大器的第二端与所述音圈电机电连接，所述继电器的第二端与所述电磁销电连接，所述第二通信模块的第二端与所述光栅位移传感器电连接。

优选的，所述第一通信模块为RS422通信电路。

优选的，所述第二通信模块为485差分电路。

优选的，所述控制板还包括电源模块。

优选的，所述光栅位移传感器包括标尺光栅和光栅读数头。

总体而言，本实用新型与现有技术相比，具有有益效果：采用音圈电机、光栅位移传感器相结合的方式，通过可靠的闭环控制，达到稳定的快速调焦，实现快响应、高精度的运动指标，可有效地提升了光学系统的动态技术指标，并且还采用了电磁销，来防止镜组相互碰撞导致的损坏。

附图说明

图1是本实用新型实施例的高精度快速调焦装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型的一种高精度快速调焦装置，包括：控制板、导轨、安装在导轨上并且可沿着导轨移动的镜组、用于采集镜组在导轨上的位置信息的光栅位移传感器、用于控制镜组在导轨上移动的音圈电机和用于锁定或解锁镜组在导轨上位置的电磁销，控制板第一端与光栅位移传感器电连接，控制板的第二端与音圈电机电连接，控制板的第三端与电磁销电连接。

音圈电机是一种将电信号转换成直线位移的直流伺服电机，它基于安培力原理，即，通电线圈放在磁场中产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成正比。音圈电机在理论上有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小且力特性好、控制方便等一系列优点，使它更适用于要求高加速度、高频激励、快速和高精度定位的控制系统中。根据负载质量(2kg)估算电机峰值力需大于为30N，行程为55mm，音圈电机优选为美国BEI公司直线式音圈电机LA23-55-000A，其性能指标如下：

a)峰值电压：38.9V；

b)峰值电流：10.81A；

c)力常数：8.22N/A；

d)反电动势常数：8.22V/M/Sec

d)直流电阻：3.6Ω；

e)电枢电感：3.6mH；

f)峰值出力：大于等于88.9N；

g)连续出力：27.1N。

h)电气时间常数：1ms；

i)机械时间常数：18.1ms；

g)最大行程：57.3mm；

k)线圈组质量：340g。

光栅位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅位移传感器具体由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，具有测量精度高、测量范围大、响应速度快以及环境适应性强等突出优点，广泛应用于工程测量中，在快速自动调焦系统中，光栅位移传感器用于进行实时测量镜组的位移，以实现快速自动调焦系统焦距的精确闭环控制。因此，光栅位移传感器的性能直接决定了快速自动调焦系统的整体性能。光栅位移传感器优选采用英国雷尼绍公司生产的型号为RL26BAE005D10F光栅位移传感器，主要性能指标如下：

a)量程：80mm；

b)分辨率：5nm；

c)精度:±1um@20℃；

d)输入电压：+5V；

e)数据长度：26位。

通过使用无摩擦的大位移音圈电机和导轨的相互配合实现大范围运动，利于高精度光栅位移传感器得到的调焦机构的位置信息，可实现调焦机构快速响应的高精度闭环控制。

优选的，控制板包括数字信号处理模块(DSP)、可编程逻辑器件模块(CPLD)、第一通信模块、第二通信模块、第一光电隔离电路、功率放大器、第二光电隔离电路、继电器和时钟模块，数字信号处理模块的第一端与第一通信模块电连接，数字信号处理模块的第二端与可编程逻辑器件模块的第一端电连接，可编程逻辑器件模块的第二端与第二通信模块的第一端电连接，可编程逻辑器件模块的第三端与第一光电隔离电路的第一端电连接，可编程逻辑器件模块的第四端与第二光电隔离电路的第一端电连接，可编程逻辑器件模块的第五端与时钟模块电连接，第一光电隔离电路的第二端与功率放大器的第一端电连接，第二光电隔离电路的第二端与继电器的第一端电连接，功率放大器的第二端与音圈电机电连接，继电器的第二端与电磁销电连接，第二通信模块的第二端与光栅位移传感器电连接。

优选的，第一通信模块为RS422通信电路。

优选的，第二通信模块为485差分电路。

优选的，控制板还包括电源模块，为控制板其他模块提供电能。

考虑到数字控制系统实现的复杂程度和软件编制的高效性，DSP优选采用TI公司的DSP产品——TMS320F28335。TMS320F28335数字信号处理器是TI公司推出的32位定点+单精度浮点单元DSP控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一，其最高频率达150MHz，大大提高了控制系统的控制精度和芯片的处理能力，是电机数字化控制的最佳选择。

DSP芯片是整个数字控制的核心，其主要功能为：

a)通过I/O寻址读入CPLD处理过的光栅位移传感器的数字量化信号；

b)通过RS422通信电路，接收上位机的调焦指令，同时向上位机反馈焦距信息；

c)将调焦指令和焦距信息进行数字信号处理，即，PID控制运算；

d)将处理完的数字信号转换成PWM信号，经过光电隔离，提供给功率放大器控制力矩电机；

e)根据控制指令输出功率放大器的使能信号；

f)通过CPLD控制电磁销动作。

CPLD主要实现的功能：

a)将DSP的I/O接口进行扩展；

b)为DSP提供时钟信号；

c)为光栅尺提供时钟信号(频率设置为100kHz)；

d)对接收光栅尺的位置信号进行解码。

光栅位移传感器优选采用BISS串行通信协议，传输方式是应答方式，当光栅位移传感器收到时钟信号将自动向外发送位置信息，时钟信号的发送频率决定了光栅位移传感器的发送速率。由于光栅位移传感器发送的信号是差分信号，CPLD不能直接接收，优选采用485差分电路将差分信号转化为TTL电平信号。485差分电路获取光栅尺的位置信息，即，镜组在导轨上的位置信息，位置信息在CPLD中按BISS串行通信协议解码预处理。

DSP处理器通过数据总线接收来CPLD的预处理位置信息，调焦机构的工作带宽小于50Hz，因此，位置信息的更新频率可设置为500Hz。根据上位机系统的指令进行PID运算，形成电机控制指令，指令以PWM信号的形式输出到音圈电机的电机驱动器，PWM信号为25kHz。

音圈电机的电机驱动器优选选用西安伟京电子制造有限公司的混合集成开关放大器WSA37，电机驱动器输出控制电压到音圈电机，音圈电机驱动镜组在导轨上作直线运动，形成闭环控制。为提高控制信号可靠性和消除电磁干扰影响，由DSP产生的控制信号经隔离驱动电路后输出至音圈电机。

电磁销可实现调焦机构自我防护。由于调焦机构在断电状态下会在导轨上无状态的自由移动，为了防止镜组的相互碰撞，导致产品损坏，需要在断电状态下使镜组固定不动，因此，在调焦机构在断电前，通过上位机向DSP处理器发出锁定镜组指令，DSP处理器控制镜组运动到指定位置，然后DSP处理器依次通过CPLD、光电隔离器、继电器向电磁销发送正电压，电磁销正向动作，锁定镜组。调焦机构断电后，电磁销不会再次动作。当调焦机构重新上电后，上位机向DSP处理器发出解锁镜组指令，然后DSP处理器通过CPLD、光电隔离器、继电器向电磁销发送负电压，电磁销反向动作，镜组解锁。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度快速调焦装置，其特征在于，包括：控制板、导轨、安装在所述导轨上并且可沿着所述导轨移动的镜组、用于采集所述镜组在所述导轨上的位置信息的光栅位移传感器、用于控制所述镜组在所述导轨上移动的音圈电机和用于锁定或解锁所述镜组在所述导轨上位置的电磁销，所述控制板第一端与所述光栅位移传感器电连接，所述控制板的第二端与所述音圈电机电连接，所述控制板的第三端与所述电磁销电连接。

2.如权利要求1所述的一种高精度快速调焦装置，其特征在于，所述控制板包括数字信号处理模块、可编程逻辑器件模块、第一通信模块、第二通信模块、第一光电隔离电路、功率放大器、第二光电隔离电路、继电器和时钟模块，所述数字信号处理模块的第一端与所述第一通信模块电连接，所述数字信号处理模块的第二端与所述可编程逻辑器件模块的第一端电连接，所述可编程逻辑器件模块的第二端与所述第二通信模块的第一端电连接，所述可编程逻辑器件模块的第三端与所述第一光电隔离电路的第一端电连接，所述可编程逻辑器件模块的第四端与所述第二光电隔离电路的第一端电连接，所述可编程逻辑器件模块的第五端与所述时钟模块电连接，所述第一光电隔离电路的第二端与所述功率放大器的第一端电连接，所述第二光电隔离电路的第二端与所述继电器的第一端电连接，所述功率放大器的第二端与所述音圈电机电连接，所述继电器的第二端与所述电磁销电连接，所述第二通信模块的第二端与所述光栅位移传感器电连接。

3.如权利要求2所述的一种高精度快速调焦装置，其特征在于，所述第一通信模块为RS422通信电路。

4.如权利要求2所述的一种高精度快速调焦装置，其特征在于，所述第二通信模块为485差分电路。

5.如权利要求1所述的一种高精度快速调焦装置，其特征在于，所述控制板还包括电源模块。

6.如权利要求1所述的一种高精度快速调焦装置，其特征在于，所述光栅位移传感器包括标尺光栅和光栅读数头。

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