一種空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置，包括次鏡組件和調(diào)焦組件，所述次鏡組件包括次鏡室(1)、次鏡壓圈(2)和次鏡片(3)；調(diào)焦組件包括隔熱墊(4)、殷鋼柱(5)、鋁環(huán)(6)、加熱片(7)、散熱器(8)和熱敏電阻(9)；次鏡片(3)由次鏡壓圈(2)壓緊在次鏡室(1)中。本發(fā)明具有滿足空間使用條件、性能穩(wěn)定、精度高、結(jié)構(gòu)可靠的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置，屬于航天遙感相機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，航天技術(shù)發(fā)展非常迅速，星載空間相機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，空間相機(jī)任務(wù)的關(guān)鍵是獲取和提供清晰完整的圖像，而要想獲得高清晰度的圖像，在相機(jī)攝像時(shí)，地面景物應(yīng)準(zhǔn)確地成像在CCD的感光面上。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對苛刻的發(fā)射環(huán)境和空間環(huán)境下空間相機(jī)的可靠性和精度要求越來越高，航天相機(jī)在運(yùn)輸和發(fā)射過程中會受到振動沖擊，在軌工作時(shí)空間溫度復(fù)雜多變，空間重力場是不同于地球表面的微重力環(huán)境，這些因素都可能導(dǎo)致相機(jī)的成像面與焦平面不重合，即產(chǎn)生不同程度的離焦，從而導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。
[0003]為保證相機(jī)成像質(zhì)量，要求相機(jī)對環(huán)境因素變化具有良好的適應(yīng)性，在對相機(jī)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)支撐和電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在相機(jī)系統(tǒng)中加入調(diào)焦機(jī)構(gòu)，采用相應(yīng)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)來微調(diào)光學(xué)系統(tǒng)中光線成像的位置，補(bǔ)償CCD的離焦量，使星下點(diǎn)目標(biāo)準(zhǔn)確成像在CCD感光面上，已修正這種離焦，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的調(diào)焦量根據(jù)環(huán)境條件和控制精度的要求確定的，從而使相機(jī)能得到高清晰度的圖像。此外，采用空間調(diào)焦，也可以放寬對光學(xué)系統(tǒng)各光學(xué)反射鏡安裝位置及其變化的要求，有利于光學(xué)遙感器在惡劣的環(huán)境下可靠地工作。
[0004]調(diào)焦方式主要由光學(xué)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)形式、調(diào)焦精度及使用環(huán)境條件決定。不同光學(xué)系統(tǒng)其調(diào)焦方式不同，常用的調(diào)焦方式主要有鏡組移動式、焦面反射鏡移動式和焦平面移動式幾種。
[0005]現(xiàn)有的調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有三種:第一種采用CCD焦平面調(diào)焦方案，為了使調(diào)焦控制精度優(yōu)于± 10 μ m，通過分析相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)和光機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了調(diào)焦機(jī)構(gòu)。該調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用兩級減速器，第一級采用精度等級為5級的蝸輪蝸桿副，減速比為33: I;第二級采用精度等級為5級的齒輪副，減速比為3: I;總減速比為99: 1第二種，調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、調(diào)焦鏡組件、運(yùn)動方向轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、蝸輪箱和編碼器等組成。由于大口徑、長焦距、高分辨率是空間相機(jī)的主要特點(diǎn)，鏡頭組件和焦面組件處的光學(xué)元件都不宜用來調(diào)焦。光學(xué)系統(tǒng)中，位于焦面前的校正鏡尺寸小、重量輕，且為球面反射鏡，最適宜用作調(diào)焦鏡。由于調(diào)焦鏡需要沿光軸方向在一定距離范圍內(nèi)移動，通常由絲杠絲母或凸輪機(jī)構(gòu)將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，然后再通過一系列的減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確調(diào)焦。凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較簡單，抗沖擊能力強(qiáng)，適宜用作重載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向轉(zhuǎn)換，但凸輪曲線的加工要求較高，且凸輪機(jī)構(gòu)和其減速機(jī)構(gòu)的空間要求也較大。絲杠絲母機(jī)構(gòu)的抗沖擊能力較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動靈活。由于相機(jī)調(diào)焦鏡組件的重量較輕，故沖擊力較小，適宜選用容易實(shí)現(xiàn)的絲杠絲母結(jié)構(gòu)，同時(shí)選用輕便靈活的直線軸承作導(dǎo)向元件。第三種是一種行程30mm，負(fù)載10kg，可適用在環(huán)境溫度為40°C?+55°C之間的航空光學(xué)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要由以下幾部分組成:帶有滑塊的直線導(dǎo)軌、直線步進(jìn)電機(jī)、直線位移傳感器、數(shù)字信號處理器、步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動模塊。將平面反射鏡固連在滑塊上，直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滑塊沿導(dǎo)軌作直線運(yùn)動，直線位移傳感器檢測滑塊的相對位移量并將此模擬信號傳遞給數(shù)字信號處理器，對其進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號反饋給直線步進(jìn)電機(jī)，確定滑塊的相對位置，對其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
[0006]綜上，目前國內(nèi)空間相機(jī)調(diào)焦環(huán)節(jié)均未涉及到通過調(diào)節(jié)次鏡的位置來補(bǔ)償離焦量，且調(diào)節(jié)方式均選擇精密機(jī)械機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，相比本發(fā)明的設(shè)計(jì)來說，選擇次鏡作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，因次鏡重量相對較輕，且所在位置較為獨(dú)立，相比復(fù)雜的CCD焦平面組件等上述方法，要輕便很多，也較為容易控制，且調(diào)節(jié)目標(biāo)重量較輕，精度較高，在者，精密機(jī)械機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)中，精密部件較多，且精度要求較高，綜合較本發(fā)明方法重量較大，這在航空中是一個(gè)很大的弊端，航空要求低重量，結(jié)構(gòu)緊湊，但以上設(shè)計(jì)方案均較重量，較大體積，較高的經(jīng)濟(jì)投入，而本發(fā)明在精度要求不變的情況下，降低了加工成本，減輕了整體重量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種滿足空間使用條件、性能穩(wěn)定、精度高、結(jié)構(gòu)可靠的空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置及調(diào)焦方法。
[0008]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置，包括:所述主動熱控即應(yīng)用材料的熱膨脹性質(zhì)理念，通過控制裝置中某結(jié)構(gòu)件的溫度，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動位移的目的；所述調(diào)焦裝置選擇調(diào)節(jié)次鏡的位置進(jìn)行離焦量的補(bǔ)償；所述空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置包括次鏡組件和調(diào)焦組件，所述次鏡組件包括次鏡室、次鏡壓圈和次鏡片；所述調(diào)焦組件包括隔熱墊、殷鋼柱、鋁環(huán)、加熱片、散熱器和熱敏電阻；所述次鏡片由次鏡壓圈壓緊在次鏡室中；所述調(diào)隔熱墊起到隔絕次鏡組件與其他部件的溫度傳導(dǎo)的作用，殷鋼柱與次鏡室(I)相連，殷鋼柱上端與鋁環(huán)連接，鋁環(huán)的外圓粘有加熱片，加熱片均勻貼敷于鋁環(huán)外圓面，保證鋁環(huán)溫度變化時(shí)線性膨脹更均勻，鋁環(huán)上端裝有散熱器；在鋁環(huán)上端圓周位置均布粘有4個(gè)熱敏電阻，實(shí)時(shí)監(jiān)測鋁環(huán)的溫度變化情況。
[0009]所述空間相機(jī)調(diào)焦方式中，選擇調(diào)節(jié)次鏡的相對位置進(jìn)行離焦量的補(bǔ)償。
[0010]所述次鏡調(diào)節(jié)驅(qū)動方式選擇非機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動，而是根據(jù)利用材料的熱膨脹性質(zhì)這種理念而設(shè)計(jì)的主動熱控驅(qū)動方式。
[0011]所述利用材料的熱膨脹性質(zhì)設(shè)計(jì)的熱控驅(qū)動方式中調(diào)節(jié)驅(qū)動元件為一定長度的鋁環(huán)。
[0012]所述殷鋼柱與次鏡室連接表面，安裝的隔熱墊為絕緣材料聚酯酰亞胺材料，保證加熱片工作時(shí)，只限于鋁環(huán)的狀態(tài)的改變，而不會將熱量傳導(dǎo)到次鏡組件。
[0013]所述選擇殷鋼柱的目的是由于殷鋼柱的熱膨脹系數(shù)很低，力學(xué)性能良好，可看作在溫度變化時(shí)形狀不發(fā)生改變。
[0014]所述散熱器選擇上在能量消耗允許的情況下，盡量增大與鋁環(huán)的接觸面積，并且保證散熱器的散熱面積更大，提高散熱效率。
[0015]本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果:
[0016](I)本發(fā)明節(jié)約空間、重量輕，空間相機(jī)作為載荷，在保證光機(jī)性能的前提下，盡量減輕質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)較高的輕量化率，結(jié)構(gòu)緊湊，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有良好的振動特性；
[0017](2)本發(fā)明精度高易于控制，相比較機(jī)械調(diào)焦本發(fā)明技術(shù)方案所用零部件較少，驅(qū)動主要靠材料自己本身的特性，而目前機(jī)械調(diào)焦機(jī)構(gòu)中電子元器件較多，整個(gè)工作流程中累計(jì)下來引起誤差的環(huán)節(jié)很多，累計(jì)誤差較大；
[0018](3)本發(fā)明節(jié)約投入成本，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境較為惡劣，要求每個(gè)元器件的級別具有很高的可靠性，這必然增加投入成本，如想實(shí)現(xiàn)較高的精度要求，其余輔助零部件的加工裝調(diào)精度也會隨之增加，這也是增加成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而本發(fā)明節(jié)約成本，與實(shí)際應(yīng)用中有較大的突出特點(diǎn)，具有普遍的適用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明調(diào)焦裝置三維模型等軸視圖；
[0020]圖2為本發(fā)明調(diào)焦裝置三維模型標(biāo)準(zhǔn)視圖；
[0021]圖3為本發(fā)明調(diào)焦裝置組成剖視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]如圖1、2、3所示，本發(fā)明的空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置由所述空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置由次鏡組件和調(diào)焦組件組成，其中次鏡組件包括次鏡室1、次鏡壓圈2、次鏡片3、調(diào)焦組件由隔熱墊4、殷鋼柱5、鋁環(huán)6、加熱片7、散熱器8和熱敏電阻9組成。次鏡組件次鏡片3由次鏡壓圈2壓緊在次鏡室I中，調(diào)焦組件中，隔熱墊4起到隔絕溫度變化時(shí)將熱量傳遞到次鏡組件中，殷鋼柱5通過3個(gè)M3螺釘與次境室I相連，殷鋼柱5上端與鋁環(huán)6用3個(gè)M3螺釘連接，鋁環(huán)6的外圓粘有加熱片7，加熱片7均勻貼敷于鋁環(huán)6外圓面，保證鋁環(huán)6溫度變化時(shí)線性膨脹更均勻，鋁環(huán)6上端裝有散熱器8 ;在鋁環(huán)6上端圓周位置均布粘有4個(gè)熱敏電阻(溫度探測器)9，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測鋁環(huán)的溫度變化情況。
[0023]本發(fā)明的有關(guān)參數(shù)為:次鏡調(diào)焦量0.2mm，共分為12步調(diào)節(jié)，溫度調(diào)節(jié)范圍30°C，鋁環(huán)長度為30mm，每步調(diào)節(jié)溫度為1°C。
[0024]具體計(jì)算過程如下:
[0025]首先介紹該計(jì)算過程中所用到的基本原理為根據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)的概念而產(chǎn)生的，熱膨脹系數(shù)表示物體由于溫度改變而存在的脹縮現(xiàn)象，其變化能力以等壓下，單位溫度變化所導(dǎo)致的體積變化，熱膨脹系數(shù)在較大的溫度區(qū)間內(nèi)通常不是常量，而該機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境溫度基本保證材料的熱膨脹系數(shù)是一個(gè)常量，這也是該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所依據(jù)的△ L重要一點(diǎn)。熱膨脹系數(shù)有線膨脹系數(shù)α，面膨脹系數(shù)β與體膨脹系數(shù)γ。
[0026]線膨脹系數(shù)α = Λ L/ (L* Λ Τ)
[0027]面膨脹系數(shù)β = Δ S/ (S* Δ Τ)
[0028]體膨脹系數(shù)γ = Δ V/ (V* Δ Τ)
[0029]空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要改變沿光軸方向一個(gè)自由度的位移，故該機(jī)構(gòu)只用到線膨脹系數(shù)的概念，其中L為某種材料的初始長度，△ L為在△ T溫度變化情況下物體長度的變化量，該機(jī)構(gòu)把此概念應(yīng)用到機(jī)構(gòu)中，根據(jù)函數(shù)之間的關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)調(diào)焦的目的，具體實(shí)施方案為把線膨脹系數(shù)0作為一個(gè)常數(shù)，AL作為一個(gè)目標(biāo)值，通過控制溫度的變化Λ T來實(shí)現(xiàn)主動控制位移的目的，空間相機(jī)各材料應(yīng)用當(dāng)中，鋁合金的線膨脹系數(shù)較其他空間相機(jī)所用材料的線膨脹系數(shù)高很多，為22.7x10-6，選擇鋁合金作為熱控驅(qū)動的載體，能實(shí)現(xiàn)在較小的溫度變化下，實(shí)現(xiàn)相對較大位移量，而且初始長度L可以做到相對較小，不僅能較好的保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對于控制和能量的消耗都有相對較低的要求。
[0030]該空間相機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)α = Δ L/ (L* Δ Τ)公式，
[0031]其中α = 22.7x10-6 ;
[0032]溫度變化范圍為ΔΤ = 300C ；
[0033]總的調(diào)焦量為AL = 0.2mm ;
[0034]調(diào)焦步數(shù)為12步；
[0035]將上述值帶入公式α = Δ L/ (L* Δ Τ)中，
[0036]則22.7x10-6 = 0.2/ (L*30)
[0037]則可計(jì)算得到需要鋁環(huán)的長度L約為30mm。
[0038]同樣在已得到鋁環(huán)長度30mm的情況下，每步溫度變化約為1°C。
[0039]空間相機(jī)測得需要調(diào)焦時(shí)，熱敏電阻作為溫度傳感器，首先測得當(dāng)下的溫度，反饋到控制系統(tǒng)，則控制系統(tǒng)發(fā)出指令使加熱片以溫升I度的方式進(jìn)行加熱，則鋁環(huán)在光軸方向上產(chǎn)生微小位移，在調(diào)焦過程中殷鋼柱的外圓與鋁合金配合的內(nèi)圓留有0.1mm的間隙，防止了鋁環(huán)在圓周方向發(fā)生變化時(shí)與殷鋼柱外圓發(fā)生干涉，而殷鋼柱是一種具有低熱膨脹性質(zhì)的鐵鎳合金，最大特點(diǎn)隨溫度的變形極小，適合于制作對溫度變形有嚴(yán)格要求的零件，導(dǎo)熱系數(shù)低，塑形、韌性高，并且經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕鼗?，壓延等處理，均勻得到一個(gè)零的膨脹系數(shù)，因此在溫度變化中，要求得到較高精度和較小變形的光機(jī)結(jié)構(gòu)中，均采用此種材料，故可認(rèn)為殷鋼在溫度發(fā)生改變時(shí)，長度沒有變化，及鋁環(huán)沿光軸的位移直接驅(qū)動次鏡位置沿光軸位置的發(fā)生改變，直到調(diào)焦過程結(jié)束。
[0040]上述所提到的實(shí)施方式僅作為本發(fā)明技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)解釋為對本發(fā)明的限制，任何對本發(fā)明進(jìn)行顯而易見的局部更改都應(yīng)視為本發(fā)明的替代方案。這種替代方案包括設(shè)計(jì)理念相同，材料選擇的改變，本質(zhì)不變，結(jié)構(gòu)形式的變化，安裝方式的改變，連接孔的大小、多少等。這些更改和變化不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置，其特征在于包括:所述主動熱控即應(yīng)用材料的熱膨脹性質(zhì)理念，通過控制裝置中某結(jié)構(gòu)件的溫度，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動位移的目的；所述調(diào)焦裝置選擇調(diào)節(jié)次鏡的位置進(jìn)行離焦量的補(bǔ)償；所述空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置包括次鏡組件和調(diào)焦組件，所述次鏡組件包括次鏡室(1)、次鏡壓圈(2)和次鏡片(3);所述調(diào)焦組件包括隔熱墊(4)、殷鋼柱(5)、鋁環(huán)(6)、加熱片(7)、散熱器(8)和熱敏電阻(9);所述次鏡片(3)由次鏡壓圈(2)壓緊在次鏡室(1)中；所述調(diào)隔熱墊(4)起到隔絕次鏡組件與其他部件的溫度傳導(dǎo)的作用，殷鋼柱(5)與次鏡室(1)相連，殷鋼柱(5)上端與鋁環(huán)(6)連接，鋁環(huán)￠)的外圓粘有加熱片(7)，加熱片(7)均勻貼敷于鋁環(huán)(6)外圓面，保證鋁環(huán)(6)溫度變化時(shí)線性膨脹更均勻，鋁環(huán)(6)上端裝有散熱器(8);在鋁環(huán)(6)上端圓周位置均布粘有4個(gè)熱敏電阻(9)，實(shí)時(shí)監(jiān)測鋁環(huán)的溫度變化情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置，其特征在于:所述鋁環(huán)(6)為調(diào)焦裝置的熱控驅(qū)動元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置，其特征在于:在所述殷鋼柱(5)與次鏡室連接表面安裝有聚酯酰亞胺絕緣材料，保證加熱片(7)工作時(shí)，只限于鋁環(huán)的狀態(tài)的改變，而不會將熱量傳導(dǎo)到次鏡組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間相機(jī)主動熱控調(diào)焦裝置，其特征在于:所述散熱器(5)選擇上在能量消耗允許的情況下，盡量增大與鋁環(huán)(6)的接觸面積，并且保證散熱器(8)的散熱面積更大，提高散熱效率。
【文檔編號】G03B13/32GK104503061SQ201410817887
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】相里斌, 呂群波, 李偉艷, 張丹丹, 劉揚(yáng)陽, 王建威, 裴琳琳, 陳鑫雯, 孫建穎 申請人:中國科學(xué)院光電研究院