一种带光学补偿的灵巧型滤波片切换机构及切换方法

技术领域

本发明属于精密光机设计装配领域，涉及一种带光学补偿的灵巧型滤波片切换机构及切换方法。

背景技术

精密光机系统的应用深入到各个领域，实现对目标场景光源信息的采集。然而，用于清晰成像的光谱范围较宽，且难以通过一种光路实现对全谱段光束的精确控制；因此，用于对光谱进行选通的滤光片在精密光机系统中得到了广泛应用，实现系统在有效波段内的清晰成像。致使滤波片切换的机构得到了长足的发展。

目前常用的滤光片切换机构有两种形式：一种是最简单直接单独切换滤光片形式；单独将滤光片切入或切出容易影响系统光路中的光程分布，这造成成像模糊，因此还需要调整探测器靶面的位置，或在光路中选取几片光学镜予以补偿，该方法虽然在实现滤光片切换的功能下，能够提高系统的环境适应性，但是需要两套驱动机构以及控制策略，结构形式复杂。另一种是在切换滤光片的过程中，同步给光路补偿一片适合厚度的光学平板玻璃；该方法控制简单，通过一套驱动机构即可实现切换，但由于采用固定厚度平板玻璃实现补偿，因此不能适用于-45℃-70℃宽温域环境工况的成像补偿。

为应对宽温域情况下成像光路切换滤光片的需求，本发明采用双楔形镜补偿的方式，通过集成一套驱动机构实现滤光片切换补偿的工况，同时满足高低温工况下光程补偿的需求。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种带光学补偿的灵巧型滤波片切换机构及切换方法，解决宽温域情况下成像光路切换滤光片形式复杂的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明带光学补偿的灵巧型滤波片切换机构包括基座1、滤光片2、滤光片架3、小楔形镜4、大楔形镜5、微型驱动器6、拨片7、位移放大杆8、弹片9、小楔形镜压片10、大楔形镜压片11、限位开关12、自准直仪13。

所述滤光片2通过粘接安装在滤光片架3上，限位开关12与滤光片支架3固定；大楔形镜5通过粘接和大楔形镜压片11压的方式与微型驱动器6的运动端子固定，拨片7固定在微型驱动器6的运动端子的侧面，大楔形镜5和拨片7能够随微型驱动器6的运动端子自由平移；滤光片架3通过小型轴承与基座1固定，能够相对基座1绕固定点旋转；小楔形镜4通过粘接和小楔形镜压片10压的方式与基座1固定，长直角面与滤光片面平行，中心与滤光片2中心重合；微型驱动器6与基座1固定，运动端子运动方向与小楔形镜4斜面平行，保证大楔形镜5的斜面与小楔形镜4的斜面平行，且运动过程中与小楔形镜4之间的空气间隔固定；弹片9固定端与基座1固定，弹片9支撑端与滤光片架3紧密接触；位移放大杆8与基座1旋转固定，远端始终与滤光片架3紧密接触。

所述小楔形镜4直角边l

(1)大楔形镜5在微型驱动器带动下运动距离确定：

大楔形镜5在微型驱动器6的带动下运动距离S，也是微型驱动器6运动行程，为：

S＝S0+S1+S4

式中，S0为实现补偿滤光片2打进打出带来像面移动的补偿量，S1为滤光片2打入状态下温度补偿调节距离，S4为滤光片2打出状态下温度反向补偿调节距离，S1、S4根据光学系统要求确定；

补偿滤光片2打进打出带来像面移动的补偿量S0：

S0＝d

式中，d

(2)大楔形镜5直角边长度确定

大楔形镜5直角边的长度的最小值l

l

(3)位移放大杆8的位移放大倍率确定

位移放大杆8的位移放大倍率α：

α＝D/(S0-S2-S3)

式中，S2为滤光片2打入状态下温度反向补偿调节距离，S3为滤光片2打出状态下温度补偿调节距离。

所述切换机构通过微型驱动器6驱动控制实现滤光片2切入切出，同时能够在滤光片2切入切出状态下，控制大楔形镜5进入和远离光路，实现-45℃-70℃情况下调焦补偿。

所述弹片9为弹簧钢材料，弹片厚度为0.3mm，弹片9的推力通过调整弹片固定端的倾斜度调整。

所述微型驱动器6的直线驱动线性度为0.005mm，驱动力大于弹片9弹力的8倍。

所述小楔形镜压片10和大楔形镜压片11为弹簧钢材料，压片厚度为0.1mm，压片的压接力度通过槽形安装孔的安装位置调整。

本发明带光学补偿的灵巧型滤波片切换方法的过程为：

进行光学精密装配时，首先将基座安放在水平平台上，自准直仪调整水平，以滤光片长直角面为基准，调整自准直仪的方向，使自准直仪准直成像，保证自准直仪不动，切出滤光片；粘接小楔形镜，保证小楔形镜的长直角面反射的自准直仪光线，能够使自准直仪成自准直像；调整并固定微型驱动器，使大楔形镜的直角面反射自准直仪光线，能够使自准直仪成自准直像，并保证该面在大楔形镜运动过程中保持自准直像不变；使用时，微型驱动器驱动大楔形镜厚端远离光路，滤光片支架在弹片的推动下旋转，带动滤光片切入光路，滤光片支架推动位移放大杆到基座上的限位处并停止，此时滤光片为切入状态，微型驱动器驱动大楔形镜厚端可继续远离光路，实现调焦，满足滤光片切入状态下不同温度下的补偿作用；微型驱动器驱动大楔形镜厚端接近光路，同时带动拨片快速靠近位移放大杆，接触并推动位移放大杆旋转，进而推动滤波片支架，在位移放大杆和弹片的合力作用下，滤波片切出光路，直至限位开关响应，此时滤光片为切出状态，微型驱动器驱动大楔形镜厚端可继续接近光路，实现调焦，满足滤光片切出状态下不同温度下的补偿作用。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的带光学补偿的灵巧型滤波片切换机构及切换方法，采用双楔形镜相互运动的方式，配合滤光片切入切出，实现滤光片切换过程中的光程补偿；完成补偿由于滤光片切换带来的光程差后，同时持续移动双楔形镜的相对位置，在滤光片切入或切出状态下，能够满足宽温域下调焦的需求；滤光片切换装置与双楔形镜驱动集成到一套直线运动机构上，提升系统的集成度，缩小了系统的体积和重量。

附图说明

图1为本发明一种带光学补偿的灵巧型滤波片切换机构的三维图。

图2为本发明的切换机构装配方案程图。

图3a、3b为本发明的切换机构滤光片打入打出工作方案图。

图4a、4b、4c为本发明的切换机构滤光片打入状态下各光学元器件实现温度补偿方案图。

图5a、5b、5c为本发明的切换机构滤光片打出状态下各光学元器件实现温度补偿方案图。

其中：1-基座、2-滤光片、3-滤光片架、4-小楔形镜、5-大楔形镜、6-微型驱动器、7-拨片、8-位移放大杆、9-弹片、10-小楔形镜压片、11-大楔形镜压片、12-限位开关、13-自准直仪、14-光学调整平台、15-水平仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例带光学补偿的灵巧型滤波片切换机构包括：基座1、滤光片2、滤光片架3、小楔形镜4、大楔形镜5、微型驱动器6、拨片7、位移放大杆8、弹片9、小楔形镜压片10、大楔形镜压片11、限位开关12。

滤光片2通过粘接安装在滤光片架3上，滤光片架3通过小型轴承旋转安装到基座1上，能够相对基座1绕固定点旋转；限位开关12感应部分与滤光片架3固定，限位开关12固定部分与基座1固定；大楔形镜5与微型驱动器6的运动端子分别通过粘接和大楔形镜压片11固定，拨片7固定在微型驱动器6的运动端子侧面，大楔形镜5和拨片7能够随微型驱动器6的运动端子自由平移；小楔形镜4通过粘接和小楔形镜压片10与基座1固定，长直角面与滤光片2面平行，中心与滤光片2中心重合；微型驱动器6与基座1固定，运动端子运动方向与小楔形镜4斜面平行，保证大楔形镜5的斜面与小楔形镜4的斜面平行，且运动过程中与小楔形镜4之间的空气间隔固定；弹片9固定端与基座1固定，弹片9支撑端与滤光片架3紧密接触；位移放大杆8与基座1旋转固定，远端始终与滤光片架3紧密接触。

所述小楔形镜4直角边l

(1)大楔形镜5在微型驱动器6带动下运动距离确定:

大楔形镜5在微型驱动器6的带动下运动距离S，也是微型驱动器6运动形成，为：

S＝S0+S1+S4

式中，S0为实现补偿滤光片2打进打出带来像面移动的补偿量，S1为滤光片2打入状态下温度补偿调节距离，S4为滤光片2打出状态下温度反向补偿调节距离，S1、S4根据光学系统要求确定。

补偿滤光片2打进打出带来像面移动的补偿量S0：

S0＝d

(2)大楔形镜5直角边长度确定

大楔形镜5直角边的长度的最小值l

l

(3)位移放大杆8的位移放大倍率确定

位移放大杆8的位移放大倍率α：

α＝D/(S0-S2-S3)

式中，S2为滤光片2打入状态下温度反向补偿调节距离，S3为滤光片2打出状态下温度补偿调节距离。

所述弹片9为弹簧钢材料，弹片厚度为0.3mm，弹片9的推力通过调整弹片9固定端的倾斜度调整。

所述微型驱动器6的直线驱动线性度为0.005mm，驱动力大于弹片9弹力的8倍。

所述小楔形镜压片10和大楔形镜压片11为弹簧钢材料，厚度为0.1mm，压接力度通过槽形安装孔的安装位置调整。

所述切换机构通过微型驱动器6驱动控制实现滤光片2切入切出，并控制大楔形镜5进入和远离光路，实现-45℃-70℃情况下调焦补偿。

图2为本发明的切换机构装配方法程图。进行光学精密装配时，首先将基座1安放在光学调整平台14上，通过水平仪15将平台调整水平，自准直仪13调整水平，以滤光片2为基准，调整自准直仪13的方向，使自准直仪13能够自准直成像，保证自准直仪13不动，切出滤光片2；粘接小楔形镜4，保证小楔形镜4的长直角面反射的自准直仪光线，能够使自准直仪13成自准直像；调整并固定微型驱动器6，使大楔形镜5的直角面反射自准直仪13光线，能够使自准直仪13成自准直像，并保证该面在大楔形镜5运动过程中保持不变。

图3a和3b为本发明滤光片2入打出工作方案图。工作时，微型驱动器6驱动大楔形镜5厚端远离光路，滤光片支架3在弹片9的推动下旋转，带动滤光片2切入光路，滤光片支架3推动位移放大杆8到基座1上的限位处并停止，此时滤光片2为切入状态，如图3a所示。微型驱动器6驱动大楔形镜5厚端接近光路，同时带动拨片7快速靠近位移放大杆8，接触并推动位移放大杆8旋转，进而推动滤波片支架3，在位移放大杆8和弹片9的合力作用下，滤波片2切出光路，直至限位开关12响应，此时滤光片3为切出状态，如图3b所示。

图4a、4b、4c为本发明的切换机构滤光片2打入状态下各光学元器件实现温度补偿方案图。在滤光片2打入状态下，常温情况见图4a。机构温度发生变化需要成像面远离时，需要微型驱动器6驱动大楔形镜5厚端远离光路，调节距离S1，实现温度补偿；此过程中滤光片支架3一直处于限位状态，因此滤光片2的位置未发生变化，见图4b。机构温度发生变化需要成像面靠近时，需要微型驱动器6驱动大楔形镜5厚端靠近光路，调节距离S2，实现温度反向补偿；此过程中滤光片支架3间接受微型驱动器6的驱动，使滤光片2的产生一定的偏移，但未移出有效通光孔径范围，见图4c。

图5a、5b、5c为本发明的切换机构滤光片打出状态下各光学元器件实现温度补偿方案图。在滤光片2打出状态下，常温情况见图5a。机构温度发生变化需要成像面远离时，需要微型驱动器6驱动大楔形镜5厚端远离光路，调节距离S3，实现温度补偿；此过程中滤光片支架3间接受微型驱动器6的驱动以及弹片9推力，使滤光片2的产生一定的偏移，但未进入有效通光孔径范围，见图5b。机构温度发生变化需要成像面靠近时，需要微型驱动器6驱动大楔形镜5厚端靠近光路，调节距离S4，实现温度反向补偿；此过程中滤光片支架3间接受微型驱动器6的驱动，使滤光片2的产生一定的偏移，见图5c。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。