CN110531482A - 一种柔性高精度次镜组件调焦机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性高精度次镜组件调焦机构，解决了传统调焦方式结构复杂、调焦精度差、调焦过程易出现卡滞，且调焦机构加工和装配复杂的问题。该调焦机构包括：包括底架、固定环、柔性支撑导向机构、被探环板、压电陶瓷致动器、柔性放大机构以及测量反馈传感器；底架、固定环、被探环板、柔性支撑导向机构依次安装，柔性支撑导向机构上安装被调焦次镜组件，压电陶瓷致动器和柔性放大机构为多个，并一一配合组成多个用于提供调焦量的驱动机构；多个驱动机构安装在底架和支撑导向机构之间，测量反馈传感器安装在底架上并用于测量调焦次镜组件的位移量。

Description

一种柔性高精度次镜组件调焦机构

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种柔性高精度次镜组件调焦机构。

背景技术

调焦机构是光机系统中的重要组件。地基望远镜、经纬仪等光学仪器由于使用环境温度等因素变化的影响，引起沿光轴光学元件间距变化，会造成系统像差；空间相机更是承受发射阶段的振动、冲击、高低温等严苛力学环境的影响，可能造成成像质量下降。针对上述情况，通过调焦系统调节离焦量，是保证系统像质的关键环节和重要手段。

成像光学系统一般由多个具有不同作用的光学元件组成。主次镜组对成像起决定作用，其对光学间隔的要求非常严格，基于此，传统调焦更倾向选择对光学间隔不敏感的光学元件(校正镜等)作为调焦镜。此调节方式需要较大的调焦量和较低的调焦分辨率。常用的调焦机构有丝杠螺母和凸轮机构。丝杠螺母机构费用较低，但是其在极限位置容易卡滞；凸轮机构可靠性高，调焦准确，但是其设计加工和装配较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性高精度次镜组件调焦机构，解决了传统调焦方式结构复杂、调焦精度差、调焦过程易出现卡滞，且调焦机构加工和装配复杂的问题。

本发明的基本设计思路是：

利用压电陶瓷致动器作为动力源，配合柔性放大机构组成驱动机构，满足调焦位移输出量，同时以柔性支撑导向机构作为次镜支撑和导向机构，实现次镜的高精度调焦。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种柔性高精度次镜组件调焦机构，包括底架、固定环、柔性支撑导向机构、被探环板、压电陶瓷致动器、柔性放大机构以及测量反馈传感器；

底架包括水平底板以及周向均布在水平底板外沿上的至少三个竖直支撑臂；竖直支撑臂一端与所述水平底板外沿固连，另一端与所述固定环固连，使得水平底板与所述固定环保持平行；

柔性支撑导向机构包括中心盘以及沿周向均布在中心盘外圆表面，且沿中心盘径向向外伸出的至少六组柔性臂组件；

柔性臂组件沿着中心盘的径向方向依次由第一连接部、柔性部以及第二连接部组成；

被调焦次镜组件的次镜座底面设有与所述柔性支撑导向机构形状相适配的凹部，柔性支撑导向机构整体嵌入所述凹部并通过第一连接部固定在凹部内，同时柔性部以及第二连接部向外伸出次镜座外部；

固定环通过至少六个第二连接部与柔性支撑导向机构相连；

被探环板固定在被调焦次镜组件的次镜座底面；被探环板上设有至少三个凸起；

压电陶瓷致动器和柔性放大机构均至少为三个；每一个压电陶瓷致动器与每一个柔性放大机构配合安装，组成一个驱动机构；至少三个驱动机构均布在水平底板上；至少三个驱动机构的输出端均与所述中心盘连接；

测量反馈传感器至少三个，均固定插装在所述水平底板上，且分别与所述至少三个凸起位置一一对应。

进一步地，为了放大调焦量，上述柔性放大机构包括顶部柔性铰链、两个侧臂以及中部柔性臂；

顶部柔性铰链呈拱形结构，顶部柔性铰链的两端分别与两个侧臂顶部连接，且顶部柔性铰链分别与两个侧臂之间的夹角为α，且α大于90°；

中部柔性臂安装在两个侧臂之间，且远离侧臂顶部；

压电陶瓷致动器安装在两个侧臂之间，且位于所述中部柔性臂下方。

该柔性放大机构实际上为两级柔性放大结构，两个侧臂与中部柔性臂构成第一级杠杆放大机构，两个侧臂与顶部柔性铰链构成三角形放大机构，通过两级放大结构在保证了该柔性放大机构位移输出精度满足要求的条件下，还提高了位移输出量，满足了所需的调焦要求。

进一步地，上述柔性放大机构的位移量满足以下关系式：

其中，l₁为压电陶瓷致动器的中轴线与中部柔性臂中轴线之间的垂直距离；

l₂为中部柔性臂中轴线与顶部柔性铰链和侧臂连接位置中心之间的垂直距离；

θ_T＝α-90°；

l_PZT压电陶瓷致动器输出的位移量；

进一步地，上述柔性放大机构为钛合金Tc10材料制成，通过慢走丝加工方法形成顶部柔性铰链、两个侧臂以及中部柔性臂。

进一步地，上述顶部柔性铰链的中间开设沉头通孔，相应地，所述中心盘上设置有与所述沉头通孔位置对应的螺钉孔，顶部柔性铰链通过沉头螺钉与中心盘实现连接。

进一步地，为了便于加工，同时为确保柔性支撑导向机构的刚度满足使用要求，上述柔性部由四根细杆组成，四根细杆均安装在第一连接部和第二连接部之间，并且第一连接部、第二连接部和四根细杆之间为中空结构。实际上，柔性臂组件中的第一连接部、第二连接部以及两者之间的四根细杆是通过慢走丝加工出来的一体化的结构。

进一步地，为了便于安装拆卸，上述第一连接部与所述凹部之间、第二连接部与固定环之间以及被探环板与被调焦次镜组件的次镜座底面之间均通过沉头螺钉连接。

进一步地，上述压电陶瓷致动器为柱状，且压电陶瓷致动器的输出位移小于等于100um。

进一步地，上述压电陶瓷致动器通过结构预紧或者胶粘的方式安装在两个侧臂之间。

进一步地，上述中心盘的中心开设有减重孔。

本发明的有益效果是：

1、本发明所采用的调焦机构采用压电陶瓷致动器配合柔性放大机构构成的驱动机构，在保证足够位移驱动的前提下，可以提供足够高的位移分辨率，保证亚微米级的调焦精度，相比于传统调焦方式，控制方式大为简化，运动可靠性更高；同时，采用柔性支撑导向机构，相比于传统的丝杠螺母、凸轮机构等传统机构，其变形主要建立在柔性部的弹性变形上，完全消除了运动中的摩擦和粘滞，同时其免维护，可在真空、高低温等多种环境中使用，没有特殊的润滑需求，也完全避免了对光学系统的干扰和污染。

2、本发明采用的由中心盘和至少6组柔性臂组件构成的柔性支撑导向机构，确保了其仅沿光轴方向具有较小的刚度，其他方向刚度较大，具有较高的离轴刚度比，在满足其光轴方向导向功能的前提下为次镜组件提供可靠的支撑保护。

3、本发明的采用四根细杆构成的柔性部结构，易于加工，同时能够满足柔性支撑导向机构整体的刚度要求。

4、本发明所公开的调焦机构零部件数量少、结构形式简单紧凑，不会对光学系统带来拦光等危害，同时便于装配调试。

5、本发明所公开的调焦机构在毫米级调焦量程范围内，可达到几十纳米的调焦精度，同时采用闭环控制将可以实现全量程范围内1角秒以内的光轴倾斜量，相比于存在间隙的丝杠等调焦方式，精度显著提高。

附图说明

图1为调焦机构安装次镜组件后立体结构示意图。

图2为调焦机构安装次镜组件后装配结构剖视示意图。

图3为调焦机构未安装柔性支撑导向机构和被探环板时的立体图。

图4为柔性支撑导向机构、被探环板以及次镜组件的装配示意图。

图5为柔性放大机构的立体图。

图6为柔性放大机构的正视图。

图7为驱动机构的示意图。

图8为柔性支撑导向机构的立体图。

图9为柔性支撑导向机构的正视图。

附图标记如下：

1-底架、2-固定环、3-柔性支撑导向机构、4-被探环板、5-压电陶瓷致动器、6-柔性放大机构、7-测量反馈传感器，8-水平底板、9-竖直支撑臂、10-中心盘、11-柔性臂组件、12-第一连接部、13-柔性部、14-第二连接部、15-凸起、16-驱动机构、17-顶部柔性铰链18-侧臂、19-中部柔性臂、20-细杆、21-减重孔、22-次镜组件、23-次反射镜、24-次镜座。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种柔性高精度次镜组件调焦机构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

结构组成

一种柔性高精度次镜组件调焦机构，主要包括底架1、固定环2、柔性支撑导向机构3、被探环板4、压电陶瓷致动器5、柔性放大机构6以及测量反馈传感器7；

如图1-3所示，底架1包括水平底板8以及周向均布在水平底板8外沿上的至少三个竖直支撑臂9(本实施例中竖直支撑臂为6个)；竖直支撑臂9一端与所述水平底板8外沿固连，另一端与所述固定环2固连，使得水平底板8与所述固定环2保持平行；水平底板8和固定环2之间形成的区域用于安装驱动机构16；

如图1、2、8和9所示，柔性支撑导向机构3包括中心盘10以及沿周向均布在中心盘10外圆表面，且沿中心盘10径向向外伸出的至少六组柔性臂组件11(本实施例中柔性臂组件为6组)；如图8和图9所示，每一组均包括柔性臂组件11沿着中心盘10的径向方向依次由第一连接部12、柔性部13以及第二连接部14组成；

如图4所示，被调焦次镜组件22的次镜座24底面设有与所述柔性支撑导向机构3形状相适配的凹部，柔性支撑导向机构3整体嵌入所述凹部并通过第一连接部12固定在凹部内(本实施例中第一连接部设置有沉头通孔，相应的凹部底面设置有螺纹孔，柔性支撑导向机构通过沉头螺钉固定嵌装在次镜座底面的凹部内)，同时柔性部13以及第二连接部14向外伸出次镜座外部(柔性部的向外伸出目的是需要提供变形空间，第二连接部向外伸出目的是为了与固定环连接)；

固定环2通过六个第二连接部14与柔性支撑导向机构5相连(本实施例中固定环与六个第二连接部之间采用沉头螺钉连接)；

被探环板4固定在被调焦次镜组件22的次镜座24底面；被探环板4上设有至少三个凸起15(本实施例中凸起为3个)，该凸起15的设置目的是为给测量反馈传感器7提供测点；

如图3和5所示，压电陶瓷致动器5和柔性放大机构6均至少为三个(本实施例中压电陶瓷致动器和柔性放大机构均为3个)；每一个压电陶瓷致动器5与每一个柔性放大机构6配合安装，组成一个驱动机构16；至少三个驱动机构16均布在水平底板8上；至少三个驱动机构16的输出端均与所述中心盘10连接；

测量反馈传感器7至少三个(本实施例中测量反馈传感器为3个)，均固定插装在所述水平底板8上，且分别与所述三个凸起15位置一一对应(具体配合方式是：测量反馈传感器7穿过水平底板8，测量反馈传感器7的测量头与其对应的凸起10接触)。

当需要进行调焦时，压电陶瓷致动器5通电，开始产生微位移量，并通过柔性放大机构6将位移量放大后传递给柔性支撑导向机构3，柔性支撑导向机构3的柔性部13产生形变，柔性支撑导向机构3的第一连接部12连同次镜组件沿着光轴的方向产生位移，从而实现次镜的调焦。

另外，在本实施例中，需要对一些部件的具体结构作出以下说明：

驱动机构

如图5-7所示，通过压电陶瓷致动器5和柔性放大机构6构成驱动机构，具有亚毫米级的调焦量。压电陶瓷致动器5基于陶瓷材料的逆压电特性，理论上具有无限高位移分辨率，实际控制中其位移输出取决于控制电压的分辨率。压电陶瓷致动器5另一重要特性是其输出位移小，常规位移输出量在l_PZT≤100um范围内。因此，对于亚毫米级的次镜调焦量，压电陶瓷致动器输出位移不足，需要配合柔性放大机构6。柔性放大机构6利用结构局部薄弱环节刚度较小的特性，结合三角/杠杆放大原理，在保证位移输出精度满足要求的条件下提高位移输出量，达到调焦量要求。柔性放大机构6的具体结构包括顶部柔性铰链17、两个侧臂18以及中部柔性臂19；顶部柔性铰链17呈拱形结构(此处所指顶部柔性铰链为拱形结构的目的在于，能够使顶部柔性铰链和两个侧臂构成三角形放大机构，进一步地提升位移量)，顶部柔性铰链17的两端分别与两个侧臂18顶部连接，且顶部柔性铰链17分别与两个侧臂18之间的夹角为α，且α大于90°；中部柔性臂19安装在两个侧臂18之间，且远离侧臂18顶部；压电陶瓷致动器5安装在两个侧臂18之间，且位于所述中部柔性臂19下方。该柔性放大机构6实际上为两级柔性放大结构，两个侧臂18与中部柔性臂19构成第一级杠杆放大机构，两个侧臂18与顶部柔性铰链17构成三角形放大机构，通过两级放大结构在保证了该柔性放大机构位移输出精度满足要求的条件下，还提高了位移输出量，满足了所需的调焦要求。

同时，本实施例中柔性放大机构6采用疲劳性能及综合力学性能较好的钛合金Tc10为材料，通过慢走丝加工的方式加工出顶部柔性铰链17、两个侧臂18以及中部柔性臂19。

并且压电陶瓷致动器5采用柱状结构，由此理论分析可知驱动机构所能提供的位移量计算公式为：

l_FH＝β₁β₂l_PZT；

β₁为基于杠杆原理的位移放大倍数，

β₂为基于三角原理的位移放大倍数，

l₁为压电陶瓷致动器的中轴线与中部柔性臂中轴线之间的垂直距离；

l₂为中部柔性臂中轴线与顶部柔性铰链和侧臂连接位置中心之间的垂直距离；

θ_T＝α-90°；

l_PZT压电陶瓷致动器输出的位移量。

本实施例中所说的顶部柔性铰链可以为直梁型柔性铰链结构也可为圆弧形柔性铰链结构，其基于原理是利用弹性材料微小变形及其自动回复的特性，消除了传动过程的空程和机械摩擦，能够获得超高的位移分辨率。

测量反馈传感器

测量反馈传感器7用于调焦时对调焦量的控制，保证三点驱动的次镜光轴位移满足调焦量的同时，其他五个自由度的刚体位移保证在允许的误差范围内。

固定环

固定环2为整个机构提供与相机主体的安装基础，保证调焦前次镜及调焦组件的相对固定的位置关系。

柔性支撑导向机构

如图8和图9所示，柔性支撑导向机构3包括6组圆周均布的柔性臂组件11组成，单个柔性臂组件11中第一连接部12和第二连接部14为矩形，柔性部13包括四根细杆20，四根细杆131均安装在第一连接部12和第二连接部14之间，并且第一连接部12、第二连接部14和四根细杆20之间为矩形中空结构，因此单个柔性臂组件整体呈长方体结构。本实施例中，该柔性臂组件的第一连接部、第二连接部以及两者之间的四根细杆是通过慢走丝加工出来的一体化的结构。

柔性部中细杆20的基本尺寸为宽、厚、高分别为 及h。单个柔性臂组件11沿光轴方向平移刚度k_s与上述宽、高、厚特征尺寸形成函数关系周向6处均布柔性臂组件11并联形成沿轴运动自由度k_a，两者关系为k_a＝6k_s。柔性臂组件11的径向平移刚度k_r及绕光轴的扭转刚度k_n相较于k_a为相对较大量。比值k_r/k_a、k_n/k_a定义为离轴刚度比，且k_r/k_a≥20、k_n/k_a≥20。固定柔性臂组件11一端，其仅有平移自由度，其他自由度被完全约束。6个柔性臂组件11组成的柔性支撑导向机构3，仅沿光轴方向具有较小的刚度，其他方向刚度较大，具有较高的离轴刚度比，在满足其光轴方向导向功能的前提下为次镜组件提供可靠的支撑保护，柔性部除了采用四根细杆组成的方式，还可采用其他能够产生弹性变形的方式，例如采用薄壁结构。

除此之外，为了使该机构更加合理，本实施例中还提供一下优化设计：

1、为了便于安装拆卸，第一连接部12与所述凹部之间、第二连接部14与固定环2之间以及被探环板4与被调焦次镜组件的次镜座底面之间均通过沉头螺钉连接。

2、压电陶瓷致动器5通过结构预紧或者胶粘的方式安装在两个侧臂18之间。

3、中心盘10的中心开设有减重孔21，参见图8和图9。

4、顶部柔性铰链17的中间开设沉头通孔，相应地，所述中心盘10上设置有与所述沉头通孔位置对应的螺钉孔，顶部柔性铰链17通过沉头螺钉与中心盘10实现连接。

基于如前对调焦机构的结构描述，现对该调焦结构的装调步骤作出以下阐述：

步骤1：首先将底架1用螺钉固连于固定环2上，将压电陶瓷致动器5安装在柔性放大机构6上组成驱动机构16，然后，将组装后的三组驱动机构16圆周均布固连于底架1的水平底板8上，测量反馈传感器7通过螺钉固定于水平底板8上，形成次镜调焦机构的非运动部件组成，并将非运动部件整体通过固定环2固定于一平台上，如图4所示；

步骤2：次反射镜23通过胶结及螺纹压圈等形式固定于次镜座24中，从而组成次镜组件22；

步骤3：将被探环板9通过螺钉固连于次镜座24底面上，柔性支撑导向机构3嵌装入次镜座24底面的凹部内，并通过柔性支撑导向机构3的第一连接部12通过与次镜座24底面的凹部螺纹连接，同时，三组驱动机构16的输出端与柔性支撑导向机构3的中心盘10螺纹连接，从而形成次镜调焦机构的运动部分，如图5所示；

步骤4：将运动部分通过柔性支撑导向机构3的第二连接部14与非运动部分的固定环2螺纹连接，完成系统安装。需要指出的是，柔性支撑导向机构3的第二连接部14由于与固定环2连接，将属于非运动部分，柔性支撑导向机构3的第一连接部12由于与次镜座连接，将属于运动部分，由此可见，柔性支撑导向机构3将是连接非运动部分和运动部分的桥梁。

步骤5：对三组驱动机构16同时输入等值电压，则驱动机构在压电陶瓷致动器5逆压电效应及柔性放大机构6作用下，产生沿光学系统光轴方向数值为β₁β₂l_PZT的位移量，推动运动部分(图5)沿光轴方向精密运动。精密运动动作的产生一方面依赖于柔性支撑导向机构3中柔性臂组件11的导向作用，另一方面依赖于柔性支撑导向机构3中柔性臂组件11沿光轴方向较小的刚度。三组测量反馈传感器7接收运动部分中被探环板4的位移量形成闭环控制，并可以作为控制输入对运动过程中光轴的倾斜误差及晃动量进行实时多维补偿。

总而言之，本发明主要通过带柔性放大机构的压电陶瓷致动器推动柔性支撑导向机构中的次镜高精度运动，实现光学系统中次镜空间位置高精度调节，进而修正系统像差，保证成像质量。

最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：包括底架、固定环、柔性支撑导向机构、被探环板、压电陶瓷致动器、柔性放大机构以及测量反馈传感器；

底架包括水平底板以及周向均布在水平底板外沿上的至少三个竖直支撑臂；竖直支撑臂一端与所述水平底板外沿固连，另一端与所述固定环固连，使得水平底板与所述固定环保持平行；

柔性支撑导向机构包括中心盘以及沿周向均布在中心盘外圆表面，且沿中心盘径向向外伸出的至少六组柔性臂组件；

柔性臂组件沿着中心盘的径向方向依次由第一连接部、柔性部以及第二连接部组成；

被调焦次镜组件的次镜座底面设有与所述柔性支撑导向机构形状相适配的凹部，柔性支撑导向机构整体嵌入所述凹部并通过第一连接部固定在凹部内，同时柔性部以及第二连接部向外伸出次镜座外部；

固定环通过至少六个第二连接部与柔性支撑导向机构相连；

被探环板固定在被调焦次镜组件的次镜座底面；被探环板上设有至少三个凸起；

压电陶瓷致动器和柔性放大机构均至少为三个；每一个压电陶瓷致动器与每一个柔性放大机构配合安装，组成一个驱动机构；至少三个驱动机构均布在水平底板上；至少三个驱动机构的输出端均与所述中心盘连接；

测量反馈传感器至少三个，均固定插装在所述水平底板上，且分别与所述至少三个凸起位置一一对应。

2.根据权利要求1所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：所述柔性放大机构包括顶部柔性铰链、两个侧臂以及中部柔性臂；

顶部柔性铰链呈拱形结构，顶部柔性铰链的两端分别与两个侧臂顶部连接，且顶部柔性铰链分别与两个侧臂之间的夹角为α，且α大于90°；

中部柔性臂安装在两个侧臂之间，且远离侧臂顶部；

压电陶瓷致动器安装在两个侧臂之间，且位于所述中部柔性臂下方。

3.根据权利要求2所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：所述柔性放大机构的位移量满足以下关系式：

其中，l₁为压电陶瓷致动器的中轴线与中部柔性臂中轴线之间的垂直距离；

l₂为中部柔性臂中轴线与顶部柔性铰链和侧臂连接位置中心之间的垂直距离；

θ_T＝α-90°；

l_PZT压电陶瓷致动器输出的位移量。

4.根据权利要求3所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：所述柔性放大机构为钛合金Tc10材料制成，通过慢走丝加工方法形成顶部柔性铰链、两个侧臂以及中部柔性臂。

5.根据权利要求4所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：所述顶部柔性铰链的中间开设沉头通孔，相应地，所述中心盘上设置有与所述沉头通孔位置对应的螺钉孔，顶部柔性铰链通过沉头螺钉与中心盘实现连接。

6.根据权利要求1或2所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：所述柔性部包括四根细杆，四根细杆均安装在第一连接部和第二连接部之间，并且第一连接部、第二连接部和四根细杆之间为中空结构。

7.根据权利要求1所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：所述第一连接部与所述凹部之间、第二连接部与固定环之间以及被探环板与被调焦次镜组件的次镜座底面之间均通过沉头螺钉连接。

8.根据权利要求1所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：所述压电陶瓷致动器为柱状，且压电陶瓷致动器的输出位移小于等于100um。

9.根据权利要求2所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：压电陶瓷致动器通过结构预紧或者胶粘的方式安装在两个侧臂之间。

10.根据权利要求1所述的柔性高精度次镜组件调焦机构，其特征在于：所述中心盘的中心开设有减重孔。