一种具有等位移调焦功能的光电成像系统

1.本发明涉及光学成像系统技术领域，尤其涉及一种具有等位移调焦功能的光电成像系统。


背景技术：

2.目前，车载光电测量设备正在飞速发展，车载光电经纬仪作为重要的车载光电测量设备之一，也得到了广泛的应用，光学成像系统作为车载光电经纬仪的主要组成部分，其性能直接决定了在光学目标追踪任务中是否能达到可靠、稳定、清晰、快速的成像质量。在各种复杂的环境下，光学成像系统的成像质量会受多种因素影响，若调焦机构工作性能不良，将导致光焦度变化、最佳像面发生偏移，降低光学成像质量，使得图像模糊不清，最终影响镜头的成像清晰度及成像性能，因此调焦机构及调焦功能在光学成像系统中发挥着至关重要的作用。
3.现有光电经纬仪成像系统中的调焦装置主要是通过伺服控制系统控制丝杠螺母机构进行调焦，通过电机带动丝杠进行旋转运动，将螺母套在丝杠上，螺母外接连杆与移动透镜组相连接，螺母、连杆及移动透镜组在丝杠的带动下做直线往复运动而进行调焦。现有成像系统的调焦机构及调焦方式主要存在如下问题：1、由于丝杠旋转数圈才可以带动螺母运动微小的距离，因而在实际的调焦过程中，使得移动透镜组运动十分缓慢，将极大的影响调焦速度和成像效率。
4.2、调焦机构和透镜组通常是分为两层的，上层为调焦机构，下层为透镜组，导致调焦机构的结构复杂，整个成像系统的体积较大，难以与透镜组处于同一水平线上，否则会挡住成像的光路，同时整个成像系统的重量也将随之增大，使得伺服控制系统更加复杂和不灵活。
5.3、由于丝杠螺母和移动透镜组需要通过连杆相接，连杆的轴线和透镜组镜套的轴线通常处于相互垂直的位置，通过力学分析和实际工作情况可知，当螺母直线运动时，带动连杆、镜套进行直线运动调焦，由于连接点在镜套的上端，力的作用点未在整个镜组或镜套的轴向中心线上，驱动时套筒是受到偏心力进行拉动的，如在调焦移动时会受到一个向上的牵引力分力，这个力与实际运动方向相垂直，将会导致镜套在移动过程中，与套筒之间的摩擦增大，磨损严重，并且容易出现卡死的情况；此外由于偏心力拉动，还将导致镜组平移时力不均匀，透镜组的上端会先运动，其他部分后运动，使得在调焦过程中，镜片的镜面不是均匀平移而呈斜向移动，可能会给调焦过程中的成像质量带来极大的不良影响。
6.因此，为了避免上述问题的发生，如何设计一种具有高精度、高调焦效率、小体积、轻量化、高机动性调焦功能的光学成像系统，是当下亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明为解决上述问题，提供了一种具有等位移调焦功能的光电成像系统，可通过调焦单元使得驱动力近似均匀分布，提高调焦效率，提高成像质量，同时可减小调焦机构
的体积进而减小光电成像系统的整体体积并实现光电成像系统的轻量化。
8.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：一种具有等位移调焦功能的光电成像系统，包括沿光路依次设置的反射单元、固定透镜组单元和调焦单元；调焦单元包括驱动单元、位于固定透镜组单元与驱动单元之间的移动透镜组单元和位于移动透镜组单元上的应急调焦单元；驱动单元包括驱动件和连接于移动透镜组单元与驱动件之间的调焦传力件；调焦传力件与驱动单元通过拉力块进行力的传递并带动调焦传力件作直线运动，调焦传力件与移动透镜组单元之间通过传力块进行力的传递并对移动透镜组单元进行等位移调焦。
9.优选的，调焦传力件为包括筒壁及位于筒壁内的透光通孔的筒状结构，拉力块和传力块分别设于筒壁两侧端的端壁一和端壁二上。
10.优选的，传力块包括均布于端壁二上的三个，三个传力块中心点的连线呈等边三角形结构。
11.优选的，调焦传力件的筒壁上包括均匀开设于轴向中心线横向两侧部的多弧面段减重分力孔一和环状减重分力孔二，减重分力孔一大于减重分力孔二。
12.优选的，调焦传力件的筒壁上还包括开设于轴向中心线纵向两侧的减重分力孔三和减重分力孔四，减重分力孔三、减重分力孔四分别位于轴向中心线的上方、下方且减重分力孔四大于减重分力孔三，减重分力孔三大于减重分力孔一。
13.优选的，减重分力孔三和减重分力孔四均为沿筒壁在纵向上的径向中心线均匀分布的多弧面段结构；减重分力孔三包括闭合的孔壁三，减重分力孔四包括间断式的孔壁四及位于孔壁四间断处的缺口。
14.优选的，移动透镜组单元包括从外至内依次并联设置的移动镜组套筒、移动镜套和移动镜组；传力块与移动镜套连接并可带动移动镜套、移动镜组作直线运动以调焦。
15.优选的，应急调焦单元包括与移动镜套连接的机械调焦杆，机械调焦杆的下端和移动镜组套筒的上端均为弧形面结构且机械调焦杆的下端与移动镜组套筒的上端之间形成弧面限位配合。
16.优选的，驱动件为音圈电机。
17.本发明的有益效果如下：1、本发明中的调焦机构与传统结构相比，结构简单，体积小，重量轻，加工难度低，刚度好，具有良好的结构性能以应对各种工作环境需求，可使得光电成像系统具有等位移调焦功能，可降低整个光电成像系统的重量，提高设备的机动性。
18.2、本发明中的调焦驱动件选用音圈电机，音圈电机具有高的定位精度和加速度，可通过磁场与电能转化为力，带动与其相连的结构进行直线运动，音圈电机可与伺服控制系统相结合，使得整个成像镜组实现快速，稳定，精准的调焦，提高光电成像系统的调焦效率和成像质量，使得整个光电成像系统及调焦系统具有快速性和高精度性。
19.3、本发明中的调焦机构包括相互配合的拉力块、调焦传力件和传力块，可将驱动调焦单元运动的偏心力分解成3个近似大小相等的力，它们的分力呈等边三角形均布，可带动移动镜组整体均匀、稳定的移动，并保证调焦移动时透镜组对光线传播的影响很低，可保证调焦过程中的成像质量，提高调焦效果的均匀稳定性；同时，将偏心力分解后，还可避免移动镜套由于驱动力引起的力矩而发生倾覆现象，使其更偏向于直线运动，从而更大程度
的减少摩擦。
20.4、本发明中的应急调焦单元可在驱动单元失效或效能低时进行机械调焦，同时应急调焦单元的下端与移动镜组套筒的上端形成弧面限位配合，可起到物理限位的作用，约束好调焦的范围，保证调焦的行程，防止出现过大的位移而造成镜片与其他部件发生碰撞而造成损伤。
附图说明
21.图1是根据本发明实施例提供的光电成像系统的整体立体结构示意图；图2是根据本发明实施例提供的光电成像系统的整体剖视结构示意图；图3是根据本发明实施例提供的驱动单元和调焦单元的剖视结构示意图；图4是根据本发明实施例提供的驱动单元、移动镜组和移动镜组套筒的剖视结构示意图；图5是根据本发明实施例提供的调焦单元的整体结构示意图，其中图a为正视图，图b为俯视图；图6是根据本发明实施例提供的驱动单元的结构示意图；图7是根据本发明实施例提供的调焦传力件的结构示意图。
22.附图标记：驱动件1、拉力块2、传力块3、传力块一3-1、传力块二3-2、传力块三3-3、移动镜套4、应急调焦单元5、固定镜组套筒一6、固定镜组套筒二7、固定镜组套筒三8、固定镜组套筒四9、反射镜10、反射镜支撑架11、底板12、第一固定透镜组13、固定透镜组支撑架一14、第二固定透镜组15、固定透镜组三16、固定透镜组支撑架二17、固定透镜组二18、固定透镜组一19、移动透镜组支撑架20、移动镜组套筒21、移动镜组22、调焦传力件23、筒壁24、透光通孔25、端壁一26、端壁二27、减重分力孔一28、减重分力孔二29、减重分力孔三30、减重分力孔四31、孔壁三32、孔壁四33、缺口34。
具体实施方式
23.在下文中，将参考附图1-7描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-7及具体实施例，对本发明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发明，而不构成对本发明的限制。
25.一种具有等位移调焦功能的光电成像系统，如图1、2所示，包括沿光路依次设置的反射单元、固定透镜组单元和调焦单元，反射单元、固定透镜组单元和调焦单元均设于底板12上，反射单元包括位于光路入射口处的反射镜支撑架11和支撑于反射镜支撑架11上的反射镜10，光路入射口开设于底板12上，具体如图2中s处所示。
26.如图1、2所示，固定透镜组单元包括沿光路依次设置的固定镜组套筒一6、固定镜组套筒二7、固定镜组套筒三8和固定镜组套筒四9，固定镜组套筒一6、固定镜组套筒二7、固定镜组套筒三8和固定镜组套筒四9内分别设有固定透镜组一19、固定透镜组二18、固定透镜组三16和固定透镜组四；固定透镜组四包括沿光路方向设置的第一固定透镜组13和第二
固定透镜组15；固定镜组套筒四9由位于底板12上的固定透镜组支撑架一14进行支撑，固定镜组套筒一6、固定镜组套筒二7和固定镜组套筒三8由固定透镜组支撑架二17进行支撑；反射镜10位于光路入射口与固定镜组套筒一6之间。
27.如图2、3所示，调焦单元包括驱动单元、位于固定透镜组单元与驱动单元之间的移动透镜组单元和位于移动透镜组单元上的应急调焦单元5；驱动单元包括驱动件1和连接于移动透镜组单元与驱动件1之间的调焦传力件23；调焦传力件23与驱动单元通过拉力块2进行力的传递并带动调焦传力件23作直线运动，调焦传力件23与移动透镜组单元之间通过传力块3进行力的传递并对移动透镜组单元进行等位移调焦；驱动件1为音圈电机。
28.如图2-4所示，移动透镜组单元包括从外至内依次并联设置的移动镜组套筒21、移动镜套4和移动镜组22，移动镜组套筒21、移动镜套4和移动镜组22支撑于移动透镜组支撑架20上，移动透镜组支撑架20位于底板12上；应急调焦单元5包括与移动镜套4通过螺栓连接的机械调焦杆，机械调焦杆的下端和移动镜组套筒21的上端均为弧形面结构，机械调焦杆的下端与移动镜组套筒21的上端之间形成弧面限位配合，以形成物理限位，约束调焦范围，保证调焦的行程，防止出现过大的位移，避免造成镜片与其他部件发生碰撞而造成损伤。
29.传力块3与移动镜套4连接并可带动移动镜套4、移动镜组22作直线运动以调焦，如图4-7所示，调焦传力件23为包括筒壁24及位于筒壁24内的透光通孔25的筒状结构，即调焦传力件23为中空结构，便于光线的传递。拉力块2和传力块3分别设于筒壁24两侧端的端壁一26和端壁二27上，传力块3包括均布于端壁二27上的三个，分别为传力块一3-1、传力块二3-2和传力块三3-3，三个传力块3中心点的连线呈等边三角形结构，音圈电机1提供直线型的牵引拉力，经过调焦传力机构23分力后，将力近乎均匀的分布在呈等边三角形分布的传力块一3-1、传力块二3-2和传力块三3-3上并进一步传递给移动镜套4。
30.如图5-7所示，调焦传力件23的筒壁24上包括均匀开设于轴向中心线l1横向两侧部的多弧面段减重分力孔一28和环状减重分力孔二29，减重分力孔一28大于减重分力孔二29；调焦传力件23的筒壁24上还包括开设于轴向中心线l1纵向两侧的减重分力孔三30和减重分力孔四31，减重分力孔三30、减重分力孔四31分别位于轴向中心线l1的上方、下方，减重分力孔四31大于减重分力孔三30，减重分力孔三30大于减重分力孔一28；纵向为图5中n所示方向，横向为图5中m所示方向。
31.减重分力孔三30和减重分力孔四31均为沿筒壁24在纵向上的径向中心线l2均匀分布的多弧面段结构；减重分力孔三30包括闭合的孔壁三32，减重分力孔四31包括间断式的孔壁四33及位于孔壁四33间断处的缺口34。通过减重分力孔一28、减重分力孔二29、减重分力孔三30、减重分力孔四31可辅助分力，以使得力近乎均匀的分布在三个传力块3上。
32.减重分力孔一28、减重分力孔二29、减重分力孔三30、减重分力孔四31具体通过simp方法对中空状的，周围的筒壁24是完整的圆筒进行拓扑优化，此处的中空圆筒即调焦传力件23在优化前的结构；由于力受材料分布和结构布局的不同而导致力的作用不同，通过仿真软件，对圆筒进行分析与设计，优化的目标是当拉力块2提供一个偏心的拉力时（该拉力未在圆筒的中轴线上），通过现在的调焦传力件23，将偏心的拉力尽可能的均分在3个传力块上。以此为目标，借助计算机仿真软件，对圆筒进行了拓扑优化，对中空的筒壁24进行分析与优化，去除了不必要的材料并形成减重分力孔一28、减重分力孔二29、减重分力孔
三30、减重分力孔四31，保留下来的材料经过简单的修整，就形成了调焦传力件23。由于力受材料分布和结构布局的不同而导致力的作用不同，因此，当拉力块2提供拉力时，调焦传力件23能将拉力块2提供的偏心拉力均分为3个力，该分解的3个力分别均布于传力块一3-1、传力块二3-2和传力块三3-3上，并带动移动镜套4移动，以此使得移动镜套4受到近似相等并均布在一个圆上的3个拉力，实现等位移移动调焦。
33.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
34.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的反射单元、固定透镜组单元和调焦单元；所述调焦单元包括驱动单元、位于固定透镜组单元与驱动单元之间的移动透镜组单元和位于移动透镜组单元上的应急调焦单元（5）；所述驱动单元包括驱动件（1）和连接于移动透镜组单元与驱动件（1）之间的调焦传力件（23）；所述调焦传力件（23）与驱动单元通过拉力块（2）进行力的传递并带动调焦传力件（23）作直线运动，调焦传力件（23）与移动透镜组单元之间通过传力块（3）进行力的传递并对移动透镜组单元进行等位移调焦。2.根据权利要求1所述的具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，所述调焦传力件（23）为包括筒壁（24）及位于筒壁（24）内的透光通孔（25）的筒状结构，拉力块（2）和传力块（3）分别设于筒壁（24）两侧端的端壁一（26）和端壁二（27）上。3.根据权利要求2所述的具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，所述传力块（3）包括均布于端壁二（27）上的三个，三个传力块（3）中心点的连线呈等边三角形结构。4.根据权利要求3所述的具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，所述调焦传力件（23）的筒壁（24）上包括均匀开设于轴向中心线横向两侧部的多弧面段减重分力孔一（28）和环状减重分力孔二（29），所述减重分力孔一（28）大于减重分力孔二（29）。5.根据权利要求4所述的具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，所述调焦传力件（23）的筒壁（24）上还包括开设于轴向中心线纵向两侧的减重分力孔三（30）和减重分力孔四（31），减重分力孔三（30）、减重分力孔四（31）分别位于轴向中心线的上方、下方且减重分力孔四（31）大于减重分力孔三（30），减重分力孔三（30）大于减重分力孔一（28）。6.根据权利要求5所述的具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，所述减重分力孔三（30）和减重分力孔四（31）均为沿筒壁（24）在纵向上的径向中心线均匀分布的多弧面段结构；减重分力孔三（30）包括闭合的孔壁三（32），减重分力孔四（31）包括间断式的孔壁四（33）及位于孔壁四（33）间断处的缺口（34）。7.根据权利要求6所述的具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，所述移动透镜组单元包括从外至内依次并联设置的移动镜组套筒（21）、移动镜套（4）和移动镜组（22）；传力块（3）与移动镜套（4）连接并可带动移动镜套（4）、移动镜组（22）作直线运动以调焦。8.根据权利要求7所述的具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，所述应急调焦单元（5）包括与移动镜套（4）连接的机械调焦杆，所述机械调焦杆的下端和移动镜组套筒（21）的上端均为弧形面结构且机械调焦杆的下端与移动镜组套筒（21）的上端之间形成弧面限位配合。9.根据权利要求1-8中任一项所述的具有等位移调焦功能的光电成像系统，其特征在于，所述驱动件（1）为音圈电机。

技术总结
本发明涉及光学成像系统技术领域，尤其涉及一种具有等位移调焦功能的光电成像系统，包括沿光路依次设置的反射单元、固定透镜组单元和调焦单元；调焦单元包括驱动单元、移动透镜组单元和应急调焦单元，移动透镜组单元位于固定透镜组单元与驱动单元之间，应急调焦单元位于移动透镜组单元上；驱动单元包括驱动件和连接于移动透镜组单元与驱动件之间的调焦传力件；调焦传力件与驱动单元通过拉力块进行力的传递并带动调焦传力件作直线运动，调焦传力件与移动透镜组单元之间通过传力块进行力的传递并对移动透镜组单元进行等位移调焦。本方案中的调焦机构及光电成像系统体积小，重量轻，调焦效率高，可加强调焦驱动力分布的均匀性。可加强调焦驱动力分布的均匀性。可加强调焦驱动力分布的均匀性。


技术研发人员：王晓明 董泉良 王强龙 王冲 牛文达 程路超 张晗
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/8/14