CN104749767B - 高精度电控光阑装置 - Google Patents

Abstract

高精度电控光阑装置，包括双弧形光阑、驱动机构、传动机构、限位开关、控制器和底部开有圆形通光口的基座；驱动机构设于基座上并与控制器相连；传动机构包括设于基座上的导轨滑块副及与导轨滑块副平行设于圆形通光口两侧的丝杠；丝杠沿驱动机构动力输出方向设置，其一端与驱动机构相连，另一端固定于基座侧部；双弧形光阑设于导轨滑块副和丝杠上；双弧形光阑为片状，其轮廓线包括第一弧边和第二弧边，第一弧边和第二弧边围成喇叭状开口且有一共同端点；第一弧边及第二弧边的弧形半径与圆形通光口的通光口径匹配；限位开关固定于导轨滑块副两端并与控制器相连，限位开关的高度高于导轨滑块副。本发明无最小光阑孔径问题、可实现光强的线性调整。

Description

高精度电控光阑装置

技术领域

本发明属于光学调节技术领域，涉及一种可调光阑装置，尤其涉及一种无最小光阑孔径问题以及能够实现光强线性调整的高精度电控光阑装置。

背景技术

星敏感器是一种具有较高精度的姿态敏感器，以天球上不同位置的恒星为探测目标以确定航天飞行器的运行姿态。星模拟器是对恒星星光的星等、光谱、角间距等指标的模拟设备，完成对星敏感器的性能检测和标定，其主要由平行光管、星点板、带通滤光片以及光源组成。实际测试过程中，将带通滤光片和星点板放置于平行光管的焦面，光源照射后模拟无穷远星图。

目前国内采用通过增加带通滤光片和光源的数量来调整模拟星图的色温，通过调节光源的功率来调整模拟星图的亮度(即星等)。在实际测试过程中，调整光源的功率会改变光源的光谱，进而导致模拟星图的色温发生变化，与天体恒星光谱不一致，从而引入测试误差。现阶段，国内研究人员在带通滤光片前放置可调光阑，通过调整光阑口径代替调整光源功率来改变模拟星图的亮度，进而消除光源光谱变化引入的误差。

现有的可变光阑机构分为手动式和电控式。手动式可变光阑的精度低、重复性差、不能控制可调光阑的速度。电控式可变光阑的驱动机构多采用驱动电机、涡轮和蜗杆结构，存在传动精度低、摩擦力大和使用寿命短等问题。

而且，现有的可变光阑机构均采用圆形收缩光阑调整光学***的通光面积，因而不可避免地存在无法完全关闭的问题，并且光阑片数越多，最小光阑孔径就越大，目前最小光阑孔径只能做到Φ1mm。另外，现在市场上的光源，普遍采用碗灯座，其光强分布近似于高斯分布，现有的可变光阑机构无法满足光源强度线性变化的要求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的无法对高斯光束进行光强的线性调整、圆形收缩光阑无法完全关闭因而存在最小光阑孔径的技术问题，本发明提供了一种无最小光阑孔径问题以及能够实现光强线性调整的高精度电控光阑装置。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供了一种高精度电控光阑装置，其特殊之处在于：包括双弧形光阑、驱动机构、传动机构、限位开关、控制器以及底部开设有圆形通光口的基座；所述驱动机构设置于基座上并与控制器相连；所述传动机构包括设置于基座上的导轨滑块副以及与导轨滑块副平行设置于圆形通光口两侧的丝杠；丝杠沿驱动机构的动力输出方向设置，丝杠一端与驱动机构相连，另一端固定于基座的侧部；所述双弧形光阑设置于导轨滑块副和丝杠上；双弧形光阑为片状结构，其轮廓线包括第一弧边和第二弧边，第一弧边和第二弧边围成喇叭状开口且有一共同端点；所述第一弧边以及第二弧边的弧形半径与圆形通光口的通光口径相匹配；所述驱动机构通过导轨滑块副和丝杠带动双弧形光阑使喇叭状开口相对于圆形通光口作平行切向运动；所述限位开关固定于导轨滑块副的两端并与控制器相连，限位开关的高度高于导轨滑块副的高度。

上述双弧形光阑的轮廓线还包括第一直边、第二直边以及第三直边；所述第一弧边和第二弧边的共同端点位于第三直边的垂直平分线上；所述喇叭状开口背向第三直边；所述第一弧边的另一端和第三直边通过第一直边相连；所述第二弧边的另一端和第三直边通过第二直边相连。

上述第一直边与第二直边平行；以第一弧边和第二弧边的共同端点为原点，以过原点且垂直于第三直边的直线为X轴，以过原点且垂直于X轴的直线为Y轴，建立直角坐标系，靠近喇叭状开口的方向为X轴正方向，靠近第一直边的方向为Y轴正方向，则所述双弧形光阑的数学模型为：

其中，R为第一弧边及第二弧边的弧形半径，为弧上任意一点和原点的连线与X轴正方向的夹角，x、y分别为第一弧边或第二弧边上任意一点的坐标。

上述驱动机构是步进电机；所述限位开关包括分别固定于导轨滑块副两端的第一光电开关和第二光电开关；所述第一光电开关以及第二光电开关分别与控制器相连。

上述导轨滑块副包括导轨以及通过导轨设置于基座上并可在导轨上自如滑动的滑块；所述导轨与丝杠平行设置于圆形通光口的两侧；所述双弧形光阑设置于滑块和丝杠上；所述步进电机通过丝杠和滑块带动双弧形光阑使喇叭状开口相对于圆形通光口作平行切向运动；所述第一光电开关以及第二光电开关分别固定于导轨的两端，第一光电开关以及第二光电开关的高度均高于滑块的高度。

上述导轨是行走平行度为3.5μm的支撑型精密线性轴承导轨。

上述丝杠包括螺杆以及套装于螺杆上并可沿螺杆往复运动的丝杠螺母；所述螺杆沿步进电机的动力输出方向设置，螺杆一端与步进电机相连，另一端通过支撑件固连于基座的侧部；所述双弧形光阑固连于丝杠螺母和滑块上。

上述丝杠与步进电机是一体式结构。

上述支撑件包括轴承座以及轴承；所述螺杆依次通过轴承和轴承座固连于基座的侧部。

本发明提供了一种高精度电控光阑装置，其具有以下几方面优点：

1、通过双弧形光阑的喇叭状开口平行于圆形通光口作切向运动来实现通光面积的改变，因而双弧形光阑能够完全关闭，有效解决了圆形收缩光阑存在的最小光阑孔径问题；采用双弧形光阑能够实现对呈高斯分布的光强进行线性调整，解决了圆形收缩光阑调整时存在的光能量变化速率的跳动问题。

2、通过步进电机、丝杠、导轨以及光电开关的配合，能够有效保证双弧形光阑的线性运动、定位精度和平稳性，从而保证整个电控光阑装置对通光面积的高精度调整。

3、导轨采用支撑型精密线性轴承导轨，适合单轴运动，线性度好。

4、丝杠和步进电机采用一体式结构，有效减小了整个电控光阑装置的尺寸，结构紧凑。

附图说明

图1是本发明提供的高精度电控光阑装置的结构示意图；

图2是本发明提供的双弧形光阑一较佳实施例的形状模型图；

图3是利用本发明提供的双弧形光阑切割高斯光束的模拟图；

图4是利用MATLAB分别模拟双弧形光阑和圆形收缩光阑切割高斯光束时，所得到的光能量随光阑移动距离的变化曲线对比图；

图5是利用MATLAB分别模拟双弧形光阑和圆形收缩光阑切割高斯光束时，所得到的光能量变化速率随光阑移动距离的变化曲线对比图；

其中：

1-双弧形光阑；101-第一弧边；102-第二弧边；103-第一直边；104-第二直边；105-第三直边；2-驱动机构；3-圆形通光口；4-基座；5-第一光电开关；6-第二光电开关；7-导轨；8-滑块；9-螺杆；10-丝杠螺母；11-轴承座；12-轴承；13-盖板；14-高斯光束。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种高精度电控光阑装置，其包括双弧形光阑1、驱动机构2、传动机构、限位开关、控制器以及底部开设有圆形通光口3的基座4；驱动机构2设置于基座4上并与控制器相连；传动机构包括设置于基座4上的导轨滑块副以及与导轨滑块副平行设置于圆形通光口3两侧的丝杠；丝杠沿驱动机构2的动力输出方向设置，丝杠一端与驱动机构2相连，另一端固定于基座4的侧部；双弧形光阑1设置于导轨滑块副和丝杠上；双弧形光阑1为片状结构，其轮廓线包括第一弧边101和第二弧边102，第一弧边101和第二弧边102围成喇叭状开口且有一共同端点；第一弧边101以及第二弧边102的弧形半径与圆形通光口3的通光口径相匹配；驱动机构2通过导轨滑块副和丝杠带动双弧形光阑1使喇叭状开口相对于圆形通光口3作平行切向运动；限位开关固定于导轨滑块副的两端并与控制器相连，限位开关的高度高于导轨滑块副的高度。

优选地，本发明中的双弧形光阑的轮廓线还包括第一直边103、第二直边104以及第三直边105；第一弧边101和第二弧边102的共同端点位于第三直边105的垂直平分线上；喇叭状开口背向第三直边105；第一弧边101的另一端和第三直边105通过第一直边103相连；第二弧边102的另一端和第三直边105通过第二直边104相连。

优选地，如图2所示，本发明中的双弧形光阑1的轮廓线的第一直边103与第二直边104平行；以第一弧边101和第二弧边102的共同端点为原点，以过原点且垂直于第三直边105的直线为X轴，以过原点且垂直于X轴的直线为Y轴，建立直角坐标系，靠近喇叭状开口的方向为X轴正方向，靠近第一直边103的方向为Y轴正方向，则该双弧形光阑的数学模型为：

其中，R为第一弧边及第二弧边的弧形半径，为弧上任意一点和原点的连线与X轴正方向的夹角，x、y分别为第一弧边或第二弧边上任意一点的坐标。

为了对双弧形光阑1进行精确的位置和速度控制，本发明中的驱动机构2选用步进电机，步进电机具有定位精度高、重复性好、可靠性高以及便于程序控制等优点。

本发明中，导轨滑块副包括导轨7以及通过导轨7设置于基座4上并可在导轨7上自如滑动的滑块8；导轨7与丝杠平行设置于圆形通光口3的两侧；双弧形光阑1设置于滑块8和丝杠上；步进电机通过丝杠和滑块8带动双弧形光阑1使喇叭状开口相对于圆形通光口3作平行切向运动。

进一步地，本发明中的导轨7选用行走平行度为3.5μm的支撑型精密线性轴承导轨，其适合单轴运动，线性度好，通过螺钉固定于基座4上。

本发明中，限位开关包括分别固定于导轨7两端的第一光电开关5和第二光电开关6；第一光电开关以及第二光电开关分别与控制器相连；为了有效地对双弧形光阑1进行限位，第一光电开关5以及第二光电开关6的高度均高于滑块8的高度。光电开关具有呼应速度快、精度高、体积小、寿命长、重量轻以及不受磁场和震荡影响等优点。

本发明中，丝杠包括螺杆9以及套装于螺杆9上并可沿螺杆往复运动的丝杠螺母10；螺杆9沿步进电机的动力输出方向设置，螺杆一端与步进电机相连，另一端依次通过轴承12和轴承座11固连于基座4的侧部；双弧形光阑1固连于丝杠螺母10和滑块8上。

为了减小整个高精度电控光阑装置的尺寸，使其结构紧凑，本发明中将丝杠与步进电机设计成一体式结构。

本发明提供的高精度电控光阑装置还包括扣合于基座4上用以保护整个高精度电控光阑装置内部各组件的盖板13。

本发明的工作过程是：丝杠步进电机接收控制器的信号驱动丝杠转动，双弧形光阑1随丝杠螺母10和滑块8一起运动，双弧形光阑1的前后移动完成通光面积的改变，进而完成对光源辐通量的控制。

下面，将本发明提供的双弧形光阑与现有的圆形收缩光阑进行对比：

假设高斯光束半径为25mm、双弧形光阑和圆形收缩光阑的变化速率均为5mm/步，高斯光束空间振幅分布的幅值A＝100，高斯光束的束腰ω₀＝80。利用MATLAB模拟双弧形光阑切割高斯光束14(如图3所示)和圆形收缩光阑切割高斯光束14，得到光能量与光阑移动距离的曲线关系(如图4所示)。由图4可知，双弧形光阑由全开至全闭的行程为68.3mm，圆形收缩光阑由全开至全闭的行程为49mm(其最小光阑孔径只能做到Φ1mm)。

由图4和图5可知，由于存在最小孔径问题，圆形收缩光阑不可能完全闭合，最后会残留1.3％的光能量；由于圆形收缩光阑的数量限制，圆形收缩光阑切割高斯光束过程近似为多边形收缩过程，不可避免的存在光能量变化速率的跳动，且光能量变化速率最大值为1.9％。

对于本发明提供的双弧形光阑，由图4和图5可知，光能量随着双弧形光阑移动距离线性变化，光能量变化速率最大值为1.4％，而且不存在光能量变化速率的跳动问题。因此，本发明提供的双弧形光阑可以有效解决最小光阑孔径和碗灯光强高斯分布的问题，并且可以实现光强的线性调整。

本发明中，通过双弧形光阑1的喇叭状开口平行于圆形通光口3作切向运动来实现通光面积的改变，因而双弧形光阑能够完全关闭，有效解决了圆形收缩光阑存在的最小光阑孔径问题；而且，采用双弧形光阑能够实现对呈高斯分布的光强进行线性调整，解决了圆形收缩光阑调整时存在的光能量变化速率的跳动问题。

另外，通过步进电机、丝杠、导轨以及光电开关的的配合，能够有效保证双弧形光阑的线性运动、定位精度和平稳性，从而保证整个电控光阑装置对通光面积的高精度调整。

Claims (7)

1.一种高精度电控光阑装置，其特征在于：包括双弧形光阑、驱动机构、传动机构、限位开关、控制器以及底部开设有圆形通光口的基座；所述驱动机构设置于基座上并与控制器相连；所述传动机构包括设置于基座上的导轨滑块副以及与导轨滑块副平行设置于圆形通光口两侧的丝杠；丝杠沿驱动机构的动力输出方向设置，丝杠一端与驱动机构相连，另一端固定于基座的侧部；所述双弧形光阑设置于导轨滑块副和丝杠上；双弧形光阑为片状结构，其轮廓线包括第一弧边和第二弧边，第一弧边和第二弧边围成喇叭状开口且有一共同端点；所述第一弧边以及第二弧边的弧形半径与圆形通光口的通光口径相匹配；所述驱动机构通过导轨滑块副和丝杠带动双弧形光阑使喇叭状开口相对于圆形通光口作平行切向运动；所述限位开关固定于导轨滑块副的两端并与控制器相连，限位开关的高度高于导轨滑块副的高度；

所述双弧形光阑的轮廓线还包括第一直边、第二直边以及第三直边；所述第一弧边和第二弧边的共同端点位于第三直边的垂直平分线上；所述喇叭状开口背向第三直边；所述第一弧边的另一端和第三直边通过第一直边相连；所述第二弧边的另一端和第三直边通过第二直边相连；

所述第一直边与第二直边平行；以第一弧边和第二弧边的共同端点为原点，以过原点且垂直于第三直边的直线为X轴，以过原点且垂直于X轴的直线为Y轴，建立直角坐标系，靠近喇叭状开口的方向为X轴正方向，靠近第一直边的方向为Y轴正方向，则所述双弧形光阑的数学模型为：

其中，R为第一弧边及第二弧边的弧形半径，为弧上任意一点和原点的连线与X轴正方向的夹角，x、y分别为第一弧边或第二弧边上任意一点的坐标。

2.根据权利要求1所述的高精度电控光阑装置，其特征在于：所述驱动机构是步进电机；所述限位开关包括分别固定于导轨滑块副两端的第一光电开关和第二光电开关；所述第一光电开关以及第二光电开关分别与控制器相连。

3.根据权利要求2所述的高精度电控光阑装置，其特征在于：所述导轨滑块副包括导轨以及通过导轨设置于基座上并可在导轨上自如滑动的滑块；所述导轨与丝杠平行设置于圆形通光口的两侧；所述双弧形光阑设置于滑块和丝杠上；所述步进电机通过丝杠和滑块带动双弧形光阑使喇叭状开口相对于圆形通光口作平行切向运动；所述第一光电开关以及第二光电开关分别固定于导轨的两端，第一光电开关以及第二光电开关的高度均高于滑块的高度。

4.根据权利要求3所述的高精度电控光阑装置，其特征在于：所述导轨是行走平行度为3.5μm的支撑型精密线性轴承导轨。

5.根据权利要求4所述的高精度电控光阑装置，其特征在于：所述丝杠包括螺杆以及套装于螺杆上并可沿螺杆往复运动的丝杠螺母；所述螺杆沿步进电机的动力输出方向设置，螺杆一端与步进电机相连，另一端通过支撑件固连于基座的侧部；所述双弧形光阑固连于丝杠螺母和滑块上。

6.根据权利要求5所述的高精度电控光阑装置，其特征在于：所述丝杠与步进电机是一体式结构。

7.根据权利要求6所述的高精度电控光阑装置，其特征在于：所述支撑件包括轴承座以及轴承；所述螺杆依次通过轴承和轴承座固连于基座的侧部。