一种滤光片切换结构及具有该结构的光学仪器设备的制作方法

本发明涉及空间遥感应用技术领域，特别涉及一种滤光片切换结构及具有该结构的光学仪器设备。

背景技术：

为选择特定波长或波段的光谱，在光学成像、光谱分析、光度计量等光学仪器设备中，通常需要使用滤光片。当光学仪器有多个工作波段或波长时，经常需要使用驱动元件、位置传感器和滤光片轮实现滤光片切换的功能。根据滤光片的尺寸、质量和位置精度要求，滤光片轮的安装和驱动形式有多种。安装形式上，主要包括转轴两端轴承支撑安装和无轴系直接安装于驱动轴两种方式，两端支撑安装结构适用于大质量滤光片轮，无轴系直接安装结构多用于紧凑型小质量滤光片轮。驱动形式上，主要有电机加减速器驱动和电机直驱两种方式，减速驱动方案在精度和动力性能上有优势，直驱方案的可靠性则更高。

在空间遥感应用技术领域，受运载发射能力和空间环境限制，空间仪器设计的关键约束条件为质量、尺寸和可靠性，因此滤光片多设置在光路中光束较小的位置，以减小尺寸、减轻质量，同时采用电机直驱结构增加可靠性。如何减小电机直驱滤光片轮的悬臂长度以提高其抗力学性能，同时具有较好的装配工艺性是滤光片轮结构设计的难点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种滤光片切换结构及具有该结构的光学仪器设备，体积小巧、结构简单，结构配合精度高、工艺性好，转轴悬臂短、受力环境好，销钉具有防松脱结构、可靠性高，具有较高的定位精度。

第一方面，本发明提供一种滤光片切换结构，所述结构包括：

两个或两个以上用于承载滤光片的滤光片座；

用于安装所述滤光片座的滤光片轮，在所述滤光片轮上为每个滤光片座设置对应的通光窗口；

用于为所述滤光片轮转动提供动力的动力装置；

用于为所述滤光片轮定位的定位组件；

用于控制所述动力装置和所述定位组件工作的控制器；

所述控制器利用所述定位组件确定所述滤光片轮的初始位置，控制所述动力组件转动，所述动力组件转动带动所述滤光片轮转动，根据动力组件的转动步数和所述初始位置控制滤光片轮的转动位置以实现所述滤光片的切换。

可选地，所述滤光片座为6个且均布在所述滤光片轮上。

可选地，所述动力装置为伺服电机，所述滤光片轮通过连接法兰安装在所述伺服电机的转轴上。

可选地，所述定位组件包括磁座和位置传感器，所述滤光片轮朝向伺服电机一侧安装所述磁座，所述位置传感器安装在所述伺服电机的电机座上。

可选地，所述通光窗口的内径和所述滤光片的通光直径相同。

可选地，所述滤光片座还包括压圈，所述滤光片通过所述压圈安装在所述滤光片座内。

可选地，所述滤光片轮的安装面与所述连接法兰的法兰连接面通过四个第二螺钉固定。

可选地，所述连接法兰包括用于连接所述伺服电机转轴的连接筒，所述连接筒与所述转轴过盈配合，沿径向方向贯穿所述连接筒与所述转轴设有销钉。

可选地，所述滤光片和滤光片座的组合质心、所述滤光片轮的质心及所述连接法兰的质心均位于所述伺服电机的转轴轴线上。

第二方面，本发明还提供一种光学仪器设备，所述光学仪器设备具有上述介绍的滤光片切换结构。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的滤光片切换结构和光学仪器设备，通过转动滤光片轮实现对滤光片的切换，可以减小悬臂长度，改善悬臂支撑受力状态，增强结构刚度和稳定性，体积小巧、结构简单，结构配合精度高、工艺性好，转轴悬臂短、受力环境好、可靠性高，具有较高的定位精度。

另外，通过铰制连接法兰与电机转轴的销轴孔，并安装销钉及防脱落螺母，然后安装滤光片轮及滤光片组件，可以增加销孔铰制的操作空间，改善销孔铰制的工艺性；连接法兰与电机转轴间通过锥销配合连接，可增加配合和转动精度；销钉类型为锥销，直径较小的一端攻螺纹，销钉螺纹拧上螺母后可以防止销钉脱落，增加结构的连接可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中的滤光片切换结构的主视图；

图2为图1的c-c剖视图；

图3为图1的右向视图。

其中：1、滤光片，2、滤光片座，3、第一螺钉，4、滤光片轮，5、压圈，6、连接法兰，7、第二螺钉，8、销钉，9、伺服电机，10、螺母，11、第三螺钉，12、电机座，13、第四螺钉，14、位置传感器，15、第五螺钉，16、磁座。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1至3所示，本发明提供一种滤光片切换结构，所述结构包括：

两个或两个以上用于承载滤光片的滤光片座2；

用于安装所述滤光片座2上的滤光片轮4，在所述滤光片轮4上为每个滤光片座设置对应的通光窗口(图中未示出)；

用于为所述滤光片轮4转动提供动力的动力装置；

用于为所述滤光片轮4定位的定位组件；

用于控制所述动力装置和所述定位组件工作的控制器(图中未示出)；

所述控制器利用所述定位组件确定所述滤光片轮的初始位置，控制所述动力组件转动，所述动力组件转动带动所述滤光片轮4转动，根据动力组件的转动步数和所述初始位置控制滤光片轮4的转动位置以实现所述滤光片1的切换。

这里提到的控制器可以采用单片机，实现对动力装置如伺服电机9的转动控制，并且可以根据定位组件如位置传感器14和磁座16的数据采集确定滤光片轮4的初始位置，并可以根据伺服电机9的转动位置和滤光片轮4的初始位置控制滤光片轮4转动指定角度，从而实现滤光片1的切换。

可选地，所述滤光片座2为6个且均布在所述滤光片轮4上，具体的排布方式是以滤光片轮4的中心为圆心间隔60度设置六个滤光片座2，当然本领域普通技术人员可以根据需要设置其他数量的滤光片座2，如8个或10个等，对于数量此处不做限定。

需要说明的是，每个滤光片座2上安装的滤光片1的光谱波段可以不相同，这样可以通过滤光片轮4的转动实现对不同波段光谱的选择。

本实施例中，所述动力装置为伺服电机9，所述滤光片轮4通过连接法兰6安装在所述伺服电机9的转轴上，所述连接法兰6包括用于连接所述伺服电机9转轴的连接筒，所述连接筒与所述转轴过盈配合，沿径向方向贯穿所述连接筒与所述转轴设有销钉8，连接法兰6的连接筒与电机转轴紧密配合接触，限制连接法兰6垂直于转轴方向的4个自由度，贯穿连接法兰6的连接筒和电机转轴的销钉8限制连接法兰6在轴向的平移、旋转2个自由度，从而保证连接法兰6的连接筒与电机转轴的相对位置固定，进一步地，与销钉8配合安装的连接法兰6及电机转轴上的孔需要配合铰制。

动力装置和滤光片轮4之间的连接关系可以采用上面描述的直接连接的方式，也可以采用传动的方式，如链条传动、摩擦传动、液压传动、齿轮传动以及皮带式传动等，对此不做限定。

可选地，所述定位组件包括磁座16和位置传感器14，磁座16可以为小型磁铁，所述位置传感器14可以为霍尔开关，所述滤光片轮4朝向伺服电机9一侧安装所述磁座16，所述位置传感器14安装在所述伺服电机9的电机座12上，在本实施例中，位置传感器14和磁座16为标准工业产品，为南京中旭电子科技有限公司研制的型号为cs3040的霍尔开关集成电路套件，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。

在初始使用时，对所述位置传感器14的位置与滤光片1位置的精确对应关系需要标定，本领域普通技术人员应当了解，此处不作赘述。

可选地，通光窗口可以为圆形，所述通光窗口的内径和所述滤光片1的通光直径相同，当然，通光窗口的内径也可以大于滤光片1的通光直径，便于光线通过滤光片1，保证足够的通光量。

可选地，所述滤光片座2还包括压圈5，所述滤光片1通过所述压圈5安装在所述滤光片座2内，需要说明的是，对于大尺寸的滤光片1可以采用压圈5安装固定，对于小尺寸的滤光片1还可以采用滚边法进行滤光片1的固定，对此不做限定。

可选地，所述滤光片轮4的安装面与所述连接法兰6的法兰连接面通过四个第二螺钉7固定。

可选地，所述多个滤光片1和多个滤光片座2的组合质心、所述滤光片轮4的质心及所述连接法兰6的质心均位于所述伺服电机9的转轴轴线上，均衡配重，有利于伺服电机9转动时候的稳定，减少震动的发生。

本发明提供的滤光片1切换结构和光学仪器设备，通过使用连接法兰6，可以减小悬臂长度，改善悬臂支撑受力状态，增强结构刚度和稳定性；先铰制连接法兰6与电机转轴的销轴孔，并安装销钉8及防脱落螺母，然后安装滤光片轮4及滤光片组件(包括滤光片1和滤光片座2)，可以增加销孔铰制的操作空间，改善销孔铰制的工艺性；连接法兰6与电机转轴间通过锥销配合连接，可增加配合和转动精度；销钉8类型为锥销，直径较小的一端攻螺纹，销钉螺纹拧上螺母后可以防止销钉8脱落，增加结构的连接可靠性。

下面结合图1至3所示，对本发明提供的滤光片1切换结构的具体连接结构进行说明：

滤光片切换结构包括滤光片1、滤光片座2、第一螺钉3、滤光片轮4、压圈5、连接法兰6、第二螺钉7、销钉8、伺服电机9、螺母10、第三螺钉11、电机座12、第四螺钉13、位置传感器14、第五螺钉15和磁座16；所述滤光片轮4通过所述连接法兰6和销钉8与所述伺服电机9装配，伺服电机9转轴转动带动滤光片轮4转动，进而带动滤光片1旋转至光线通过的位置，实现对不同波段光谱的选择，所述滤光片轮4的位置信息通过位置传感器14感应到的磁块16的定位信息和伺服电机9转动的步数确定；所述滤光片1通过压圈5固定于滤光片座2内，滤光片座2通过四个第一螺钉3固定在滤光片轮4上，滤光片轮4通过四个第二螺钉7与连接法兰6固定连接，连接法兰6通过其轴孔和销钉8与伺服电机9的转轴配合连接，伺服电机9通过四个第三螺钉11固定在电机座12上，整套结构通过电机座12与外界固定结构连接；销钉8通过安装在销钉8小径一端螺纹上的螺母10，固定连接法兰6与伺服电机9转轴的相对位置；位置传感器14通过一个第四螺钉13固定在电机座12上；磁座16通过一个第五螺钉15固定在滤光片轮4上。

为了更好的平衡配重，滤光片1、滤光片座2、第一螺钉3、滤光片轮4、压圈5、连接法兰6、第二螺钉7、销钉8、和螺母10的质心位于电机转轴轴线上，减少震动的发生。

本实施例中，滤光片1、滤光片座2和压圈5为标准工业套装产品，型号为tf110-10.2-al-ba，由luxelcorporation生产。第一螺钉3、第二螺钉7、第三螺钉11、第四螺钉13和第五螺钉15是标准件，标准代号为gb/t70-2000，第一螺钉3规格为m1.6×5(mm)，第二螺钉7和第三螺钉11规格为m4×6(mm)，第四螺钉13和第五螺钉15规格为m2×5(mm)。滤光片轮4由牌号为7a09的硬质铝合金制成，外形尺寸为：直径φ88mm，厚度5mm，其上安装滤光片座2的分度圆直径为φ58mm。连接法兰6由牌号为7a09的硬质铝合金制成，外形尺寸为：直径φ27mm，高度29mm，轴孔直径为φ5mm，与伺服电机9转轴直径一致。销钉8是标准件，标准代号为销gb/t117-2000，规格为2×16(mm)。伺服电机9为标准工业产品，型号为35byg020，由常州亚美柯宝马公司生产。螺母10是标准件，标准代号为销gb/t6170-2000，规格为m2。电机座12由牌号为7a09的硬质铝合金制成，外形尺寸为：长50mm，宽28mm，高37mm，对此不做限定。

本发明还提供一种光学仪器设备，所述光学仪器设备具有上述介绍的滤光片切换结构。

本发明提供的滤光片切换结构及光学仪器设备，体积小巧、结构简单，结构配合精度高、工艺性好，转轴悬臂短、受力环境好，销钉具有防松脱结构、可靠性高，具有较高的定位精度，除了应用于空间遥感领域外，还能应用在航空摄像、天文观测、环境监测、精密仪器等领域。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种滤光片切换结构及光学仪器设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。