一种用于光学系统三稳态多视场变倍镜头切换的装置的制作方法

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种用于光学系统三稳态多视场变倍镜头切换的装置，用于实现多个不同放大倍率光学视场之间的自由切换，最多可提供8档视场变倍。

背景技术：

在高分辨可见光侦查装置、红外摄像机等军民用探测、成像光学系统中，可能需要同时具备宽、中、小、超小等不同的视场，并根据观察目标的不同进行实时切换，这一般通过视场变倍机构实现。常用的视场变倍技术主要包括：直线式连续变倍和切换式变倍两种模式。

直线式连续变倍是通过变倍镜组在光路中移动，改变光学系统的焦距，从而实现变倍，由于镜组有一定的运动范围，结构所占空间较大，同时也有包含元器件多且复杂，完成变倍所需要的时间较长等缺点。

切换式视场变倍是将变倍透镜组切入原光学系统中，形成一个新的光学视场，具有切换时间短、装配调整简单、光轴方向尺寸紧凑、透镜组元之间空间尺寸大、透过率高等特点，但是受限于变倍镜头数目的限制，可变视场数目较少，通常只具有宽、窄两个视场。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于光学系统三稳态多视场变倍镜头切换的装置，主要针对带有视场切换需求的光学系统，如可见光探测装置、红外搜索跟踪系统等，可以实现宽、中、小、超小等最多8个不同视场之间的转换。

技术方案

一种用于光学系统三稳态多视场变倍镜头切换的装置，其特征在于：包括底座1、镜组支架2、第一驱动轴支架3、第二驱动轴支架4、驱动电机5、驱动轴6、三稳态电磁切换装置7、第一镜组8、第二镜组9、第三镜组10和两个永磁限位装置11；镜组支架2固定在底座1的底板上，第一驱动轴支架3和第二驱动轴支架4分别固定在镜组支架2的两侧，驱动轴6固定于两个驱动轴支架之间，三稳态电磁切换装置7套在驱动轴6；驱动电机5的电机501通过齿轮502与驱动轴6相连接；第一镜组8、第二镜组9、第三镜组10通过方键套在三稳态电磁切换装置7上，且三个镜组按照组合需要固定于不同的位置和角度；在底座1的底板和上支架的对应部位各设有一个永磁限位装置。

所述的镜组支架2包括支架201、第一固定轴202、第二固定轴203和压圈204；第一固定轴202和第二固定轴203分别穿过支架201上的轴孔，并由压圈204进行轴向紧固。

所述的驱动轴6包括第一半轴601、固定铁心602、第二半轴603、齿轮604和方键605；固定铁心602两端带有螺纹，通过螺纹配合将第一半轴601和第二半轴603连接在一起，齿轮604固定于第一半轴601，与齿轮502啮合，方键605位于第二半轴603的方槽内。

所述的驱动轴6所述的三稳态电磁切换装置7包括稳态维持弹簧701、电磁作动装置702和棘齿轴703；电磁作动装置702和棘齿轴703为同心固定连接，两端分别抵在两个稳态维持弹簧701上。

所述的电磁作动装置702包括壳体7021、第一归中线圈7022、第二归中线圈7023、左移线圈7024、右移线圈7025、永磁体7026和导磁块7027；所有线圈、永磁体7025和导磁块7027均同心固定在壳体7021内部。

所述的第一镜组8包括支架801、第一物镜802、第二物镜803、传动块804、尾部配重805和限位铁心806；第一物镜802和第二物镜803分别固定于支架801的两个镜头孔内，尾部配重805位于支架801相对两个镜头孔的一端，限位铁心806位于支架801两个镜头孔的侧边，传动块804位于支架801的轴孔。

所述的第二镜组9包括支架901、第三物镜902、传动块903、尾部配重904和限位铁心905；第三物镜902固定于支架901的镜头孔内，尾部配重904位于支架901相对镜头孔的一端，限位铁心905位于支架901镜头孔的侧边，传动块903位于支架901的轴孔。

所述的第三镜组10包括支架101、第一目镜102、第二目镜103、传动块104、尾部配重105和限位铁心106；第一目镜102和第二目镜103分别固定于支架101的两个镜头孔内，尾部配重105位于支架101相对两个镜头孔的一端，限位铁心106位于支架101两个镜头孔的侧边，传动块104位于支架101的轴孔。

所述的永磁限位装置11是将永磁体112固定于壳体111内需要限位的部位。

所述永磁体112通过胶粘固定。

通过驱动电机5、驱动轴6和三稳态电磁切换装置7，可实现不同镜组的独立切换；镜组在工作位置由永磁限位装置11进行锁定；通过三个镜组不同镜片的组合，最多可实现8挡视场变倍。

有益效果

本发明提出的一种用于光学系统三稳态多视场变倍镜头切换的装置，包含三个互相独立的旋转切换镜组；通过一套旋转驱动电机作为动力源，经驱动轴进行动力输出，负责镜组的位置旋转；通过三稳态电磁切换装置，实现动力在三个不同镜组之间的自由切换；通过永磁限位装置进行镜组工作位置的锁定。本多视场变倍机构通过三稳态电磁切换装置，由一套驱动电机即可实现三个镜组的独立切换，结构紧凑，重量轻，通过不同镜组工作镜片的组合，实现了大变倍比、多档位的视场自由切换，大大提高了光学系统的适应性和观察效果。

附图说明

图1是本发明三稳态多视场变倍机构的结构组成图；

图2是本发明三稳态多视场变倍机构的爆炸组成图；

图3是本发明三稳态多视场变倍机构剖视组成图；

图4是第一镜组的组成图；

图5是第二镜组的组成图；

图6是第三镜组的组成图；

图7是电磁作动装置的组成图；

图8是永磁限位装置的组成图；

图中，1-底座，2-镜组支架，3-第一驱动轴支架，4-第二驱动轴支架，5-驱动电机，6-驱动轴，7-三稳态电磁切换装置，8-第一镜组，9-第二镜组，10-第三镜组，11-永磁限位装置，201-支架，202-第一固定轴，203-第二固定轴，204-压圈，501-电机，502-齿轮，601-第一半轴，602-固定铁心，603-第二半轴，604-齿轮，605-方键，701-稳态维持弹簧，702-电磁作动装置，703-棘齿轴，7021-壳体，7022-第一归中线圈，7023-第二归中线圈，7024-左移线圈，7025-右移线圈，7026-永磁体，7027-导磁块，801-支架，802-第一物镜，803-第二物镜，804-传动块，805-尾部配重，806-限位铁心，901-支架，902-第三物镜，903-传动块，904-尾部配重，905-限位铁心，101-支架，102-第一目镜，103-第二目镜，104-传动块，105-尾部配重，106-限位铁心，111-壳体，112-永磁体。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例的三稳态多视场变倍机构，包括底座1、镜组支架2、第一驱动轴支架3、第二驱动轴支架4、驱动电机5、驱动轴6、三稳态电磁切换装置7、第一镜组8、第二镜组9、第三镜组10和永磁限位装置11。

底座1是视场变倍机构的主要支撑零件，同时变倍机构也通过底座1固定于整个光学系统中，因此需要具有较高的刚度和强度。镜组支架2、第一驱动轴支架3和第二驱动轴支架4均通过螺钉紧固于底座1的相应位置上。

镜组支架2由支架201、第一固定轴202、第二固定轴203和压圈204组成，第一固定轴202和第二固定轴203分别穿过支架201上的轴孔，并由压圈204进行轴向紧固。第一镜组8、第二镜组9和第三镜组10可以绕第一固定轴202和第二固定轴203旋转。

第一驱动轴支架3上带有驱动轴孔和电机轴孔，主要用于固定驱动轴6的左端及驱动电机5，第二驱动轴支架4上带有驱动轴孔，主要用于固定驱动轴6的右端。装配时，可以调整第一驱动轴支架3和第二驱动轴支架4的相对位置，保证驱动轴6能平顺转动。

驱动电机5由电机501和齿轮502组成，电机501为旋转伺服控制电机，自带角度编码器，可以实现较精度的角度转动和数据输出，电机501通过自带的螺纹孔安装于第一驱动轴支架3上。齿轮502固定于电机501的转轴，与齿轮604啮合。由于电机501的输出已经经过电机自身齿轮箱的减速，因此齿轮502和604在减速比上没有一定要求，主要用于改变运动方向，实现电机501的紧凑安装。

驱动轴6由第一半轴601、固定铁心602、第二半轴603、齿轮604和方键605组成，两端分别穿过第一驱动轴支架3和第二驱动轴支架4的轴孔，并可以绕轴孔转动。固定铁心602两端带有螺纹，第一半轴601和第二半轴603对应端带有螺纹孔，通过螺纹配合将三者同心连接在一起形成一根轴，齿轮604固定于第一半轴601，与齿轮502啮合，将驱动电机5的旋转传递至驱动轴6上，方键605一半位于第二半轴603的轴向方槽内，另一半位于棘齿轴703的轴向方槽内，将驱动轴6的旋转传递至棘齿轴703上，同时保证棘齿轴703可沿驱动轴6轴向自由滑动。

三稳态电磁切换装置7嵌套在驱动轴6外部，由稳态维持弹簧701、电磁作动装置702和棘齿轴703组成。电磁作动装置702和棘齿轴703为同心固定连接，两端分别抵在两个稳态维持弹簧701上，两个稳态维持弹簧701的另一端分别抵在第一驱动轴支架3和第二驱动轴支架4上。电磁作动装置702又由壳体7021、第一归中线圈7022、第二归中线圈7023、左移线圈7024、右移线圈7025、永磁体7025和导磁块7027组成，所有线圈、永磁体7025和导磁块7027均同心固定在壳体7021内部。第一归中线圈7022嵌套在右移线圈7025的外部，第二归中线圈7023嵌套在左移线圈7024外部，第一归中线圈7022和第二归中线圈7023的线组缠绕方向相同，左移线圈7024和右移线圈7025的线组缠绕方向需相反。

第一镜组8、第二镜组9和第三镜组10安装于镜组支架2上，可绕轴在一定角度范围内自由转动。第一镜组8由支架801、第一物镜802、第二物镜803、传动块804、尾部配重805和限位铁心806组成，第一物镜802和第二物镜803分别固定于支架801的镜头孔内，尾部配重805用于平衡第一物镜802和第二物镜803及结构的重量，使镜组重心位于旋转轴线上。第二镜组9由支架901、第三物镜902、传动块903、尾部配重904和限位铁心905组成，第三物镜902固定于支架901的镜头孔内，尾部配重904用于平衡第三物镜902及结构的重量，使镜组重心位于旋转轴线上。第三镜组10由支架101、第一目镜102、第二目镜103、传动块104、尾部配重105和限位铁心106组成，第一目镜102和第二目镜103分别固定于支架101的镜头孔内，尾部配重105用于平衡第一目镜102、第二目镜103及结构的重量，使镜组重心位于旋转轴线上。

永磁限位装置11分布于三个镜组的两侧，由壳体111、永磁体112组成，壳体111上带有螺纹，将永磁限位装置11固定于底座1上，永磁体112通过环氧胶等粘接固定于壳体111内。

第一镜组8中第一物镜802、第二物镜803中心与旋转中心的夹角，第三镜组11中，第一目镜102、第二目镜103中心与旋转中心的夹角，及棘齿轴703上两个相邻棘齿的夹角均需相同，以保证在不同旋转角度下，棘齿与凹槽的准确啮合及镜片的准确到位。初始装配时，对三个镜组的角度没有严格要求。

本发明的目的是通过如下措施来达到：一种三稳态多视场变倍机构，包括底座、镜组支架、第一驱动轴支架、第二驱动轴支架、驱动电机、驱动轴、三稳态电磁切换装置、第一镜组、第二镜组、第三镜组和永磁限位装置。其中，底座为整个装置的主要支撑零件，同时变倍机构通过底座固定到整个光学系统中。镜组支架、第一驱动轴支架和第二驱动轴支架均通过螺钉紧固于底座上。镜组支架包含支架、第一固定轴、第二固定轴和压圈，第一固定轴和第二固定轴分别穿过支架上的轴孔，由压圈进行轴向限位紧固。第一驱动轴支架上带有驱动轴孔和电机轴孔，主要用于固定驱动轴的左端及驱动电机，第二驱动轴支架上带有驱动轴孔，主要用于固定驱动轴的右端。驱动电机由电机和齿轮组成，电机为旋转伺服控制电机，自带角度编码器，可以实现较精度的角度输出，齿轮固定于电机轴上。驱动轴由第一半轴、固定铁心、第二半轴、齿轮和方键组成，固定铁心两端带有螺纹，第一半轴和第二半轴对应端带有螺纹孔，通过螺纹副将三者同心连接在一起，齿轮固定于第一半轴的轴端，与驱动电机的齿轮啮合。三稳态电磁切换装置由稳态维持弹簧、电磁作动装置和棘齿轴组成，电磁作动装置和棘齿轴为同心固定连接，两端分别抵在两个稳态维持弹簧上，三稳态电磁切换装置嵌套在驱动轴外部，可沿轴向在一定范围内滑动，驱动轴的方键位于第二半轴和棘齿轴之间。第一镜组、第二镜组和第三镜组安装于镜组支架上，可绕轴在一定角度范围内自由转动，第一镜组由支架、第一物镜、第二物镜、传动块、尾部配重和限位铁心组成，第二镜组由支架、第三物镜、传动块、尾部配重和限位铁心组成，第三镜组由支架、第一目镜、第二目镜、传动块、尾部配重和限位铁心组成。永磁限位装置分布于三个镜组的两侧，由壳体和永磁体组成，壳体上带有螺纹，将永磁限位装置固定于底座上，永磁体通过环氧胶等粘接固定于壳体内。

本发明实现多视场切换的主要原理为：第一镜组、第二镜组和第三镜组均可绕镜组支架在一定范围内旋转，主要工作位置为上、下限位处。例如当第一镜组、第二镜组和第三镜组处于下限位时，第一物镜和第一目镜处于工作光路中，可实现一定的变倍比。此时如果单独将第二镜组旋转至上限位，第三物镜也将切入工作光路，将形成一个新的光学视场。由于第一镜组、第二镜组和第三镜组均有两个有效工作位置，通过不同镜片之间的排列组合，可最多8个不同的光学视场。

为了保证三个镜组的独立旋转，驱动电机的旋转运动在同一时刻只能传递至一个镜组，这主要通过三稳态电磁切换装置实现。三稳态电磁切换装置由稳态维持弹簧、电磁作动装置和棘齿轴组成，其中电磁作动装置又由壳体、第一归中线圈、第二归中线圈、左移线圈、右移线圈、永磁体和导磁块组成。

初始时刻，两个完全相同的稳态维持弹簧都带有一定的压缩量，固定铁心位于永磁体的中间位置，由于两侧的气隙相等，电磁作动装置受到的磁合力为零，即使线圈断电，在两个弹簧的作用下，电磁作动装置稳定于中间稳态位置。此时，棘齿轴上的棘齿与第二镜组传动块上的凹槽啮合，动力可经由驱动轴、方键、棘齿轴传递至第二镜组上。

初始电磁作动装置处于中间位置，此时给右移线圈通电，永磁体左方磁场被增强，电磁作动装置受到向右的电磁力会逐渐增大，并最终大于弹簧反力的增大值，此时电磁作动装置将向右移动，此时即使切断电源，由于永磁体所产生的磁场通过固定铁心所在的这部分回路的磁极间的低磁阻阻抗使得电磁作动装置受到很大的永磁保持力，且其力大于弹簧的反向弹力，这样电磁作动装置就可以在电流不通过右移线圈的情况下处于右侧位置。此时，棘齿轴上的棘齿与第一镜组传动块上的凹槽啮合，并与第二镜组传动块上的凹槽分离，动力可经由驱动轴、方键、棘齿轴传递至第一镜组上。

初始电磁作动装置处于中间位置，此时给左移线圈通电，永磁体右方磁场被增强，电磁作动装置受到向左的电磁力会逐渐增大，并最终大于弹簧反力的增大值，此时电磁作动装置将向左移动，此时即使切断电源，由于永磁体所产生的磁场通过固定铁心所在的这部分回路的磁极间的低磁阻阻抗使得电磁作动装置受到很大的永磁保持力，且其力大于弹簧的反向弹力，这样电磁作动装置就可以在电流不通过左移线圈的情况下处于左侧位置。此时，棘齿轴上的棘齿与第三镜组传动块上的凹槽啮合，并与第二镜组传动块上的凹槽分离，动力可经由驱动轴、方键、棘齿轴传递至第三镜组上。

初始电磁作动装置处于左侧或者右侧位置，此时给第一归中线圈和2通电，永磁体磁场被减弱，电磁作动装置受到的电磁力会逐渐减小，并最终小于弹簧反力的增大值，此时电磁作动装置将中间移动，根据前面的分析，即使线圈断电，在两个弹簧的作用下，电磁作动装置稳定于中间稳态位置。此时，棘齿轴上的棘齿与第二镜组传动块上的凹槽啮合，并与第一镜组或第三镜组传动块上的凹槽分离。

通过给对应的线圈通电，可以控制电磁作动装置处于左、中、右不同位置，并且及时在线圈断线后，电磁作动装置也可以稳定的处于当前位置，因此具有三个稳定状态。

当棘齿轴上的棘齿与镜组传动块上的凹槽分离时，镜组将不能再受到驱动电机堵转力矩的作用，因此需要采用一定的措施将镜组锁定于上下工作位置。在每个镜组两侧带有限位铁心，并且分布有对应的永磁限位装置，当限位铁心靠近永磁限位装置时，将受到永磁体的吸引力，从而将镜组固定于工作位置。由于镜组本身经过动平衡设计，带有相应配重，重心是位于旋转中心的，因此即使在振动条件下，镜组受到的不平衡力矩也较小，永磁体的吸引力可以保证镜组不松脱。而驱动电机的扭转力矩较大，可以克服永磁限位装置的吸引，实现镜组位置的改变。永磁限位装置的高度是可以通过螺纹进行调节的，因此可以保证镜组具有较高的到位精度。