专利名称：高重复频率高精度转盘式机械快门装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高重复频率高精度转盘式机械快门装置，用于对光信号进行高重复频率高精度的开关控制。
背景技术：
在激光雷达、激光测距、空间激光通讯、自适应光学技术中的激光人造导星等应用领域中，需要对一定距离处的目标进行探测。其工作体制都是先发射一个激光脉冲，延迟一定时间后用光电探测器接收从目标处返回的光信号，从回光信号中获取有效信息。在有些应用场合，对脉冲激光发射和光电接收过程重复频率要求很高。例如在自适应光学技术中的激光导引星中重复频率可达几百上千赫兹。时间延迟大小与目标距离成正比。通常待测量的目标距离探测器几公里到几千公里。目标距离的测量精度直接取决于时间延迟的设定精度。由于光速很快，从150米距离来回只需要约1微秒时间，所以要达到百米级的距离探测精度，时间设定精度要求达到微秒级。
由于远距离处的回光信号一般比较微弱，需要尽可能提高发射激光的功率或脉冲能量，并采用像增强器、光电倍增管等高灵敏度的光电探测器件。这类高灵敏度的光电探测器件一般价格昂贵，对使用环境有严格要求，稍有不慎就容易损坏。高功率脉冲激光发射时的各种杂散光和近距离内的大气后向散射光，就会对这类高灵敏度光电探测器件造成损坏，或使其信号严重饱和不能正常工作，或迅速缩短其使用寿命。利用机械快门装置放在高灵敏度光电探测器件的光敏面前，可以对其进行有效保护，并对光电探测器的开通和关断状态进行控制。虽然有些种类的高灵敏度光电探测器件自带电子快门，能对内部的电路和部件提供保护，但其暴露在外的光敏面在强杂散光的辐照下容易损坏，仍然需要采用机械快门对其进行有效保护。
转盘式机械快门的主要结构是一个有开孔或开槽的不透光圆盘。光束入射到圆盘上，遇到孔或槽就通过，否则就被关断。将圆盘旋转起来就可以实现一定重复频率的开通和关断。转盘式机械式快门的优点在于可以达到完全的开通和关断，不影响透过光束的像质，可以适应所有的激光波长。转盘式机械式快门的缺点在于要在技术上同时实现高重复频率和高时间设置精度非常困难。检索国内外科技论文和专利文献发现，王静江在1981年出版的《光学工程》第4期第12-17页的“高精度旋转快门设计”一文中，公布了一种机械快门装置。为了提高快门的转速，缩短曝光时间，该装置上用高速电机驱动一个齿轮组，齿轮组使四个快门叶片协同工作，控制入射光束的开关。据该文介绍，这套快门装置最高可以实现1/120秒的曝光时间，与同步时间设置精度±20微秒。这是目前国内公开的速度最快、精度最高的转盘式机械快门装置。但这种机械快门装置的结构比较复杂，利用这种技术手段，无法同时达到上千赫兹的重复频率和微秒级的时间设置精度。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种可以达到上千赫兹的高重复频率和微秒级的高时间设置精度的高重复频率高精度转盘式机械快门装置。
本发明的技术解决方案是高重复频率高精度转盘式机械快门装置，其特点在于将一个轻薄的、有若干轴对称开孔的不透光转盘通过反螺纹的紧定螺母和轴套直接固定在高速电机的轴头上，高速电机和光电开关固定在一个底座上，在信号光束穿过转盘的后面位置安装一个高速光电二极管，高速光电二极管安装在一个可以自由放入光路或拿开的悬臂上，转盘垂直于光路放置，并将转盘开孔置于焦点或光束直径最小的位置上，通过选择转盘的开孔数目和电机的转速达到上千赫兹的高重复频率；再利用光电二极管配合光电开关实际标定快门对入射光信号的开门信息，并控制快门转盘各开孔间的机械加工误差，当快门的开关重复频率达到上千赫兹时，其开关时间设置精度可达到微秒级。
本发明的原理是为了提高快门的开关重复频率，在保证转盘有足够钢性的同时采用轻薄的轴对称结构，降低转动部件的转动惯量，将转盘通过轴套直接安装在高速电机的轴头上，去除中间传动环节对快门速度和精度的影响。这时快门的开关重复频率等于转盘上开孔数目乘以电机转速，在转盘上开多个孔并采用高速电机，快门开关重复频率很容易达到上千赫兹，同时当利用光电开关实际测量转盘的转动信号，作为快门时间控制的基准信号，进一步减消电机的转速抖动和开孔间位置误差对快门时间设置精度的影响；并利用装置上可移动的高速光电二极管配合光电开关，实际标定快门对入射信号的开门信息，减消快门实际安装过程中的位置误差对快门时间设置精度的影响快门的开关重复频率达到上千赫兹时，其开关时间设置精度可以达到微秒级。
本发明与现有技术相比具有的优点在于(1)将快门转盘直接固定在高速电机的轴头上，没有任何中间传动环节；(2)通过适当增加转盘上的开孔数目，可以在保证快门具有高开关重复频率的同时降低对电机转速的要求；(3)利用快门装置上的光电开关实际测量转盘的转动信号，减消电机的转速抖动和开孔间位置误差对快门时间设置精度的影响；(4)利用装置上可移动的高速光电二极管配合光电开关，实际标定快门对入射信号的开门信息，减消快门实际安装过程中的位置误差对快门时间设置精度的影响；(5)将转盘开孔垂直放置在光路的焦点位置或光束直径最小的位置上，最大程度减小光束宽度造成的过渡时间；(6)轴套和紧定螺母的装夹方式便于更换不同的转盘，以适应各种工作场合需要。这种机械快门装置可以用于激光雷达、激光测距、空间激光通讯、自适应光学中的激光人造导星等应用领域。
图1为本发明的结构示意图，其中1为转盘，2为紧定螺母，3是轴套，4是电机，5是底座，6是光电开关，7是悬臂，8是光电二极管；图2为图1中转盘结构示意图，其中D为入射光束直径，r是转盘的有效半径，R为转盘的实际半径，ω为转盘的旋转速度，1为转盘开孔部分相对转盘轴心的张角，2为转盘遮断部分相对转盘轴心的张角，θ为光电开关安装位置与信号光束中心间距离相对转盘轴心的张角；
图3为本发明的开门信号示意图，其中A-B间为开门过渡时间T1，B-C问为快门完全打开时间T2，C-D间为关门过渡时间T1，D-E间为快门完全关断时间T3，A-E间为一个完整快门周期T；图4为本发明的开关时间设置精度与电机转速、转盘有效半径、转盘上各开孔间机械加工误差的关系图。
具体实施例方式
如图1所示，将一个存在若干轴对称开孔的不透光薄圆盘1通过反螺纹的紧定螺母2和轴套3直接固定在高速电机4的轴头上，高速电机4和光电开关6固定在底座5上，在信号光束穿过转盘1的后面位置安装一个高响应速度光电二极管8，光电二极管8安装在一个可以自由放入光路或拿开的悬臂7上。转盘1上的开孔既是入射信号的通光孔，又是光电开关6的定位孔，当转盘1的不通光部分通过光电开关，光电开关6给出一个低电平信号；当转盘1上的开孔通过光电开关6，光电开关6给出一个高电平信号，当转盘1连续转动起来后，光电开关6将产生通-断-通-断的周期信号，这个周期信号的频率与机械快门的开关门重复频率相同。
图1中悬臂7是旋转式，也可以选用伸缩式或其它形式。光电二极管8的靶面应足够大，使其在光路中时能够覆盖全部光束口径。高速光电二极管8在工作前放入光路，实际标定快门对入射信号的开门关门时间延迟信息，在正式工作时移出光路，不影响需要光信号的传输。可移动高速光电二极管8的作用是配合光电开关6实际标定快门对入射信号的开门信息，减消快门实际安装过程中的位置误差对快门时间设置精度的影响。
如图2所示，转盘1上对称开有若干通光孔。在图2中光电开关6放置在快门盘片的垂直轴下方边沿，转盘1开孔先转过光电开关6，然后才经过信号光束位置。θ为光电开关6安装位置与信号光束中心间距离相对转盘轴心的张角。实际上光电开关6放置在转盘1周边的任意位置都不影响机械快门的性能。
如图2所示，转盘1采用的刚度较大的轻质材料制作，一般为金属薄片式。由于具有轴对称的外形，厚度较薄，因而转动惯量小，可以直接安装在高速电机的轴头上，这时快门开关的重复频率等于转盘上开孔数目乘以电机转速，例如转速最高达30000转/分(＝500转/秒)的小型直流伺服电机在市场上很容易买到。如果在转盘上对称开2个通光孔，快门开关的最高重复频率为1000赫兹；如果开4个通光孔，最高重复频率可达2000赫兹。因为电机转速过高容易发生机械谐振，而且快门叶片边沿也会因为空气的风阻效应产生谐振现象和很大的响声，所以在满足需要的快门开关重复频率和时间设置精度的条件下，尽量降低电机转速保证整个机械快门装置的稳定性。
转盘1的开孔数目选择N＝4，图中左下角开孔中的小园表示在快门盘片上的截面，D为入射光束直径，r为入射光束中心与快门轴心的距离，是转盘1的有效半径，转盘1的实际半径R≥r+D/2，保证对入射光束的有效遮断，ω为转盘的旋转速度，1为转盘开孔部分相对转盘轴心的张角，2为转盘遮断部分相对转盘轴心的张角。
转盘1如果在一个机械快门装置上需要切换几种工作模式，就设计几种可以互换的转盘，且当快门装置重新装调或转盘更换后，只需重复一次定标过程即可。
入射光束截面有一定大小，转盘1的转速也有限，入射光束在转盘1开孔上将存在一个逐渐打开和一个逐渐关断的过渡过程。图3所示为本发明的开门信号示意图，其中A-B间为开门过渡时间，B-C间为快门完全打开时间，C-D间为关门过渡时间，D-E间为快门完全关断时间，A-E间为一个完整快门周期。
快门重复频率为f＝N×ω快门周期T的大小为T＝1/f＝(1+2)/(2πω)过渡时间T1的大小为T1＝D/(2πωr)完全开门时间T2的大小为T2＝1/(2πω)-T1完全关门时间T3的大小为T3＝2/(2πω)-T1快门转盘面上入射光束口径对快门性能的影响，在脉冲激光发射接收系统中，必须在快门完全关断时发射激光，在快门完全打开后接收回光。开门和关门过渡时间T1的大小限制从脉冲发射到脉冲接收的最小时间间隔。例如在激光雷达系统中，过渡时间限制可能探测的最小距离。假设这种机械快门装置的电机转速ω＝18000转/分＝300转/秒，转盘上开孔数N＝4个，快门频率f＝N×ω＝1200赫兹，快门周期T＝1/f＝833微秒，光束轴心与快门中心距离r＝60毫米，快门转盘半径60毫米。如果快门转盘面上的入射光束直径D＝1毫米，则开门和关门过渡时间T1＝D/(2πωr)＝1/(2π×300×60)＝8.84微秒，限制激光雷达的最小工作距离为1.33公里。如果光束直径大到10毫米，则最小工作距离为13.3公里，对激光雷达的可用范围影响很大。为了最大限度减少穿过转盘通光孔的入射光束口径，将转盘平面与入射光束轴线垂直，并且将转盘的通光孔放置在入射光束的焦点位置附近或光束直径最小的位置。
关于快门装置的时间设置精度问题，转盘式机械快门的时间设置精度主要取决于转盘的转速误差、定位基准信号误差、时间延迟设置精度误差三个方面。在本发明的机械快门装置中，根据电机的实际负载情况调整电机的驱动电压，可以调整电机的转速。当控制电压和负载大小恒定后，电机的实际转速由整个转动结构的惯性维持。如果对快门的各个转动部件进行了仔细的动平衡调整后，电机的转速可以稳定在相当高的水平，对快门时间设置精度的影响可以忽略不计。
本发明的机械快门装置中，定位基准信号来自于光电开关。转盘上的开孔既是入射信号的通光孔，又是光电开关的定位孔。这种结构形式避免了定位基准信号与实际通光信号间的位置误差对快门时间设置精度的影响。当有多个通光孔时，利用光电开关上实际测量的各个脉冲信号的前沿作为快门时间控制的定位基准，即每次都以当前通光孔的前沿定位，可以进一步减消电机的转速抖动误差和不同开孔间位置误差对快门时间设置精度的影响；在本发明中，机械快门装置对实际入射光束的开门时刻相对与定位基准信号的时间延迟由装置上可移动的高速光电二极管配合光电开关实际标定在工作前通过悬臂将高速光电二极管放入光路，用一个口径与待测量脉冲入射光束相同的连续光源通过转盘照射到光电二极管靶面上；将快门开动起来并稳定旋转；随着入射信号光的开关，光电二极管输出相应的高电平-低电平-高电平的周期信号。这个周期信号真实反映了机械快门的开关门信息。将光电二极管的周期信号与光电开关上的周期信号比较，就可以准确测量出机械快门实际开门时间相对于光电开关定位基准信号间的时间延迟。每一次当快门装置重新装调或更换转盘后，都这样重新进行一次标定过程，消除时间延迟设置误差对快门时间设置精度的影响。
最终，本发明的机械快门装置的时间设置精度取决于快门转盘上各开孔间的机械加工误差。在一般常规的加工工艺水平下，0.1毫米的机械加工精度很容易做到。如果采用精密数控机床等先进工艺，可以达到0.01毫米以上的机械加工精度。假如快门转盘上各个开孔间的最大位置误差为ΔL，则快门的最低时间设置精度ΔT＝ΔL/(2πωr)。图4为本发明转盘式机械快门的开关时间设置精度与电机转速ω、转盘有效半径r、转盘上各开孔间的机械加工误差ΔL之间的关系。假如开孔数N＝4个，电机转速ω＝300转/秒，快门频率f＝N×ω＝1200赫兹，快门转盘有效半径r＝60毫米，机械加工误差ΔL＝0.1毫米，则快门的最低时间设置精度ΔT＝0.1/(2π×300×60)＝0.88微秒。如果进一步提高电机的转速，或者加大转盘的直径，快门的时间设置精度还可以进一步提高。
下面结合一个具体实例阐述本发明的机械快门装置上各个参数的设计，例如需要设计一个重复频率1600Hz，开关设置精度＜1微秒的转盘式机械快门装置，开门时间20微秒。快门放置在成像系统的焦点位置附近，成像系统焦距100毫米，视场1度。现有机械加工水平0.1毫米。安装位置处的结构尺寸限制转盘半径≤60毫米。
(1)首先根据需要的精度确定电机转速和转盘有效半径。根据图4，选择电机转速400转/秒，转盘有效半径50毫米，保证开关设置精度＜1微秒；(2)根据需要的快门重复频率确定转盘开孔数目N＝1600/400＝4；
(3)计算快门开孔位置处光束直径造成的过渡时间大小。最大光束直径D＝焦距×视场＝1.74毫米，开关门过渡时间T1＝D/(2πωr)＝1.74/(2π×300×60)＝15.4微秒；(4)根据R≥r+D/2的要求选择转盘半径R＝52毫米；(5)根据开门时间大小确定转盘开孔大小。根据要求，完全开门时间T2＝20微秒，所以转盘开孔部分相对转盘轴心的张角1＝2π(T2+T1)ω＝3.82°。保留一定的动态范围，设计值1＝4°，相应可得转盘遮断部分相对转盘轴心的张角2＝86°；(6)光电开关安装位置与信号光束中心间相对转盘轴心的张角的张角θ由光电开关的实际安装位置决定，这个夹角造成的时间延迟将由可移动光电二极管配合光电开关实际测量。
从以上的分析中可以得出结论，利用本发明提供的转盘式机械快门装置，在现有技术条件下，利用各种市场上易购器件，可以实现上千赫兹的开关重复频率，快门同步时间设置精度可达微秒级。
权利要求
1.高重复频率高精度转盘式机械快门装置，其特征在于将一个轻薄的、有若干轴对称开孔的不透光转盘(1)通过反螺纹的紧定螺母(2)和轴套(3)直接固定在高速电机(4)的轴头上，高速电机(4)和测量转盘转动信息的光电开关(6)固定在电机底座(5)上，同时转盘(1)垂直于光路放置，并将转盘(1)的开孔置于焦点或光束直径最小的位置上，在信号光束穿过转盘(1)的后面位置安装一个高速光电二极管(8)，高速光电二极管(8)安装在一个可以自由放入光路或拿开的悬臂(7)上，通过选择转盘(1)的开孔数目和电机(4)的转速高重复频率；利用光电二极管(8)配合光电开关(6)实际标定快门对入射光信号的开门信息，并控制快门转盘(1)各通光孔间的机械加工误差，达到微秒级的开关时间设置精度。
2.根据权利要求1所述的高重复频率高精度转盘式机械快门装置，其特征在于所述的转盘(1)上通光孔数目乘以电机(4)转速等于重复频率。
3.根据权利要求1所述的高重复频率高精度转盘式机械快门装置，其特征在于所述的转盘(1)只需拆装紧定螺母(2)可以更换不同结构尺寸的转盘。
4.根据权利要求1所述的高重复频率高精度转盘式机械快门装置，其特征在于转盘(1)上的开孔既是入射信号的通光孔，又是光电开关(6)的定位孔。
5.根据权利要求1所述的高重复频率高精度转盘式机械快门装置，其特征在于高速光电二极管(8)在工作前放入光路，实际标定快门对入射信号的开门关门时间延迟信息；在正式工作时移出光路，不影响需要光信号的传输。
6.根据权利要求1所述的高重复频率高精度转盘式机械快门装置，其特征在于当快门装置重新装调或转盘更换后，只需重复一次定标过程即可。
全文摘要
本发明公开了一种对光信号进行高重复频率高精度开关控制的转盘式机械快门装置。将一个轻薄的、有若干开孔的不透光转盘通过紧定螺母和轴套固定在电机的轴头上。一个固定在底座上的光电开关测量转盘的转动信息。在信号光束穿过转盘的后面位置安装一个可以移动的光电二极管探测器。本发明所公开的机械快门装置结构简单容易实现。通过适当选择结构参数，这种转盘式机械快门装置可以同时达到上千赫兹的开关重复频率和微秒级的开关时间设置精度。这种机械快门装置可以用于激光雷达、激光测距、空间激光通讯、自适应光学中的激光人造导星等应用领域。
文档编号G01D5/26GK1570569SQ0314954
公开日2005年1月26日 申请日期2003年7月16日 优先权日2003年7月16日
发明者李新阳, 王春鸿, 鲜浩, 李梅, 李明全, 任绍恒, 周璐春, 王晓云 申请人:中国科学院光电技术研究所