基于热电器件双向控温技术的可调精度空间相机调焦机构的制作方法

本发明涉及一种空间相机热调焦机构，具体涉及一种基于热电器件双向控温技术的可调精度空间相机调焦机构。

背景技术：

随着空间技术的发展,空间光学相机在军事和民用领域得到了广泛应用。为获得高清晰度的图像，高性能空间相机或空间望远镜需要通过调整次镜、校正镜或者探测器位置，以补偿由于相机各部件尺寸失调造成的成像质量下降，获得最佳成像质量。

调焦机构需要依据调焦范围、调焦精度、调焦时间等进行针对性和适应性设计，同时应具备良好的空间环境适应性及高可靠性。当前空间光学相机大都采用机械式调焦机构,其原理为依靠电机和传动机构实现位移从而实现相机系统调焦。这类调焦机构往往传动机构复杂、加工装配要求高难度大，存在大量运动部件，不利于长寿命高可靠应用，同时还存在调焦范围受限及调焦精度单一的问题。

技术实现要素：

为了解决传统的机械式调焦机构结构复杂、可靠性差、调节范围和调焦精度单一等技术问题，本发明提供一种基于热电器件双向控温技术的大范围可调精度空间相机调焦机构。

本发明的技术解决方案是：一种基于热电器件双向闭环控温技术的高可靠性大动态范围可调精度空间相机调焦机构，其特殊之处在于：包括位移机构、热电制冷器和反馈控制系统；

所述位移机构包括固定端和移动端，所述移动端连接需要调焦的光学元件；所述位移机构可在温度变化下产生伸缩变形；

所述热电制冷器包括两个控温端面，其中一个控温端面与位移机构相连，另一个控温端面连接一个辐射板；

所述反馈控制系统包括控制电路、位移传感器和温度传感器；所述位移传感器用于检测所述光学元件的位移信息；所述温度传感器用于检测所述位移机构的温度信息；所述控制电路根据所述位移信息和温度信息控制热电制冷器的输入电流。

上述位移机构的移动端通过位移缩放机构与所述光学元件相连。

上述位移缩放机构包括一个传动导轨；传动导轨的两端分别安装可自由滑动的一号滑块和二号滑块；所述位移机构的移动端与一号滑块铰接，所述光学元件与二号滑块铰接；所述传动导轨中间设置有固定点，传动导轨绕固定点转动。

上述位移缩放机构包括一个两端可自由伸缩的传动杆；所述传动杆一端与位移机构的移动端铰接，传动杆的另一端与所述光学元件铰接；所述传动杆中间设置有固定点，传动杆绕固定点转动。

上述固定点在传动杆上的位置可调，从而调节位移缩放比例，进而调节位移分辨率和调焦精度。

上述辐射板由多个可折叠的面板构成。从而可增大TEC热电器件的温度控制范围，从而可以实现较大的位移控制范围，进而实现较大的调焦范围。

上述热电制冷器为多个，每个热电制冷器的控温端面在位移机构上均匀设置，提高温度控制效率。

上述温度传感器为多个，均布于位移机构上，以便更加准确地检测位移机构上各部位的温度信息。

还包括包裹于外侧的隔热层。可以防止温度变化对光学系统或者CCD/CMOS接收器等元件的性能产生影响。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用基于高可靠性的热电制冷器(TEC，Thermo-electric cooler)器件和结构比较简单的位移缩放机构，利用热电制冷器可实现加热和制冷双向闭环温度控制的特性，结合位移缩放机构，能够实现以同一套机构满足不同范围和不同精度的位移调整，从而以一套调焦机构实现对不同范围多种精度的调焦需求。由于减少了传统机械式调焦机构中的电机、蜗轮蜗杆、移动平台等复杂部件，因此提高了系统的可靠性，由于热电制冷器可实现较大的温度范围控制，并结合位移缩放机构可实现大范围多种精度的位移调节，提高了系统的动态调节范围，并实现了多种调焦精度的控制需求。

(2)本发明利用TEC闭环控温系统，实现初级位移的精密控制和调节；然后通过位移缩放机构实现二级位移的精密控制和调节。从而实现装配制造简单、高可靠性、高精度、大范围多种精度调节的调焦需求。

附图说明

图1为本发明实施例一结构示意图；

图2为本发明实施例二结构示意图；

图3为本发明实施例三结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于TEC器件的位移调整机构，主要解决了常规调焦机构运动部件众多、系统复杂、加工装配难度大、低可靠性、机构设计复杂及灵活性较差、调焦范围和调焦精度单一等问题。由于不需要复杂的机械调焦运动部件，可以大幅度降低生产、加工和装配的难度，可靠性高。下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一

参见图1，本实施例的调焦机构主要包括位移机构1、热电制冷器2和反馈控制系统3；位移机构1包括固定端11和移动端12，移动端12连接需要调焦的光学元件4；当位移机构1在温度变化下产生伸缩变形时，移动端12便带动光学元件4水平伸缩，进而达到调焦的目的。其中，位移机构可以选用热膨胀系数大的固体材料制成，例如铝、铜、铁等金属材料或者碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯等非金属材料。位移机构的形状可以是杆状或者管状。

热电制冷器2包括两个控温端面，其中一个控温端面与位移机构1相连(粘接或者通过其他导热材料连接)，另一个控温端面连接一个辐射板5。热电制冷器可以是一个或者多个。当热电制冷器为多个时，每个热电制冷器的控温端面在位移机构上均匀设置，提高温度控制效率。

反馈控制系统3包括控制电路31、位移传感器32和温度传感器33；位移传感器32用于检测光学元件4的位移信息；温度传感器33用于检测位移机构1的温度信息。温度传感器可以是一个或者多个，均布于位移机构上，以便更加准确地检测位移机构上各部位的温度信息。控制电路31根据接收到的位移信息和温度信息控制热电制冷器2的输入电流，可以采用现有的反馈控制电路。

调焦机构的外侧包裹有隔热层6，隔热层由多层隔热材料或者泡沫隔热材料构成，可以防止温度变化对光学系统或者CCD/CMOS接收器等元件的性能产生影响。

辐射板5由多个可折叠的面板构成，可以根据需要对其进行不同程度的折叠或者展开，调整其吸热/散热面积，控制吸热/散热速率。

在具体的工作过程中，热电制冷器2在通入电流后，可从位移机构1吸热或者向其放热。位移机构1受热便膨胀伸长，受冷则收缩变短。通过改变输入电流的方向可以使热电制冷器的控温端面吸热或者放热，改变输入电流的大小则可以调整控温端面的吸热或放热功率。因此可以根据需要对光学元件4的移动方向和移动幅度进行自由调控，灵活方便且可靠性高。

实施例二

参见图2，在实施例一的基础上，本实施例增加了位移缩放机构，位移机构的移动端通过位移缩放机构7与光学元件4相连。

位移缩放机构7包括一个传动导轨71；传动导轨71的两端分别安装可自由滑动的一号滑块72和二号滑块73；位移机构的移动端12与一号滑块72铰接，光学元件4与二号滑块73铰接；传动导轨71中间设置有固定点74，传动导轨绕固定点74转动。当移动端12在热电制冷器2的作用下伸长或缩短时，带动一号滑块72产生水平位移，此时传动杆71绕固定点76转动，使一号滑块72和二号滑块73在传动导轨71上滑动，进而带动光学元件4产生水平位移，达到调焦目的。传动杆71上可以设置多个缩放档位，通过将固定点74设置在不同的缩放档位上便可以得到不同比例的缩放系数，进而可以实现不同调焦精度的调节和控制。

实施例三

参见图3，本实施例与实施例二的不同之处在于，位移缩放机构8由一个两端可自由伸缩的传动杆81构成；传动杆81一端与位移机构的移动端12铰接，传动杆81的另一端与光学元件4铰接；传动杆81中间设置固定点82，传动杆81绕固定点82转动。移动端12的水平移动可以使传动杆81转动，同时带动光学元件4。传动杆81两端均为伸缩结构83(类似自拍杆、雨伞等可自由伸缩变化长短的装置)，因此可以保持移动端12和光学元件4的水平运动。