本發(fā)明涉及光學(xué)成像，尤其涉及一種復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置及其壓電驅(qū)動(dòng)方法。

背景技術(shù)：

1、目前，多光譜相機(jī)在醫(yī)療成像、遙感對(duì)地觀測(cè)、航空航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

2、傳統(tǒng)多光譜相機(jī)的變焦機(jī)構(gòu)和濾光機(jī)構(gòu)是單獨(dú)兩套光學(xué)成像機(jī)構(gòu)，而且一般采用電磁電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，存在以下問題：

3、（1）變焦機(jī)構(gòu)和濾光機(jī)構(gòu)是單獨(dú)兩套光學(xué)成像機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

4、（2）采用電磁電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，易受電磁干擾。

5、（3）無論是步進(jìn)電機(jī)還是電磁電機(jī)，它們驅(qū)動(dòng)的光學(xué)元件（如濾光片、棱鏡）之間的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)（如齒輪、皮帶等）都可能引入誤差；這些誤差在多次傳動(dòng)后會(huì)累積，導(dǎo)致最終成像位置偏離理想位置，降低設(shè)備的運(yùn)動(dòng)分辨率。

6、（4）多光譜相機(jī)一般應(yīng)用于外太空、星球探索這種具有電磁干擾的復(fù)雜外部環(huán)境中；受外部環(huán)境的干擾，導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行不穩(wěn)定，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。

7、綜上所述，傳統(tǒng)多光譜相機(jī)存在體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易受電磁干擾、運(yùn)動(dòng)分辨率低以及傳動(dòng)不穩(wěn)定等問題。

8、同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來獲得運(yùn)動(dòng)和力矩的超聲電機(jī)。超聲電機(jī)具有易小型化和輕量化、響應(yīng)快、高分辨力、斷電自鎖、無電磁干擾等突出優(yōu)勢(shì)，逐漸成為替代傳統(tǒng)電磁電機(jī)的優(yōu)選方案。

9、但是，現(xiàn)有的采用超聲電機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)主要關(guān)注于調(diào)整像距功能，如公開號(hào)為“cn116107135a”的中國專利申請(qǐng)文獻(xiàn)“一種超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的厘米級(jí)光學(xué)成像系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)方法”，其適用于需要調(diào)整像距以獲得清晰圖像的場(chǎng)合，如相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等，此類技術(shù)不涉及光學(xué)變焦功能；或者利用直線運(yùn)動(dòng)直接帶動(dòng)鏡組來實(shí)現(xiàn)變焦，此類鏡組體積往往十分龐大，使得這類變焦機(jī)構(gòu)十分笨重和冗余，如佳能相機(jī)采用的就是這類變焦機(jī)構(gòu)；同時(shí)，此類采用超聲電機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)的變焦機(jī)構(gòu)依然沒有和濾光功能集成，即變焦機(jī)構(gòu)和濾光機(jī)構(gòu)依然是單獨(dú)兩套光學(xué)成像機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

10、總之，現(xiàn)有的采用超聲電機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)存在著對(duì)光學(xué)變焦研究較少、采用的變焦機(jī)構(gòu)通過直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)鏡組使得其過于笨重和冗余，以及變焦機(jī)構(gòu)沒有和濾光功能集成導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置及壓電驅(qū)動(dòng)方法，解決了現(xiàn)有多光譜相機(jī)的變焦機(jī)構(gòu)和濾光機(jī)構(gòu)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易受電磁干擾、運(yùn)動(dòng)分辨率低且傳動(dòng)不穩(wěn)定的問題。

2、本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置，其技術(shù)方案如下：

3、所述裝置包括鏡頭模組、cmos成像模組、超聲電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)軸；

4、所述驅(qū)動(dòng)軸的一端與超聲電機(jī)連接；所述驅(qū)動(dòng)軸的另一端與鏡頭模組連接；所述鏡頭模組具有旋轉(zhuǎn)輪盤，所述旋轉(zhuǎn)輪盤上均勻分布有多個(gè)透光元件；所述多個(gè)透光元件具有不同的焦距，或用于透過不同波長(zhǎng)的光；

5、所述cmos成像模組設(shè)置于鏡頭模組與超聲電機(jī)之間；

6、所述超聲電機(jī)用于根據(jù)逆壓電效應(yīng)和摩擦耦合作用，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸繞其軸線旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)輪盤繞驅(qū)動(dòng)軸的軸線旋轉(zhuǎn)，以使任意一個(gè)透光元件與cmos成像模組在前后方向上相互對(duì)齊；所述任意一個(gè)透光元件用于采集圖像，并將采集的圖像輸出至cmos成像模組。

7、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述多個(gè)透光元件為具有不同的焦距的多個(gè)鏡頭，或用于透過不同波長(zhǎng)的光的多個(gè)濾光片。

8、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述超聲電機(jī)包括超聲電機(jī)定子和2個(gè)超聲電機(jī)動(dòng)子；

9、所述超聲電機(jī)定子包括金屬基體和2個(gè)徑向陶瓷；

10、所述金屬基體為鏤空式結(jié)構(gòu)，且具有1個(gè)鏤空孔；所述鏤空孔由周圍均勻分布的多個(gè)驅(qū)動(dòng)足合圍而成；所述鏤空孔用于穿過驅(qū)動(dòng)軸；

11、所述金屬基體的前后兩面分別對(duì)稱貼合有1個(gè)徑向陶瓷；所述徑向陶瓷的極化方向均指向金屬基體表面；

12、所述2個(gè)超聲電機(jī)動(dòng)子設(shè)置于驅(qū)動(dòng)軸上且分別位于所述金屬基體的前后兩面；所述2個(gè)超聲電機(jī)動(dòng)子具有錐形曲面，所述2個(gè)錐形曲面的虛擬頂點(diǎn)方向朝向金屬基體表面；所述2個(gè)錐形曲面分別與所述多個(gè)驅(qū)動(dòng)足的自由端接觸；

13、所述徑向陶瓷用于在激勵(lì)信號(hào)作用下，激勵(lì)出金屬基體的徑向變形運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而根據(jù)摩擦耦合作用帶動(dòng)2個(gè)超聲電機(jī)動(dòng)子繞驅(qū)動(dòng)軸的軸線旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸繞其軸線旋轉(zhuǎn)。

14、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述2個(gè)超聲電機(jī)動(dòng)子與驅(qū)動(dòng)軸滑動(dòng)連接；所述超聲電機(jī)還包括預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置；

15、所述預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置用于為2個(gè)超聲電機(jī)動(dòng)子提供沿驅(qū)動(dòng)軸的軸線方向朝向金屬基體方向的預(yù)緊力；還用于調(diào)節(jié)其所提供的預(yù)緊力的大小，以調(diào)節(jié)2個(gè)錐形曲面與多個(gè)驅(qū)動(dòng)足的自由端之間摩擦力的大小。

16、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述cmos成像模組包括cmos模塊和cmos模塊調(diào)節(jié)裝置；

17、所述cmos模塊調(diào)節(jié)裝置豎直放置，沿其豎直方向滑動(dòng)連接有所述cmos模塊，用于調(diào)節(jié)cmos模塊在豎直方向的位置，以使cmos模塊與任意一個(gè)透光元件的中心位于同一條水平軸線上；

18、所述cmos模塊用于接收所述任意一個(gè)透光元件采集的圖像。

19、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述cmos模塊調(diào)節(jié)裝置上設(shè)置有軸承；

20、所述軸承沿驅(qū)動(dòng)軸的軸線方向設(shè)置；所述驅(qū)動(dòng)軸遠(yuǎn)離超聲電機(jī)的一端穿過所述軸承的內(nèi)圈后與鏡頭模組連接。

21、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述鏡頭模組與所述cmos模塊調(diào)節(jié)裝置之間設(shè)置有距離調(diào)節(jié)裝置；所述距離調(diào)節(jié)裝置包括調(diào)整螺母、調(diào)整彈簧以及所述驅(qū)動(dòng)軸遠(yuǎn)離超聲電機(jī)的一端；

22、所述調(diào)整螺母固定設(shè)置在鏡頭模組上；所述驅(qū)動(dòng)軸遠(yuǎn)離超聲電機(jī)的一端的軸身表面具有螺紋；所述驅(qū)動(dòng)軸遠(yuǎn)離超聲電機(jī)的一端與調(diào)整螺母螺紋連接；

23、所述調(diào)整彈簧串在鏡頭模組與軸承之間的驅(qū)動(dòng)軸上；

24、所述調(diào)整螺母用于調(diào)節(jié)鏡頭模組與cmos模塊之間的距離；

25、所述調(diào)整彈簧用于在鏡頭模組與cmos模塊調(diào)節(jié)裝置之間提供沿驅(qū)動(dòng)軸軸身向前后方向的支撐力。

26、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述鏡頭模組還包括鏡頭模組底座、多個(gè)鏡架以及鏡頭模組端蓋；

27、所述鏡架與透光元件一一對(duì)應(yīng)；所述鏡架的橫截面積大于所述透光元件的橫截面積；任意一個(gè)透光元件的底部與對(duì)應(yīng)鏡架的頂部螺紋連接，用于通過改變螺紋連接的深度來改變?nèi)我庖粋€(gè)透光元件與cmos成像模組之間的距離；

28、所述鏡頭模組底座上均勻分布有多個(gè)安裝孔隙；每個(gè)安裝孔隙嵌入一個(gè)鏡架；所述鏡頭模組端蓋上均勻分布有多個(gè)封擋孔；所述鏡頭模組端蓋固定安裝于所述鏡頭模組底座的平面上，且封擋孔與安裝孔隙一一對(duì)應(yīng)設(shè)置；每一個(gè)封擋孔用于透過對(duì)應(yīng)的透光元件，并將對(duì)應(yīng)的鏡架固定在對(duì)應(yīng)的安裝孔隙內(nèi)；

29、所述驅(qū)動(dòng)軸穿過鏡頭模組底座后與鏡頭模組端蓋的中心連接。

30、本發(fā)明還提出了復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置的壓電驅(qū)動(dòng)方法，其技術(shù)方案如下：

31、所述方法用于驅(qū)動(dòng)上述所述復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置；

32、所述方法包括以下步驟：

33、s1，對(duì)2個(gè)徑向陶瓷16施加相同的激勵(lì)信號(hào)；

34、s2，金屬基體17被激勵(lì)出的徑向變形運(yùn)動(dòng)；

35、s3，金屬基體17的驅(qū)動(dòng)足在所述徑向變形運(yùn)動(dòng)作用下，通過摩擦力的作用，帶動(dòng)超聲電機(jī)動(dòng)子15繞驅(qū)動(dòng)軸18的軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)鏡頭模組旋轉(zhuǎn)，完成不同焦距或?yàn)V光功能的調(diào)節(jié)。

36、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟s1中，所述激勵(lì)信號(hào)為正弦交流信號(hào)或正弦步進(jìn)脈沖交流信號(hào)；

37、當(dāng)施加的激勵(lì)信號(hào)為正弦交流信號(hào)時(shí)：

38、所述鏡頭模組做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同焦距或?yàn)V光功能的連續(xù)調(diào)節(jié)；

39、當(dāng)施加的激勵(lì)信號(hào)為正弦步進(jìn)脈沖交流信號(hào)時(shí)：

40、所述鏡頭模組做高頻高分辨力旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同焦距或?yàn)V光功能的高頻高分辨力調(diào)節(jié)。

41、本發(fā)明有以下有益效果：

42、1.本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置，通過采用超聲電機(jī)替代傳統(tǒng)電磁電機(jī)，所述超聲電機(jī)的工作頻率（即振動(dòng)頻率）大于20khz，使其處于超聲狀態(tài)，其具有無電磁干擾、響應(yīng)快、高分辨率以及斷電自鎖等特點(diǎn)。

43、2.本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置，僅通過一個(gè)鏡頭模組就集成了光學(xué)變焦與濾光功能，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊、小型化以及輕量化。

44、3.本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置，采用的超聲電機(jī)通過摩擦效應(yīng)將定子的微觀振動(dòng)(微米級(jí))轉(zhuǎn)化為動(dòng)子的宏觀運(yùn)動(dòng)(毫米級(jí)或厘米級(jí)，表示肉眼可觀察到)，解決了現(xiàn)有光學(xué)成像系統(tǒng)體積龐大、光路元件數(shù)目多而成本高的問題，避免了復(fù)雜和額外的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如標(biāo)準(zhǔn)的齒輪箱、帶輪等復(fù)雜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，避免了運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，因此具有響應(yīng)速度快和輕量化的優(yōu)點(diǎn)；通過超聲電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了變焦與濾光的復(fù)合功能。

45、4.本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置，通過采用超聲電機(jī)替代傳統(tǒng)電磁電機(jī)，而所述超聲電機(jī)具有無電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)多光譜相機(jī)容易受電磁干擾以及傳動(dòng)不穩(wěn)定的問題。

46、5.本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置，通過采用超聲電機(jī)替代傳統(tǒng)電磁電機(jī)，而所述超聲電機(jī)具有運(yùn)動(dòng)分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，所示超聲電機(jī)工作于超聲狀態(tài)，其工作激勵(lì)頻率大于20khz，解決了傳統(tǒng)多光譜相機(jī)難以實(shí)現(xiàn)高分辨率的問題。

47、6.本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置的壓電驅(qū)動(dòng)方法，提供了一種新的壓電陶瓷激勵(lì)方案，僅需使用一組激勵(lì)信號(hào)即可激勵(lì)出超聲電機(jī)的徑向收縮模態(tài)，進(jìn)而生成驅(qū)動(dòng)足的橢圓軌跡，相比于傳統(tǒng)超聲電機(jī)采用多個(gè)相位差不同的信號(hào)來分別驅(qū)動(dòng)不同振動(dòng)模態(tài)的方式，控制更加簡(jiǎn)單、出現(xiàn)故障的概率也相對(duì)較低、減少了信號(hào)同步和能量損失，不僅簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，降低了成本，還提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

48、7.本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置的壓電驅(qū)動(dòng)方法，通過使用不同的激勵(lì)方法，既可以實(shí)現(xiàn)不同焦距和波長(zhǎng)的鏡頭連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)（采用正弦交流電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)），也可實(shí)現(xiàn)不同焦距和波長(zhǎng)的鏡頭小范圍高精度調(diào)節(jié)（即步進(jìn)高分辨力調(diào)節(jié)，采用正弦高頻脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)），使其在醫(yī)療成像、遙感對(duì)地觀測(cè)、航空航天探測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

49、本發(fā)明所述的復(fù)合變焦與濾光功能的小型光學(xué)成像裝置及壓電驅(qū)動(dòng)方法，適用于醫(yī)療成像、遙感對(duì)地觀測(cè)、航空航天探測(cè)等領(lǐng)域中光學(xué)成像。