基于微小型超声电机的动态光阑控制机构及其驱动方法

本发明涉及光阑控制，尤其涉及基于微小型超声电机的动态光阑控制机构及其驱动方法。

背景技术：

1、随着光学成像技术的飞速发展，对成像质量、动态范围及环境适应性的要求日益提高。动态光阑作为调节光通量、控制景深的重要组件，其控制精度与响应速度直接影响成像效果。

2、传统光阑控制机构多采用电磁电机驱动。然而，电磁电机驱动方式存在易受电磁干扰和响应滞后的弊端，进而导致其在控制精度、响应速度、系统稳定性和可靠性等方面存在局限性，无法满足现代高精度光学成像系统对光阑快速、精准调节的需求；同时，电磁电机驱动方式往往还需要复杂的机械传动部件，导致其还存在体积庞大和结构复杂的弊端，难以满足现代高精度光学成像系统对小型化和轻量化的需求。传统光阑控制机构的上述弊端，限制了光学成像系统的成像质量的进一步提升。

3、近年来，超声电机作为一种新型微特电机，因其独特的优势逐渐受到关注。超声电机利用压电材料的逆压电效应激发高频振动，通过定转子间的摩擦作用驱动转子旋转，无需齿轮或传动带等中间机构，从而实现了直接驱动与高精度定位。相比传统电磁电机，超声电机具有结构紧凑、易于微型化、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰等显著特点，特别适用于需要高精度、高动态响应及高可靠性的光学控制系统中。采用超声电机替代电磁电机，逐渐成为了本领域中的一种新技术发展趋势。

4、综上，现有技术中的动态光阑控制机构往往存在控制精度不足、响应速度滞后、系统复杂度过高等问题，难以满足厘米级甚至更高精度成像的需求。因此，探索新型控制机制以提升光阑调节的精度与效率，成为推动高精度光学成像技术发展的关键所在。

技术实现思路

1、本发明提出了基于微小型超声电机的动态光阑控制机构及其驱动方法，解决了现有动态光阑控制机构所存在的控制精度不足、响应速度滞后、系统复杂度过高，进而无法适应高精度光学成像的需求的问题。

2、本发明所述的基于微小型超声电机的动态光阑控制机构，其技术方案如下：

3、所述控制机构包括：超声电机、驱动轴以及光阑机构；

4、所述驱动轴包括驱动轴本体以及光阑连接件；

5、所述驱动轴本体的一端通过光阑连接件与光阑机构固定连接；

6、所述驱动轴本体的另一端与超声电机连接；所述超声电机用于根据逆压电效应和摩擦耦合作用，带动驱动轴本体绕其轴线旋转，进而调节光阑机构的开启与闭合。

7、进一步的，提供一个优选实施方式，所述超声电机包括：定子、2个转子、2个预紧弹簧以及螺母；

8、所述驱动轴本体的另一端依次穿过一个预紧弹簧、一个转子、定子、另一个转子以及另一个预紧弹簧，其最末端与螺母螺纹连接；

9、2个预紧弹簧均呈压缩状态，用于为同一侧转子提供沿驱动轴本体的轴线朝向定子方向的预紧力，以使2个转子与定子紧密贴合；

10、所述定子用于在激励信号作用下，产生面内弯曲变形运动和径向振动变形运动，进而根据摩擦耦合作用带动2个转子绕驱动轴本体的轴线旋转；

11、所述2个转子用于带动驱动轴本体绕其轴线旋转。

12、进一步的，提供一个优选实施方式，所述转子为锥形圆盘，其轴线方向设有通孔；

13、所述转子的锥形圆盘的外表面，用于与定子紧密贴合；

14、所述转子的通孔，用于穿过驱动轴本体，并与驱动轴本体紧密配合。

15、进一步的，提供一个优选实施方式，所述定子包括压电陶瓷和金属基体；

16、所述压电陶瓷包括弯振陶瓷以及径向陶瓷；

17、所述弯振陶瓷沿着y轴方向对称地布置在金属基体的上下两侧，用于激励定子进行面内弯曲变形运动；

18、所述径向陶瓷沿着x轴方向对称地布置在金属基体的左右两侧，用于激励定子进行径向振动变形运动。

19、进一步的，提供一个优选实施方式，布置在金属基体每一侧的压电陶瓷的数量不小于2个；

20、在金属基体同一侧的2个相邻的弯振陶瓷的极化方向相反；

21、在金属基体两侧正对设置的2个弯振陶瓷的极化方向相同；

22、在金属基体同一侧的径向陶瓷的极化方向相同，且与另一侧的径向陶瓷的极化方向相反。

23、进一步的，提供一个优选实施方式，所述金属基体沿z轴方向设置有镂空结构和驱动环；

24、所述镂空结构用于提高定子的振幅；

25、所述驱动环用于与转子接触，根据摩擦耦合作用将定子的面内弯曲变形运动和径向振动变形运动转化为驱动力，以驱动转子绕驱动轴本体的轴线旋转。

26、进一步的，提供一个优选实施方式，所述驱动环与转子采用线接触方式接触。

27、本发明还提出了光学成像系统，其技术方案如下：

28、所述系统包括定子壳体、成像壳体、成像模块以及上述的动态光阑控制机构；

29、所述定子壳体和成像壳体均为前后两端开口的壳体；

30、所述动态光阑控制机构设置于定子壳体内，且光阑机构位于定子壳体的前端开口位置；

31、所述定子壳体的后端从成像壳体的前端开口插入成像壳体内部；

32、所述成像壳体的后端开口封闭设置有成像模块；

33、所述动态光阑控制机构用于控制输出至成像模块的进光量。

34、本发明还提出了基于微小型超声电机的动态光阑控制机构的驱动方法，其技术方案如下：

35、所述方法用于驱动上述的动态光阑控制机构；

36、所述方法包括以下步骤：

37、对弯振陶瓷和径向陶瓷分别施加具有给定相位差的两路交流电压激励信号；

38、定子被激励出的面内弯曲变形运动和径向振动变形运动，驱动驱动环产生椭圆运动轨迹；驱动环通过摩擦力作用，带动转子绕驱动轴本体的轴线旋转；

39、转子带动驱动轴本体绕其轴线旋转，进而调节光阑机构的开启与闭合。

40、进一步的，提供一个优选实施方式，所述交流电压激励信号为正弦交流信号或正弦步进脉冲交流信号；

41、当施加的激励信号为正弦交流信号时：

42、所述转子做连续平滑旋转运动，实现光阑机构的开启与闭合的连续调节；

43、当施加的激励信号为正弦步进脉冲交流信号时：

44、所述转子做步进式高分辨力旋转运动，实现光阑机构的开启与闭合的步进式高分辨力调节。

45、本发明有以下有益效果：

46、1.本发明所述的基于微小型超声电机的动态光阑控制机构，聚焦于光学仪器与精密控制技术的深度融合，通过利用超声电机的高精度定位、快速响应以及断电自锁等特性，并结合其独特的结构设计，使得所述控制机构能够对光学成像系统中的光阑机构进行高精度的动态调控，进而优化了光学成像系统的质量参数，包括提升了光学成像的清晰度与精度、增强了光学成像系统对光阑机构调节的响应敏捷性，以及提升了整个光学成像系统的运行稳定性。。

47、2.本发明所述的基于微小型超声电机的动态光阑控制机构，其对现有技术改进的精髓在于引入了一种高效能谐振模式下的超声电机，其具有高频振动(超过20khz)，确保了毫秒级的快速反应能力。该超声电机利用先进的摩擦驱动原理，将定子微观层面上的精密振动(微米级)高效转换为转子宏观上的平稳转动(厘米级)，直接驱动光阑实现精细调节。这一独特设计不仅优化了光学成像系统的架构，显著缩减了系统体积，减少了对大量光路元件的依赖，从而降低了整体成本，还省去了复杂的机械传动部件，确保了光学成像系统具备更快的动态响应能力和更为轻量化的优势。。

48、3.本发明所述的基于微小型超声电机的动态光阑控制机构，对现有光阑控制机构所作出的改进，实现了动态光阑的高精度、快速响应控制，对于推动高精度光学成像技术在航空航天拍摄、显微成像分析以及地形精确勘测等高端应用领域的发展具有至关重要的意义，为这些领域提供了强有力的技术支持与性能保障。同时，采用所述动态光阑控制机构的光学成像系统，还可应用于医疗成像和工业控制等领域中。

49、4.本发明所述的基于微小型超声电机的动态光阑控制机构的驱动方法，通过采用不同的激励信号，分别实现了大行程和高分辨力的焦距调节功能。具体地，使用周期性的激励信号来驱动超声电机时，转子输出连续运动，以实现大范围的光学调焦；使用高频步进脉冲信号来驱动超声电机时，转子输出步进高分辨力运动，以满足小范围高分辨力的光学调焦需求。这种灵活多变的激励方法，使得所述光阑控制机构在医疗成像相机、太空相机和工业相机等领域都具有广泛的应用前景。

50、本发明所述的基于微小型超声电机的动态光阑控制机构及其驱动方法，适用于对航空航天拍摄、显微成像、地形精确勘测、医疗成像和工业控制等领域中的相机的光阑进行控制。