本发明涉及光学成像，尤其涉及一种复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置及其压电驱动方法。
背景技术：
1、目前，多光谱相机在医疗成像、遥感对地观测、航空航天等领域有广泛应用。
2、传统多光谱相机的变焦机构和滤光机构是单独两套光学成像机构，而且一般采用电磁电机或者步进电机作为驱动元件，存在以下问题：
3、（1）变焦机构和滤光机构是单独两套光学成像机构，导致设备体积庞大、结构复杂。
4、（2）采用电磁电机或者步进电机作为驱动元件，易受电磁干扰。
5、（3）无论是步进电机还是电磁电机，它们驱动的光学元件（如滤光片、棱镜）之间的机械传动系统（如齿轮、皮带等）都可能引入误差；这些误差在多次传动后会累积，导致最终成像位置偏离理想位置，降低设备的运动分辨率。
6、（4）多光谱相机一般应用于外太空、星球探索这种具有电磁干扰的复杂外部环境中；受外部环境的干扰，导致传动机构运行不稳定，进而影响成像质量。
7、综上所述，传统多光谱相机存在体积庞大、结构复杂、易受电磁干扰、运动分辨率低以及传动不稳定等问题。
8、同时随着技术的发展，本领域技术人员利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得运动和力矩的超声电机。超声电机具有易小型化和轻量化、响应快、高分辨力、断电自锁、无电磁干扰等突出优势，逐渐成为替代传统电磁电机的优选方案。
9、但是，现有的采用超声电机的光学成像系统主要关注于调整像距功能，如公开号为“cn116107135a”的中国专利申请文献“一种超声电机驱动的厘米级光学成像系统及驱动方法”，其适用于需要调整像距以获得清晰图像的场合，如相机、望远镜等，此类技术不涉及光学变焦功能；或者利用直线运动直接带动镜组来实现变焦，此类镜组体积往往十分庞大，使得这类变焦机构十分笨重和冗余，如佳能相机采用的就是这类变焦机构；同时，此类采用超声电机的光学成像系统的变焦机构依然没有和滤光功能集成，即变焦机构和滤光机构依然是单独两套光学成像机构，导致设备体积庞大、结构复杂。
10、总之，现有的采用超声电机的光学成像系统存在着对光学变焦研究较少、采用的变焦机构通过直线运动驱动镜组使得其过于笨重和冗余，以及变焦机构没有和滤光功能集成导致设备体积庞大、结构复杂的问题。
技术实现思路
1、本发明提出了复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置及压电驱动方法，解决了现有多光谱相机的变焦机构和滤光机构体积庞大、结构复杂、易受电磁干扰、运动分辨率低且传动不稳定的问题。
2、本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其技术方案如下：
3、所述装置包括镜头模组、cmos成像模组、超声电机以及驱动轴；
4、所述驱动轴的一端与超声电机连接；所述驱动轴的另一端与镜头模组连接；所述镜头模组具有旋转轮盘，所述旋转轮盘上均匀分布有多个透光元件；所述多个透光元件具有不同的焦距，或用于透过不同波长的光；
5、所述cmos成像模组设置于镜头模组与超声电机之间；
6、所述超声电机用于根据逆压电效应和摩擦耦合作用，带动驱动轴绕其轴线旋转，进而带动所述旋转轮盘绕驱动轴的轴线旋转，以使任意一个透光元件与cmos成像模组在前后方向上相互对齐；所述任意一个透光元件用于采集图像，并将采集的图像输出至cmos成像模组。
7、进一步的，提供一个优选实施方式，所述多个透光元件为具有不同的焦距的多个镜头，或用于透过不同波长的光的多个滤光片。
8、进一步的，提供一个优选实施方式，所述超声电机包括超声电机定子和2个超声电机动子；
9、所述超声电机定子包括金属基体和2个径向陶瓷；
10、所述金属基体为镂空式结构，且具有1个镂空孔；所述镂空孔由周围均匀分布的多个驱动足合围而成；所述镂空孔用于穿过驱动轴；
11、所述金属基体的前后两面分别对称贴合有1个径向陶瓷；所述径向陶瓷的极化方向均指向金属基体表面；
12、所述2个超声电机动子设置于驱动轴上且分别位于所述金属基体的前后两面；所述2个超声电机动子具有锥形曲面，所述2个锥形曲面的虚拟顶点方向朝向金属基体表面；所述2个锥形曲面分别与所述多个驱动足的自由端接触；
13、所述径向陶瓷用于在激励信号作用下，激励出金属基体的径向变形运动，进而根据摩擦耦合作用带动2个超声电机动子绕驱动轴的轴线旋转，进而带动驱动轴绕其轴线旋转。
14、进一步的，提供一个优选实施方式，所述2个超声电机动子与驱动轴滑动连接；所述超声电机还包括预紧力调节装置；
15、所述预紧力调节装置用于为2个超声电机动子提供沿驱动轴的轴线方向朝向金属基体方向的预紧力；还用于调节其所提供的预紧力的大小，以调节2个锥形曲面与多个驱动足的自由端之间摩擦力的大小。
16、进一步的，提供一个优选实施方式，所述cmos成像模组包括cmos模块和cmos模块调节装置；
17、所述cmos模块调节装置竖直放置，沿其竖直方向滑动连接有所述cmos模块，用于调节cmos模块在竖直方向的位置，以使cmos模块与任意一个透光元件的中心位于同一条水平轴线上；
18、所述cmos模块用于接收所述任意一个透光元件采集的图像。
19、进一步的，提供一个优选实施方式，所述cmos模块调节装置上设置有轴承；
20、所述轴承沿驱动轴的轴线方向设置；所述驱动轴远离超声电机的一端穿过所述轴承的内圈后与镜头模组连接。
21、进一步的，提供一个优选实施方式，所述镜头模组与所述cmos模块调节装置之间设置有距离调节装置；所述距离调节装置包括调整螺母、调整弹簧以及所述驱动轴远离超声电机的一端；
22、所述调整螺母固定设置在镜头模组上；所述驱动轴远离超声电机的一端的轴身表面具有螺纹；所述驱动轴远离超声电机的一端与调整螺母螺纹连接；
23、所述调整弹簧串在镜头模组与轴承之间的驱动轴上；
24、所述调整螺母用于调节镜头模组与cmos模块之间的距离；
25、所述调整弹簧用于在镜头模组与cmos模块调节装置之间提供沿驱动轴轴身向前后方向的支撑力。
26、进一步的，提供一个优选实施方式，所述镜头模组还包括镜头模组底座、多个镜架以及镜头模组端盖；
27、所述镜架与透光元件一一对应；所述镜架的横截面积大于所述透光元件的横截面积；任意一个透光元件的底部与对应镜架的顶部螺纹连接，用于通过改变螺纹连接的深度来改变任意一个透光元件与cmos成像模组之间的距离；
28、所述镜头模组底座上均匀分布有多个安装孔隙；每个安装孔隙嵌入一个镜架；所述镜头模组端盖上均匀分布有多个封挡孔；所述镜头模组端盖固定安装于所述镜头模组底座的平面上，且封挡孔与安装孔隙一一对应设置；每一个封挡孔用于透过对应的透光元件，并将对应的镜架固定在对应的安装孔隙内；
29、所述驱动轴穿过镜头模组底座后与镜头模组端盖的中心连接。
30、本发明还提出了复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置的压电驱动方法，其技术方案如下：
31、所述方法用于驱动上述所述复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置；
32、所述方法包括以下步骤：
33、s1，对2个径向陶瓷16施加相同的激励信号；
34、s2，金属基体17被激励出的径向变形运动；
35、s3，金属基体17的驱动足在所述径向变形运动作用下，通过摩擦力的作用，带动超声电机动子15绕驱动轴18的轴线做旋转运动，进而带动镜头模组旋转，完成不同焦距或滤光功能的调节。
36、进一步的，提供一个优选实施方式，所述步骤s1中，所述激励信号为正弦交流信号或正弦步进脉冲交流信号；
37、当施加的激励信号为正弦交流信号时：
38、所述镜头模组做连续旋转运动，实现不同焦距或滤光功能的连续调节；
39、当施加的激励信号为正弦步进脉冲交流信号时：
40、所述镜头模组做高频高分辨力旋转运动，实现不同焦距或滤光功能的高频高分辨力调节。
41、本发明有以下有益效果：
42、1.本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，通过采用超声电机替代传统电磁电机，所述超声电机的工作频率（即振动频率）大于20khz，使其处于超声状态，其具有无电磁干扰、响应快、高分辨率以及断电自锁等特点。
43、2.本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，仅通过一个镜头模组就集成了光学变焦与滤光功能，实现了光学成像系统的结构紧凑、小型化以及轻量化。
44、3.本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，采用的超声电机通过摩擦效应将定子的微观振动(微米级)转化为动子的宏观运动(毫米级或厘米级，表示肉眼可观察到)，解决了现有光学成像系统体积庞大、光路元件数目多而成本高的问题，避免了复杂和额外的运动传动机构（如标准的齿轮箱、带轮等复杂传动机构）即可实现驱动，避免了运动传动结构的复杂设计，因此具有响应速度快和轻量化的优点；通过超声电机的旋转运动实现了变焦与滤光的复合功能。
45、4.本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，通过采用超声电机替代传统电磁电机，而所述超声电机具有无电磁干扰的优点，解决了传统多光谱相机容易受电磁干扰以及传动不稳定的问题。
46、5.本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，通过采用超声电机替代传统电磁电机，而所述超声电机具有运动分辨率高的优点，所示超声电机工作于超声状态，其工作激励频率大于20khz，解决了传统多光谱相机难以实现高分辨率的问题。
47、6.本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置的压电驱动方法，提供了一种新的压电陶瓷激励方案，仅需使用一组激励信号即可激励出超声电机的径向收缩模态，进而生成驱动足的椭圆轨迹，相比于传统超声电机采用多个相位差不同的信号来分别驱动不同振动模态的方式，控制更加简单、出现故障的概率也相对较低、减少了信号同步和能量损失，不仅简化了控制系统，降低了成本，还提高了系统的可靠性和稳定性。
48、7.本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置的压电驱动方法，通过使用不同的激励方法，既可以实现不同焦距和波长的镜头连续大范围调节（采用正弦交流电压信号实现），也可实现不同焦距和波长的镜头小范围高精度调节（即步进高分辨力调节，采用正弦高频脉冲信号实现），使其在医疗成像、遥感对地观测、航空航天探测等领域有着广阔的应用前景。
49、本发明所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置及压电驱动方法，适用于医疗成像、遥感对地观测、航空航天探测等领域中光学成像。
1.复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其特征在于，所述装置包括镜头模组、cmos成像模组、超声电机以及驱动轴（18）；
2.根据权利要求1所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其特征在于，所述多个透光元件（5）为具有不同的焦距的多个镜头，或用于透过不同波长的光的多个滤光片。
3.根据权利要求1所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其特征在于，所述超声电机包括超声电机定子和2个超声电机动子（15）；
4.根据权利要求3所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其特征在于，所述2个超声电机动子（15）与驱动轴（18）滑动连接；所述超声电机还包括预紧力调节装置；
5.根据权利要求3所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其特征在于，所述cmos成像模组包括cmos模块（9）和cmos模块调节装置；
6.根据权利要求5所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其特征在于，所述cmos模块调节装置上设置有轴承（10）；
7.根据权利要求6所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其特征在于，所述镜头模组与所述cmos模块调节装置之间设置有距离调节装置；所述距离调节装置包括调整螺母（2）、调整弹簧（8）以及所述驱动轴（18）远离超声电机的一端；
8.根据权利要求1所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置，其特征在于，所述镜头模组还包括镜头模组底座（7）、多个镜架（6）以及镜头模组端盖（4）；
9.复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置的压电驱动方法，其特征在于，所述方法用于驱动上述权利要求1至8中任意一项所述复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置；
10.根据权利要求9所述的复合变焦与滤光功能的小型光学成像装置的压电驱动方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述激励信号为正弦交流信号或正弦步进脉冲交流信号；
