CN101609192A

CN101609192A - 用于共轴三反光学系统相机的碳纤维复合材料镜筒

Info

Publication number: CN101609192A
Application number: CNA2009100234060A
Authority: CN
Inventors: 解永杰; 张禹康; 李英才; 陈荣利; 胡永明; 吴萌源
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2009-12-23

Abstract

本发明涉及一种用于共轴三反光学系统相机的碳纤维复合材料镜筒，镜筒的一端负载次镜系统，其另一端负载主镜系统，镜筒由层压板铺设而成，层压板由碳纤维复合材料单层板按照以下的铺层总数、铺设角、铺层顺序铺设而成：铺层总数22，或铺层总数24，或铺层总数26。本发明解决了现有主次镜连接结构无法保证光学系统的传递函数的技术问题。本发明采用高模量的M40J/648碳纤维复合单层板制成的镜筒，具有铺层设计合理，工艺相对简单，保证了主次镜间的精度要求，从而保证了高分辨率光学系统的性能要求的优点。

Description

用于共轴三反光学系统相机的碳纤维复合材料镜筒

技术领域

本发明涉及一种相机主次镜连接结构。

背景技术

在可见光长焦距的共轴三反系统中，相机分辨率指标达到米级和亚米级的水平，主次镜的放大倍数往往是数十倍，这样主次镜间微小的误差都可能被放大超出系统装配后的精度要求，从而影响整个系统的MTF(传递函数)，这就对相机主次镜连接结构的设计提出了很高的要求。

共轴三反光学系统相机主次镜的放大率为40倍，主次镜间的光轴偏心和倾斜公差(装配公差)以及三个反射镜的非球面系数误差要求非常高，从而对主次镜连接件提出了很高的要求。

主次镜对装配倾斜公差要求最为敏感。在实际的相机结构中，次镜的光轴通过次镜和次镜座的对心加工实现转化，主镜的光轴通过主镜和主镜座的对心加工实现转化，所以主次镜连接结构应保证在左端负载次镜系统，右端负载主镜系统的情况下，端面最大挠度2μm。同时从热光学的角度考虑，必须保证主次镜间隔的公差为0.01mm。通过公差分析可以看出：设计出保证主次镜间距变化量为0.01mm，主次镜光轴偏心量小于0.002mm的镜筒是保证光学系统MTF的关键之一。

发明内容

本发明目的是提供一种用于共轴三反光学系统相机的碳纤维复合材料镜筒，其解决了现有主次镜连接结构无法保证光学系统的传递函数的技术问题。

本发明的技术解决方案：

一种用于共轴三反光学系统相机的碳纤维复合材料镜筒，所述镜筒的一端负载次镜系统，其另一端负载主镜系统，其特殊之处在于：所述镜筒由层压板铺设而成，所述层压板由碳纤维复合材料单层板按照以下的铺层总数、铺设角、铺层顺序铺设而成：

铺层总数22，铺设角及铺层顺序[±45/0/±45/0/±45/0/+45/90]_S

或铺层总数24，铺设角及铺层顺序[±45/0/±45/0/±45/0/±45/90]_S

或铺层总数26，铺设角及铺层顺序[±45/0/±45/0/±45/0/+45/0/-45/90]_S。

上述层合板为M40J/648碳纤维复合单层板构成。

本发明优点：本发明采用高模量的M40J/648碳纤维复合单层板制成的镜筒，铺层设计合理，工艺相对简单，保证了主次镜间的精度要求，从而保证了高分辨率光学系统的性能要求。

附图说明

图1为本发明镜筒结构示意图；其中：1-次镜系统，2-镜筒，3-固定支点，4-主镜系统；

图2为本发明层压板铺层原理示意图。

具体实施方式

对于可见光共轴三反系统，镜筒的设计偏向于较高的一阶频率设计(大于200Hz)，所以设计采用碳纤维复合材料的筒式结构。

共轴三反光学系统相机结构中，次镜系统1安装于镜筒2的左端，主镜系统4安装于镜筒2的右端，镜筒2上设置有固定支点3。主次镜部件的安装结构示意图如图1。

碳纤维复合材料镜筒是由单层板按照不同的角度铺设而成的层压板，单层板厚度很薄，固化后厚度为0.125mm，呈面内正交各向异性的特性。碳纤维复合材料镜筒的设计，就是通过选择单层铺设角、铺层比、铺层顺序获得所要求达到的层合板刚度参数。

层压板由多层单层板组成，其典型的结构如图2所示，层压板的物理方程可表示为：

\{\begin{matrix} N^{*} \\ M^{*} \end{matrix}\} = [\begin{matrix} A^{*} & B^{*} \\ B^{*} & D^{*} \end{matrix}] \{\begin{matrix} ϵ^{0} \\ γ \end{matrix}\}

其中：

N^*为层压板外力矩阵，M^*为层压板弯矩矩阵，

\{\begin{matrix} ϵ^{0} \\ γ \end{matrix}\}

为应变矩阵，[A^*]为层压板拉伸刚度矩阵，[B^*]为层压板耦合刚度矩阵，[D^*]为层压板弯扭刚度矩阵。

碳纤维层压板的设计采用刚度为设计目标的方法，就是得出构成层压板的单层板的铺层角度、层数和铺层顺序，使得矩阵中[A^*]-层压板拉伸刚度矩阵，[B^*]-层压板耦合刚度矩阵，[D^*]-层压板弯扭刚度矩阵，数值均大于设计要求的20Gpa。

在铺层设计时，为了保证工艺的成熟性并简化设计，采用对称型的铺层方式，消除耦合刚度。上述[B^*]＝0，[A^*]与铺层设计无关，[D^*]与具体的铺层顺序有关。所以，层压板刚度设计一般从[A^*]矩阵开始，通过调参(铺层顺序、移轴等)来得到[D^*]矩阵系数。其计算公式如下：

A_{ij}^{*} = Σ_{1}^{n} {({\overset{&OverBar;}{Q}}_{ij})}_{k} h_{k} \cdot 1

B_{ij}^{*} = 0

(对称铺层)

D_{ij}^{*} = Σ_{1}^{n} {({\overset{&OverBar;}{Q}}_{ij})}_{k} (\frac{{h_{k}}^{3}}{12} + {\overset{&OverBar;}{Z}}_{k}^{2} \cdot h_{k} \cdot 1)

其中：

(Q_ij)_k为第k层的偏轴刚度；

h_k·1为第k层的面积；

为第k层对中面的惯性矩。

单层板选择高模量的M40J/648，其单层板的性能如表1，单层板的厚度和光学口径决定了铺层的总数为22、24或26层。

设计的铺层结果相应为：

[±45/0/±45/0/±45/0/+45/90]_S；

[±45/0/±45/0/±45/0/±45/90]_S；

[±45/0/±45/0/±45/0/+45/0/-45/90]_S。

表1 M40J/648单层板的性能参数

0°拉伸模量	E_1t(GPa)	211
0°拉伸模量	E_1t(GPa)	211	90°拉伸模量	E_2t(GPa)	7.73
纵横剪切模量	G₁₂(GPa)	4.78	90°拉伸模量	E_2t(GPa)	7.73
纵横剪切模量	G₁₂(GPa)	4.78	泊松比	ν₁₂	0.3
密度	ρ(g/cm³)	1.63	泊松比	ν₁₂	0.3
密度	ρ(g/cm³)	1.63	单层厚度	δ(mm)	0.125
0°方向热膨胀系数	α⁰(10^-6/℃)	-0.35	单层厚度	δ(mm)	0.125
0°方向热膨胀系数	α⁰(10^-6/℃)	-0.35	90°方向热膨胀系数	α⁹⁰(10^-6/℃)	29.9

Claims

1、一种用于共轴三反光学系统相机的碳纤维复合材料镜筒，所述镜筒的一端负载次镜系统，其另一端负载主镜系统，其特征在于：所述镜筒由层压板铺设而成，所述层压板由碳纤维复合材料单层板按照以下的铺层总数、铺设角、铺层顺序铺设而成：

铺层总数22，铺设角及铺层顺序[±45/0/±45/0/±45/0/+45/90]_S

或铺层总数24，铺设角及铺层顺序[±45/0/±45/0/±45/0/±45/90]_S

2、根据权利要求1所述的用于共轴三反光学系统相机的碳纤维复合材料镜筒，其特征在于：所述层合板为M40J/648碳纤维复合单层板构成。