CN102012550A - 一种光学仪器的被动消热机构 - Google Patents

Abstract

一种光学仪器的被动消热机构属于精密光机系统设计领域，该机构用于精密控制共轴的第一光学元件和第二光学元件之间的间隔，其包括压圈、橡胶垫、第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈，第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈依次置于两个光学元件之间，第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈的中心线与两个光学元件的光轴重合，橡胶垫位于压圈和第一光学元件之间，压圈依次压紧橡胶垫、第一光学元件、第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈和第二光学元件。本发明的有益效果是：结构简单且可控设计变量多，能够满足光学仪器中两个光学元件在较宽的温度范围内较高的位置控制精度要求。

Description

一种光学仪器的被动消热机构

技术领域

本发明属于精密光机系统设计领域，涉及一种光学仪器的被动消热机构，用于精密控制两光学元件间的间隔。

背景技术

光学仪器的光机系统设计是一个将多种学科技术紧密集成在一起的过程，光机工程师的首要任务就是将光学系统中的所有光学元件固定在各自合适的位置，并在要求的温度、压力、振动等环境条件下保持一定的位置精度，使光学系统能够正常的工作。

光学仪器工作的环境温度很少能保持于实验室这样可控的环境中，特别是对于航空、航天光学仪器，温度条件就更恶劣了。为了保证环境温度变化时，光学仪器仍然能正常地工作，就必须通过消热化设计保证各光学元件在不同温度下的位置精度和面型精度保持在允许范围内。

消热化设计有主动消热化设计和被动消热化设计两种方法。主动消热化设计指当温度变化时，利用某种机械装置来调整光学元件的位置，实现光学元件位置的精密控制，当前光学仪器常用的调焦机构就是这种主动消热化设计的典型机构；被动消热化设计指利用对温度变化有响应的机械结构自动完成光学元件位置的改变，以满足各自的位置精度要求。被动消热化设计由于结构简单、无能量消耗、可靠性高、灵敏度高等优点，被广泛用于各种光学仪器的光机结构设计中，以降低光学仪器的温度敏感性，提高光学仪器的环境适应性。

如图1所示，由机械工业出版社2008年出版的Paul R.Yoder，Jr编著的《光机系统设计》公开一种消热机构，该机构包括透镜组件1、镜座2、镜筒3和补偿器4。透镜组件1安装在镜座2中，镜座2安装在镜筒3的一侧，补偿器4安装在镜筒3的另一侧，通过合理设计镜座3和补偿器4的长度和材料，利用镜筒3和补偿器4的热膨胀系数差实现焦距f的精密控制。这种基于差动原理的间隔控制方法就是一种被动消热化设计，具有无能量消耗、可靠性高、灵敏度高等优点，已被广泛应用于精密光学仪器的设计中；但这种设计的最大缺点是结构复杂，在多个透镜间隔需要控制时，整个结构将变成多层嵌套的复杂结构，这在重量、刚度等方面都遇到较大的挑战，不能满足光学仪器小型化、轻量化的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学仪器的被动消热机构，满足光学仪器中两个光学元件在较宽的温度范围内保持较高位置精度的要求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种光学仪器的被动消热机构，用于精密控制共轴的第一光学元件和第二光学元件之间的间隔，该机构包括压圈、橡胶垫、第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈，第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈依次置于两个光学元件之间，第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈的中心线与两个光学元件的光轴重合，橡胶垫位于压圈和第一光学元件之间，压圈依次压紧橡胶垫、第一光学元件、第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈和第二光学元件。

上述第一隔圈和第三隔圈由热膨胀系数相同的材料制成，第二隔圈与第一隔圈材料的热膨胀系数不相同。

本发明的工作原理是：当温度升高时，第一隔圈、橡胶垫、第一光学元件、第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈、第二光学元件、光学元件座都要产生热膨胀，若第二隔圈的热膨胀系数大于第一隔圈、第三隔圈，则第二隔圈径向膨胀大于第一隔圈、第三隔圈，在第二隔圈与第一隔圈、第三隔圈接触的斜面上将产生间隙δ；在压圈、橡胶垫回弹力的作用下，第一光学元件将推动第一隔圈使第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈靠紧。此时，由第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈控制的透镜安装基面间的间隔将由l缩短为l′；同理，如果需要第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈控制的透镜安装基面间的间隔随着温度的升高而增大，则选择第二隔圈的热膨胀系数小于第一隔圈、第三隔圈即可。

本发明的有益效果是：基于差动原理的被动消热机构，结构简单且可控设计变量多，能够满足光学仪器中两个光学元件在较宽的温度范围内较高的位置控制精度要求。

附图说明

图1是现有被动消热机构的结构示意图。

图2是本发明光学仪器的被动消热机构的结构示意图。

图3是本发明温升条件下隔圈膨胀位移示意图。

图4是本发明隔圈间隙消除后的间隔变化示意图。

图5是本发明实施例中实施方法的示意图。

图中：1、透镜组件，2、镜座，3、镜筒，4、补偿器，5、压圈，6、橡胶垫，7、第一光学元件，8、第一隔圈，9、第二隔圈，10、第三隔圈，11、第二光学元件，12、光学元件座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，本发明光学仪器的被动消热机构，用于精密控制共轴的第一光学元件7和第二光学元件11之间的间隔，图2中的第一光学元件7和第二光学元件11均是透镜，两个透镜固定在光学元件座12内；该被动消热机构包括压圈5、橡胶垫6、第一隔圈8、第二隔圈9和第三隔圈10，第一隔圈8、第二隔圈9和第三隔圈10按照图2顺序依次置于两个光学元件之间，第一隔圈8、第二隔圈9和第三隔圈10的中心线与两个光学元件的光轴重合，橡胶垫6位于压圈5和第一光学元件7之间起缓冲作用，压圈5依次压紧橡胶垫6、第一光学元件7、第一隔圈8、第二隔圈9、第三隔圈10和第二光学元件11提供预载。第一隔圈8和第三隔圈10选用同一种材料，第二隔圈9选用热膨胀系数不同于第一隔圈8、第三隔圈10的材料，第一隔圈8、第二隔圈9、第三隔圈10组成一个差动单元结构。

如图3至图5所示，随着温度的变化，影响第一光学元件7和第二光学元件11间隔的参数为隔圈热膨胀系数C、隔圈宽度L、隔圈半径R以及隔圈间楔角α。通过选择合适的隔圈热膨胀系数C、隔圈宽度L、隔圈半径R以及隔圈间楔角α，即可满足一定温度条件下第一光学元件7和第二光学元件11间隔的精密控制，计算公式如下：

L_A＝ΔT[(L₁+L₃)C₁+L₂C₂]...........................(1)

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{L_A-S}{\mathrm{n\ΔTR}(C_2-C_1)}\right)---\left(2\right)$

式中：L_A为轴向热膨胀量；L_i为隔圈宽度；ΔT为温度变化，温升为正，温降为负；C_i为隔圈材料的热膨胀系数；S为间隔变化量，间隔增大为正，间隔减小为负；α为斜面与径向夹角，即隔圈间楔角；n为隔圈接触的斜面对数，图示n＝2；R为隔圈径向中性面半径。

本发明的具体实施方法如下：

1)预定一个隔圈间楔角α(30°＜α＜60°)，并根据总体结构布局给定隔圈宽度Li和隔圈半径R；

2)由上面公式(1)、(2)计算材料的热膨胀系数差值ΔC；

3)选择两组热膨胀系数差值最为接近ΔC的材料，将实际热膨胀系数C1、C2代入公式(1)、(2)计算隔圈间楔角α；

4)若隔圈间楔角α略大于第一隔圈8、第二隔圈9间的最小摩擦自锁角的余角，则通过微调第一隔圈8、第二隔圈9和第三隔圈10的宽度L1、L2、L3使隔圈间楔角α小于第一隔圈8、第二隔圈9间的最小摩擦自锁角的余角，避免由于隔圈间自锁而无法相对运动；

5)若隔圈间楔角α远大于第一隔圈8、第二隔圈9间的最小摩擦自锁角的余角，则重新选择材料或增加隔圈接触的斜面对数n，并重复步骤3)、步骤4)的设计过程，直至隔圈间楔角α小于第一隔圈8、第二隔圈9间的最小摩擦自锁角的余角，最终完成设计。

由上面公式(2)可知，隔圈接触的斜面对数n对间隔控制的灵敏度较高，改变隔圈接触的斜面对数是解决大位移间隔控制的有效途径。此外，由于本设计基于两种材料不同热膨胀系数的差动原理，所以隔圈接触的斜面对数n应为偶数形式成对出现，图2～图5为一个典型的差动单元结构，斜面对数n＝2。

Claims (2)

1.一种光学仪器的被动消热机构，用于精密控制共轴的第一光学元件(7)和第二光学元件(11)之间的间隔，其特征在于，该机构包括压圈(5)、橡胶垫(6)、第一隔圈(8)、第二隔圈(9)和第三隔圈(10)，第一隔圈(8)、第二隔圈(9)和第三隔圈(10)依次置于两个光学元件之间，第一隔圈(8)、第二隔圈(9)和第三隔圈(10)的中心线与两个光学元件的光轴重合，橡胶垫(6)位于压圈(5)和第一光学元件(7)之间，压圈(5)依次压紧橡胶垫(6)、第一光学元件(7)、第一隔圈(8)、第二隔圈(9)、第三隔圈(10)和第二光学元件(11)。

2.根据权利要求1所述的一种光学仪器的被动消热机构，其特征在于，所述第一隔圈(8)和第三隔圈(10)由热膨胀系数相同的材料制成，所述第二隔圈(9)与第一隔圈(8)材料的热膨胀系数不同，通过选择合适的隔圈热膨胀系数、隔圈宽度、隔圈半径以及隔圈间楔角，精密控制共轴的第一光学元件(7)和第二光学元件(11)之间的间隔。

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