CN102621655A - 一种透镜固定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于低温透射光学系统的透镜固定装置，在轴向和径向都设计了具有弹性伸缩的预紧结构。其中在轴向采用弹性压圈结构预紧，吸收由于温度变化使透镜和镜筒之间变形不一致产生的装配应力；在径向透镜外圆下端与镜筒接触的地方采用两个对称的小凸台圆弧面接触同时上端采用圆柱螺旋压缩弹簧预紧，使透镜和镜筒之间保持足够的间隙以防低温挤压透镜变形，同时保证该结构向心稳定，光轴方向不变。该固定装置可很好地保证光学系统到低温下依然具有良好的光学性能。

Description

一种透镜固定装置

技术领域

本发明涉及一种固定装置，尤其涉及一种用于低温条件下透镜光学系统的固定装置。

背景技术

目前，在许多成像光学系统中，都采用了透射光学系统。这些光学系统的特点是所用的波段在可见光波段，使用环境在常温常压下。常用的透镜装配方式如图1所示，轴向预紧采用常规压圈20，通过隔圈21将透镜端面稳稳压在镜筒23的内端面上，透镜22和镜筒23之间的间隙靠设计加工保证。如果使用的环境温度变化比较大(从-30℃到+50℃)，一般采用无热化设计，选用的透镜和镜筒材料的热膨胀系数比较接近。

但随着科学探测技术的发展，要求将工作在红外波段的透射光学系统应用到低温环境中，因为在低温下可有效地减小光学系统本身的热辐射，有益于光学系统的红外探测。将透射光学系统应用到低温下就要解决由于降温使透镜和镜筒变形不一致而产生的装配应力问题，同时还需保证低温下光学系统的光轴方向不发生变化，光学性能没有明显变差等。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种用于低温下(零下200℃左右)固定透镜的装置，该装置主要克服了常规透射光学镜筒结构不能适用于低温环境的缺点。

该透镜固定装置主要可以解决透射光学系统常温下装配、低温下使用的难题，保证常温下装配的固定透镜结构在低温下不会发生破坏，使透镜产生变形甚至破碎，保证光轴方向不发生变化，从而保证低温下光学系统的性能。

该装置在轴向和径向的固定方式都采用了弹性结构。轴向固定采用弹性压圈和垫圈，弹性压圈通过垫圈将透镜压在镜座的内端面上。径向固定结构采用了在透镜外圆下端用两个小凸台面支撑，上端用圆柱螺旋压缩弹簧压紧的方式，同时要保证透镜外圆与镜座内筒之间要预留足够的间隙。

所述的径向固定机构包括弹簧、导向杆、螺帽、螺杆以及螺钉，螺杆和镜座上的中心孔对齐，通过螺钉将螺杆固定在镜座上；导向杆插入螺杆和镜座对齐的中心孔中，底端与透镜的外圆接触；弹簧套在导向杆上，通过拧紧螺帽压缩弹簧产生推力推动导向杆压紧透镜。

所用弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧两端需打磨平整。

所述导向杆与透镜接触的顶端为半球形，半球上端与半球衔接的一小段圆柱形的端面为支撑圆柱螺旋压缩弹簧下端，半球直径比镜座上端的中心孔直径略小，为间隙配合；导向杆后端为套圆柱螺旋压缩弹簧所用的圆柱形，其直径小于圆柱螺旋压缩弹簧的内径；导向杆的整体长度应小于螺杆上端面到透镜外圆上端之间的距离。

用于将螺杆固定在镜座上的螺钉由4颗圆柱头螺钉组成。

所述的弹性压圈由前端的多圈弹性结构和后端的外螺纹结构组成，每两圈之间由三条筋相连，三条筋在圆周上间隔120度均匀分布，每相邻两圈相连的三条筋又错开60度分布。

透镜外圆与镜座内筒在下端只有两个小凸台面接触，两小凸台面均为圆弧面，与透镜外径相等，在与光轴垂直的截面内，以透镜中心为原点，对称分布与Y轴成45度夹角的方向上，与位于Y轴上端的导向杆一起形成向心稳定结构。

除了透镜和弹簧外，其他结构件全部由同一种金属材料加工而成。

透镜外圆与镜座内筒之间的间隙大小由透镜和镜座两种材料的线膨胀系数和光学系统的工作温度决定。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)由于本发明在轴向设计使用弹性压圈，可以吸收由于温度变化而使透镜与镜座之间产生的装配应力，避免该应力直接作用在透镜上，因此保证透镜在低温下的镜面不会变形；

2)由于本发明在径向设计中，透镜与镜座内筒之间预留足够间隙，防止在低温环境下镜座内筒将透镜挤压变形，甚至压碎；

3)由于本发明在径向方向上透镜外圆面下端与镜座内筒采用两个小凸台弧面接触，并且两个小凸台弧面相对于透镜光轴对称分布，透镜外圆面顶端采用圆柱螺旋压缩弹簧压紧，因此保证透镜在热变形过程中始终结构稳定，并且光轴方向保持不变。

4)由于本发明所用元件数量少，因此该固定装置结构简单，安装方便。

附图说明

图1所示为常温下常规透镜光学系统轴向固定剖面图；

图2所示为本发明的低温用透镜光学系统轴向固定剖面图；

图3所示为本发明的低温用透镜光学系统径向固定剖面图；

图4所示为本发明的弹性压圈轴向及径向剖面图；

图5所示为本发明的弹性压圈三维模型图；

图6所示为本发明低温实验实施光路图；

图7所示为本发明一种实施实验的红外图像；

图8所示为本发明一种实施实验能量集中度三维效果图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。如图2、3所示为本发明的一种用于低温透射光学系统的透镜固定装置，包括轴向固定透镜8所用的弹性压圈1，垫圈2，径向支撑透镜8所用的镜座9以及径向固定透镜8所用的圆柱螺旋压缩弹簧3、导向杆4、螺帽5和螺杆6。在光轴方向上，弹性压圈1通过垫圈2将透镜8紧紧压在镜座9的内端面上；在径向，透镜8的外圆下端与镜座9内筒上的两个凸台弧面接触，如图3所示，两小凸台分别位于第三、四象限与X轴成45度夹角的地方。螺杆6通过螺钉10固定在镜座9上，然后将导向杆4放入螺杆6和镜座9相通的内孔中，导向杆4的下端与透镜8的外圆上端面接触，接着将圆柱螺旋压缩弹簧3套入导向杆4中，导向杆4与透镜8接触的顶端为半球形，半球上端与半球衔接的一小段圆柱形的端面为支撑圆柱螺旋压缩弹簧3下端，半球直径比镜座9上端的中心孔直径略小，为间隙配合；导向杆4后端为套圆柱螺旋压缩弹簧3所用的圆柱形，其直径小于圆柱螺旋压缩弹簧3的内径；导向杆4的整体长度应小于螺杆6上端面到透镜8外圆上端之间的距离，最后用螺帽5向下压圆柱螺旋压缩弹簧3，将螺帽5拧紧在螺杆6上。该光学系统装配完成后，通过螺钉7固定在光学平台上。

具体实施例

首先根据光学系统的工作温度、透镜和镜座材料的线膨胀系数以及径向尺寸计算透镜和镜座之间在常温装配时径向应该预留的间隙。在实施例中，光学系统的工作温度为100K，透镜材料为锗(Ge)，圆柱压缩弹簧材料为炭素弹簧钢丝，其他结构件材料均为铝(Al)。锗的线膨胀系数为6.00E-6m/(m.K)，铝的线膨胀系数为2.29E-5m/(m.K)，从常温20℃降到低温100K温度变化差值为193K，实施例中透镜的外径为φ34mm，从而可计算出到低温100K下透镜和镜座之间的径向线性变形差值约为0.112mm。在轴向透镜的最大厚度为8mm，其最大线性变形差值约为0.026mm。为了保险起见，在径向将透镜与镜座内筒的间隙设计为0.2mm。

在结构设计中，如图3所示，以透镜中心为坐标原点，将镜座9内筒位于第三、四象限与X轴成45夹角度方向加工成两个小凸台，两小凸台面为弧形，弧面直径与透镜外径相等，宽度为4mm。

如图2所示，与透镜8左球面接触的垫圈2也为圆弧面，曲率半径也与透镜8的左球面半径吻合。

图4为本发明所用的弹性压圈1的具体结构剖视图，前端的弹性环节由四个厚度为1mm的弹性圈组成，每圈之间由宽度为5mm的三条筋相连，三条筋在圆周上间隔120度均匀分布，每相邻两圈相连的三条筋错开60度(如图5所示)，后端采用外螺纹，方便与镜座内筒配合。

将常温下装配调好的光学系统装配到低温舱体中，进行降温实验，控制光学平台温度到100K达到温度平衡。实验光路如图6所示，主要由黑体61、光管62、光学系统63、红外探测器65以及低温舱体64组成。黑体61产生的红外辐射通过光管62上的小孔，由光管62变为平行光入射到低温舱体64中，经过光学系统63聚焦成像到红外探测器65上，由红外探测器65输出的图像如图7所示，从图8可以看出单像元的能量集中度达到了70％以上。说明系统像质好，能量集中度高。该光学系统经过几轮温度循环实验也没有明显变化，表明该透镜固定装置结构稳定，透镜没有明显变形，结构设计是成功的。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种透镜固定装置，包括透镜(8)、镜座(9)、轴向固定机构和径向固定机构，其特征在于：所述的轴向固定机构包括弹性压圈(1)、垫圈(2)，弹性压圈(1)通过垫圈(2)将透镜(8)压在镜座(9)的内端面上；所述的径向固定机构是一种可弹性伸缩结构，透镜(8)的外圆与镜座(9)的内筒之间预留足够的间隙。

2.根据权利要求1所述的透镜固定装置，其特征在于：所述的径向固定机构包括弹簧(3)、导向杆(4)、螺帽(5)、螺杆(6)以及螺钉(10)，螺杆(6)和镜座(9)上的中心孔对齐，通过螺钉(10)将螺杆(6)固定在镜座(9)上；导向杆(4)插入螺杆(6)和镜座(9)对齐的中心孔中，底端与透镜(8)的外圆接触；弹簧(3)套在导向杆(4)上，通过拧紧螺帽(5)压缩弹簧(3)产生推力推动导向杆(4)压紧透镜(8)。

3.根据权利要求2所述的透镜固定装置，其特征在于：弹簧(3)为圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧两端需打磨平整。

4.根据权利要求2所述的透镜固定装置，其特征在于：所述导向杆(4)与透镜(8)接触的顶端为半球形，半球上端与半球衔接的一小段圆柱形的端面为支撑圆柱螺旋压缩弹簧(3)下端，半球直径比镜座(9)上端的中心孔直径略小，两者为间隙配合；导向杆(4)后端为套圆柱螺旋压缩弹簧(3)所用的圆柱形，其直径略小于圆柱螺旋压缩弹簧(3)的内径；导向杆(4)的整体长度应小于螺杆(6)上端面到透镜(8)外圆上端之间的距离。

5.根据权利要求2所述的透镜固定装置，其特征在于：除了透镜(8)和弹簧(3)外，其他结构件全部由同一种金属材料加工而成。

6.根据权利要求1所述的透镜固定装置，其特征在于：所述的弹性压圈(1)由前端的多圈弹性结构和后端的外螺纹结构组成，前端的多圈弹性结构每两圈之间由三条筋相连，三条筋在圆周上间隔120度均匀分布，每相邻两圈相连的三条筋又错开60度分布。

7.根据权利要求1所述的透镜固定装置，其特征在于：透镜(8)外圆与镜座(9)内筒在下端只有两个小凸台面接触，两小凸台面均为圆弧面，与透镜外径相等，在与光轴垂直的截面内，以透镜(8)中心为原点，对称分布与Y轴成45度夹角的方向上，与位于Y轴上端的导向杆一起形成向心稳定结构。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的透镜固定装置，其特征在于：透镜(8)外圆与镜座(9)内筒之间的间隙大小由透镜(8)和镜座(9)两种材料的线膨胀系数和光学系统的工作温度决定。

9.根据权利要求2所述的透镜固定装置，其特征在于：用于将螺杆(6)固定在镜座(9)上的螺钉由4颗圆柱头螺钉组成。

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