CN104166217A - 大口径离轴光学系统及被动消热差方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径离轴光学系统及被动消热差方法,包括：位移补偿机构、安装有次镜的次镜镜室、连接框架、主镜框架、安装有主镜的主镜镜室；所述位移补偿机构与所述次镜镜室的底部固连，所述主镜框架与所述主镜镜室固连，所述主镜框架与所述次镜镜室之间由连接框架连接。本发明通过设置位移补偿机构，位移补偿机构可对温度引起的系统间隔进行完全补偿，有效的保证了系统的像质不随温度变化的特性,并且使本系统安装简单，没有增加原有系统的体积、重量和成本。

Description

大口径离轴光学系统及被动消热差方法

技术领域

本发明涉及反射式光学系统领域，特别是涉及一种大口径离轴光学系统及被动消热差方法。

背景技术

目前，复杂环境中工作的光学系统要经受非常大的环境温度变化，典型的可达-20℃到+60℃。在温度急剧变化的环境中，光学系统会由于光学材料与结构材料的热不稳定性，引起系统的焦距、像面位置，以及像面质量等发生变化。透射式的光学系统采用被动和主动方式消除热效应的技术发展的较为完善，在设备上的应用也很广泛。随着技术的发展以及远距离作用的需要，大口径离轴反射式光学系统的消热差及无热化技术逐步受到重视。但是，受光学材料和空间体积的限制，目前国内大口径离轴反射光学系统的无热化设计尚没有广泛应用。

离轴反射式光学系统的光学零件个数少且材料单一，安装固定的机械结构体积庞大、结构复杂。光学被动式和机械主动式的消热差方法，增加了原有系统的体积、重量和成本，机械主动式补偿方法由于增加了温度传感器，还会造成滞后效应。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大口径离轴光学系统及被动消热差方法，用以解决现有技术光学被动式和机械主动式的消热差方法的缺点，增加了原有系统的体积、重量和成本的问题。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种大口径离轴光学系统，其包括：位移补偿机构、安装有次镜的次镜镜室、连接框架、主镜框架、安装有主镜的主镜镜室；所述位移补偿机构与所述次镜镜室的底部固连，所述主镜框架与所述主镜镜室固连，所述主镜框架与所述次镜镜室之间由连接框架连接。

进一步，所述位移补偿机构长度采用下式确定：

γ×L3＝α×L1+β×L2

其中，α为连接框架的线热膨胀系数，L1为连接框架的长度；β为主镜框架的线热膨胀系数，L2为主镜框架的长度，γ为位移补偿机构的线热膨胀系数，L3为位移补偿机构的长度。

可选的，所述位移补偿机构包括铝块、尼龙、树脂；所述主镜框架包括碳钢框架、不锈钢框架、碳锰钢框架；所述连接框架包括铟钢框架、镁合金框架、钛合金框架。

进一步，所述位移补偿机构为铝块，所述主镜框架为碳钢框架，所述连接框架为铟钢框架。

可选的，所述主镜镜室、所述次镜镜室均为碳钢材料制备的。

可选的，所述主镜、所述次镜均为低膨胀系数的光学材料制备的,所述低膨胀系数的光学材料包括微晶玻璃、碳化硅和石英玻璃。

可选的，所述主镜为椭球面主镜，所述次镜为抛物面次镜。

另一方面，本发明还提供一种大口径离轴光学系统被动消热差方法，包括：

确定系统间距随温度变化的位移量；

在次镜镜室的底部设置位移补偿机构，用位移补偿机构随温度变化的位移量补偿系统间距随温度变化的位移量。

进一步，采用下述公式确定系统间距随温度变化的位移量：

Δ₁＝α×L1+β×L2

其中α为连接框架的线热膨胀系数，L1为连接框架的长度；β为主镜框架的线热膨胀系数，L2为主镜框架的长度。

进一步，用位移补偿机构随温度变化的位移量补偿系统间距随温度变化的位移量采用下式：

γ×L3＝Δ₁

其中γ为位移补偿机构的线热膨胀系数，L3为位移补偿机构的长度。

进一步，所述连接框架为铟钢框架，所述主镜框架为碳钢框架，所述位移补偿机构为铝块。

本发明有益效果如下：

本发明所述的系统及方法，通过设置位移补偿机构，位移补偿机构可对温度引起的系统间隔进行完全补偿，有效的保证了系统的像质不随温度变化的特性，从而使本系统安装简单，没有增加原有系统的体积、重量和成本。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的被动消热差方法的补偿计算原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1：如图1所示，一种大口径离轴光学系统包括：位移补偿机构1、安装有抛物面次镜3的次镜镜室2、连接框架4、主镜框架5、安装有椭球面主镜6的主镜镜室7；位移补偿机构1与次镜镜室2的底部(与附图所示方向相同，次镜镜室2的上部安装有次镜3，次镜镜室2的底部背对次镜镜室2的上部)固连，主镜框架5与主镜镜室7固连，主镜框架5与次镜镜室2之间由连接框架4连接；抛物面次镜3、椭球面主镜6均采用微晶玻璃制成，主镜框架5为碳钢材料制成的碳钢框架，其长度为120毫米，连接框架4为铟钢材料制成的铟钢框架，其长度为641毫米，位移补偿机构1为铝块制成，其长度为64毫米。

本实施例中，次镜镜室2的底部设置位移补偿机构1，位移补偿机构1可对温度引起的系统间隔进行完全补偿，并且使本系统安装简单，没有增加了原有系统的体积、重量和成本；光学系统的光学零件面形不随温度变化的特性由光学零件与光学镜室的材料搭配和铟钢框架、主镜框架、铝块结构保证，有效的保证了系统的像质不随温度变化的特性，消热差特性由上述机械被动式结构实现，无需调焦。

对反射光学系统而言，温度变化的影响表现在反射镜面形和镜间空气间隔镜间距的改变上。反射镜面形的变化由光学零件和镜室的热膨胀引起，镜间距的变化则由连接光学零件的机械结构引起。

针对反射镜面形因为温度变化发生的改变，本实施例采用以下方案进行克服：

椭球面主镜与抛物面次镜采用微晶玻璃，主镜室和次镜室采用碳钢材料。当反射镜和镜室以这两种材料组合时，系统高斯像面随温度的变化值列在1。

表1

根据表1的数据，系统温度在-20℃～+60℃之间变化时，像面的变化均小于系统1/4λ波相差，由瑞利判据，可以认为系统随着温度变化基本无像差。椭球面主镜与抛物面次镜除了采用微晶玻璃，还可以采用其他低膨胀系数的光学材料，此类光学材料还包括碳化硅和石英玻璃。与普通光学材料(K9玻璃)相比，此类材料的热膨胀系数要低一个数量级，所以称之为低膨胀系数的光学材料，现将这3种材料的线热膨胀系数列出K9:3.3×10^-6·C^-1；石英玻璃：0.6×10^-6·C^-1；SiC:0.7×10^-6·C^-1；微晶玻璃：0.5×10^-6·C^-1。

针对镜间空气间隔镜间距因为温度变化发生的改变，本实施例采用以下方案进行克服：

如图2所示，主次镜之间通过主镜框架5和连接框架4定位。401为连接框架4随温度变化的位移变化方向，连接框架4采用铟钢材料，铟钢材料的线热膨胀系数为α＝5×10^-7/℃，长L1mm；501为主镜框架5随温度变化的位移变化方向，主镜框架采用碳钢材料，长L2mm，线热膨胀系数为β＝100×10^-7/℃。系统设计时，已经确定了主镜框架和铟钢框架的长度，所以依据下述公式计算系统间距随温度变化的情况Δ₁，

Δ₁＝α×L1+β×L2

在次镜端采用位移补偿机构1进一步补偿系统间距变化，图中101为位移补偿机构1随温度变化的位移变化方向。位移补偿机构1为铝块制备的，铝块材料长L3,线热膨胀系数为γ＝236×10^-7/℃。计算铝块引起的系统间距变化Δ₂，

Δ₂＝γ×L3

令Δ₁＝Δ₂，则系统的间隔变化可完全补偿。即

α×L1+β×L2＝γ×L3

以下表2示出上述方法的一优选实例：

表2

表2的数据根据以上间隔补偿公式计算得到，采用64mm铝块制备的位移补偿机构1，可对温度引起的系统间隔进行完全补偿。有效的保证了系统的像质不随温度变化的特性。

最后应说明的是：本实施例仅为了说明本发明而非限制本发明所述的技术放案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或替换；任何不脱离本发明技术方案的改进，均涵盖于本发明所要求的权利范围内。

Claims (10)

1.一种大口径离轴光学系统，其特征在于，包括：位移补偿机构、安装有次镜的次镜镜室、连接框架、主镜框架、安装有主镜的主镜镜室；所述位移补偿机构与所述次镜镜室的底部固连，所述主镜框架与所述主镜镜室固连，所述主镜框架与所述次镜镜室之间由连接框架连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位移补偿机构长度采用下式确定：

γ×L3＝α×L1+β×L2

其中，α为连接框架的热膨胀系数，L1为连接框架的长度；β为主镜框架的热膨胀系数，L2为主镜框架的长度；γ为位移补偿机构的线热膨胀系数，L3为位移补偿机构的长度。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述位移补偿机构包括铝块、尼龙、树脂；所述主镜框架包括碳钢框架、不锈钢框架、碳锰钢框架；所述连接框架包括铟钢框架、镁合金框架、钛合金框架。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主镜镜室、所述次镜镜室均为碳钢材料制备的。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主镜、所述次镜均为低膨胀系数的光学材料制备的。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主镜为椭球面主镜，所述次镜为抛物面次镜。

7.一种大口径离轴光学系统的被动消热差方法，其特征在于，包括：

确定系统间距随温度变化的位移量；

在次镜镜室的底部设置位移补偿机构，用位移补偿机构随温度变化的位移量补偿系统间距随温度变化的位移量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，采用下述公式确定系统间距随温度变化的位移量：

Δ₁＝α×L1+β×L2

其中α为连接框架的线热膨胀系数，L1为连接框架的长度；β为主镜框架的线热膨胀系数，L2为主镜框架的长度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用位移补偿机构随温度变化的位移量补偿系统间距随温度变化的位移量采用下式：

γ×L3＝Δ₁

其中γ为位移补偿机构的线热膨胀系数，L3为位移补偿机构的长度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述连接框架为铟钢框架，所述主镜框架为碳钢框架，所述位移补偿机构为铝块。