CN105005132B - 一种红外低温镜头结构 - Google Patents

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Abstract

一种红外低温镜头，该结构形式适用于透射式光学镜头在低温环境使用的情况，旨在解决由于温度变化导致光学元件的各面面形受镜框热应力影响而变差，同时各光学透镜轴向顶点间距伴随温度变化不易与设计保持一致的问题。该红外低温镜头结构由红外光学透镜、镜框、轴向约束压圈、轴向缓冲圈、径向胶斑、镜筒和螺钉组成。由于其能够在低温环境下保证各光学透镜工作面面形不受热应力影响，并保证各光学透镜顶点间距与低温光学输入要求保持一致，因此该低温镜头在低温环境下成像质量优异。

Description

一种红外低温镜头结构
技术领域
本发明属于航天红外遥感领域，涉及一种红外低温镜头结构。
背景技术
在航天红外遥感领域，低温红外镜头常常恒温工作在273K以下的温度，而其加工、装调过程却是在293K完成。结构设计需要补偿由于常温到低温的温度变化引起的镜框收缩量与透镜收缩量之差，避免镜框压紧透镜造成对透镜面形等光学性能的影响。镜头各光学透镜的顶点间距随温度变化而变化，需要根据低温工作环境的透镜顶点间距参数，计算常温间距，以用于加工和常温检测。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种红外低温镜头结构，保证常温加工、装调的红外镜头，在低温环境下仍能够保证优异成像质量。
本发明的技术方案是：一种红外低温镜头结构，包括第一透镜组件、第二透镜组件、镜筒和安装螺钉；第一透镜组件包括第一红外光学透镜、第一镜框、第一轴向约束压圈、第一轴向缓冲圈；第二透镜组件包括第二红外光学透镜、第二镜框、第二轴向约束压圈、第二轴向缓冲圈；
第一红外光学透镜安装于第一镜框内，安装时保证两者径向间隙在整圆周均匀一致；第一轴向约束压圈设计有内陷凹槽，第一轴向缓冲圈置于内陷凹槽内；第一轴向约束压圈通过第一轴向约束压圈和第一镜框之间的配合螺纹旋入第一镜框，直至第一轴向缓冲圈与第一红外光学透镜压紧；第一镜框径向有8个注胶孔，通过该注胶孔注入硅橡胶，生成厚度等于第一红外光学透镜外径半径与第一镜框内径半径之差的8个径向胶斑；以上完成第一透镜组件装配。
第二红外光学透镜安装于第二镜框内，安装时保证两者径向间隙在整圆周均匀一致；第二轴向约束压圈设计有内陷凹槽，第二轴向缓冲圈置于内陷凹槽内；第二轴向约束压圈通过第二轴向约束压圈和第二镜框之间的配合螺纹旋入第二镜框，直至第二轴向缓冲圈与第二红外光学透镜压紧；第二镜框径向有8个注胶孔，通过该注胶孔注入硅橡胶，生成厚度等于第二红外光学透镜外径半径与第二镜框内径半径之差的8个径向胶斑；
第一透镜组件和第二透镜组件分别通过螺钉与镜筒螺接完成整个结构装配。
所述径向胶斑厚度T满足以下公式：
T＝n×(αK1-αJ1)×ΔT×RJ1；
其中αK1是第一镜框材料的热膨胀系数，αJ1是红外光学透镜材料的热膨胀系数，ΔT是常温与该低温镜头工作温度之差，RJ1是红外光学透镜的半径；n为经验值。
第一红外光学透镜和第二红外光学透镜的顶点间距LC满足以下公式：
其中αK是第一镜框、第二镜框、镜筒材料的热膨胀系数，αJ1和αJ2分别是第一红外光学透镜和第二红外光学透镜材料的热膨胀系数，ΔT是常温与该低温镜头工作温度之差,L1是第一红外透镜后曲率中心顶点与第一镜框靠面的距离，L2是第二红外透镜前曲率中心顶点与第二镜框靠面的距离。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明与常规常温镜头不同，由于其能够在低温环境下保证各光学透镜工作面面形不受热应力影响，保证各光学透镜顶点间距与光学输入要求保持一致性，因此该低温镜头低温环境成像质量优异。
附图说明
图1为透镜组件示意图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明。
如图1所示，将第一红外光学透镜1安装于第一镜框2内，安装时保证两者径向间隙在整圆周均匀一致，第一轴向约束压圈3设计有内陷凹槽，将第一轴向缓冲圈4装入内陷凹槽，通过第一轴向约束压圈3和第一镜框2的配合螺纹，将第一轴向约束压圈3旋入第一镜框2，直至第一轴向缓冲圈4与第一红外光学透镜1压紧。第一镜框2径向有8个注胶孔，通过该注胶孔注入硅橡胶，生成厚度等于第一红外光学透镜1外径半径与第一镜框2内径半径之差的8个第一径向胶斑5。以上完成第一透镜组件装配。重复以上步骤对第二红外光学透镜6、第二镜框7、第二轴向约束压圈8、第二轴向缓冲圈9，第二径向胶斑10进行操作，完成第二透镜组件装配。第一透镜组件和第二透镜组件分别通过螺钉12与镜筒11螺接完成整个结构装配。
为保证低温环境下，由于热胀冷缩造成的镜框收缩量大于光学透镜收缩量，为避免该热失配造成光学透镜面形收到热应力影响，需通过各镜框上的8个注胶孔注入硅橡胶，生成特定厚度胶斑，起到径向支撑及热卸载作用。图1中厚度T1满足以下公式：
T1＝n×(αK1-αJ1)×ΔT×RJ1
αK1是第一镜框2材料的热膨胀系数，αJ1是第一红外光学透镜1材料的热膨胀系数，ΔT是常温与该低温镜头工作温度之差，RJ1是第一红外光学透镜1的半径。n是经验值，一般取15-20,但T1一般不超过0.5mm。T2计算原理相同。
对于光学输入条件给定的低温环境下第一红外光学透镜1和第二红外光学透镜6的顶点间距LD，需要确定常温环境第一红外光学透镜1和第二红外光学透镜6的顶点间距LC，其满足以下公式：
αK是第一镜框2、第二镜框7、镜筒11材料的热膨胀系数，αJ1和αJ2分别是第一红外光学透镜1和第二红外光学透镜6材料的热膨胀系数，ΔT是常温与该低温镜头工作温度之差,L1是第一红外透镜1后曲率中心顶点与第一镜框2靠面的距离，L2是第二红外透镜1前曲率中心顶点与第二镜框7靠面的距离。根据该原理确定常温环境下，两个红外光学透镜的顶点间距，依据该结果进行结构件加工及结构件、光学件的装配，并在常温环境下检测其值与LC的误差，进以实现低温环境下，两个红外光学透镜的顶点间距与光学设计值LD保持一致，并对其精度进行评估，以此保证低温光学系统结构参数的准确，进以保证其成像质量。
本发明未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种红外低温镜头结构，其特征在于：包括第一透镜组件、第二透镜组件、镜筒(11)和安装螺钉；第一透镜组件包括第一红外光学透镜(1)、第一镜框(2)、第一轴向约束压圈(3)、第一轴向缓冲圈(4)；第二透镜组件包括第二红外光学透镜(6)、第二镜框(7)、第二轴向约束压圈(8)、第二轴向缓冲圈(9)；
第一红外光学透镜(1)安装于第一镜框(2)内，安装时保证两者径向间隙在整圆周均匀一致；第一轴向约束压圈(3)设计有内陷凹槽，第一轴向缓冲圈(4)置于内陷凹槽内；第一轴向约束压圈(3)通过第一轴向约束压圈(3)和第一镜框(2)之间的配合螺纹旋入第一镜框(2)，直至第一轴向缓冲圈(4)与第一红外光学透镜(1)压紧；第一镜框(2)径向有8个注胶孔，通过该注胶孔注入硅橡胶，生成厚度等于第一红外光学透镜(1)外径半径与第一镜框(2)内径半径之差的8个径向胶斑；以上完成第一透镜组件装配；
第二红外光学透镜(6)安装于第二镜框(7)内，安装时保证两者径向间隙在整圆周均匀一致；第二轴向约束压圈(8)设计有内陷凹槽，第二轴向缓冲圈(9)置于内陷凹槽内；第二轴向约束压圈(8)通过第二轴向约束压圈(8)和第二镜框(7)之间的配合螺纹旋入第二镜框(7)，直至第二轴向缓冲圈(9)与第二红外光学透镜(6)压紧；第二镜框(7)径向有8个注胶孔，通过该注胶孔注入硅橡胶，生成厚度等于第二红外光学透镜(6)外径半径与第二镜框(7)内径半径之差的8个径向胶斑；
第一透镜组件和第二透镜组件分别通过螺钉与镜筒(11)螺接完成整个结构装配；
径向胶斑厚度T满足以下公式：
T＝n×(αK1-αJ1)×ΔT×RJ1；
其中αK1是第一镜框(2)材料的热膨胀系数，αJ1是第一红外光学透镜材料的热膨胀系数，ΔT是常温与该低温镜头工作温度之差，RJ1是第一红外光学透镜的半径；n为经验值；
第一红外光学透镜(1)和第二红外光学透镜(6)的常温顶点镜间距LC满足以下公式：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>D</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>J</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mi>J</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>K</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中αK是第一镜框(2)和第二镜框(7)和镜筒(11)材料的热膨胀系数，αJ1和αJ2分别是第一红外光学透镜(1)和第二红外光学透镜(6)材料的热膨胀系数，ΔT是常温与该低温镜头工作温度之差,L1是第一红外光学透镜(1)后曲率中心顶点与第一镜框(2)靠面的距离，L2是第二红外光学透镜(6)前曲率中心顶点与第二镜框(7)靠面的距离。
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