CN106772897A - 一种冷光学技术中透镜的安装定位装置 - Google Patents

一种冷光学技术中透镜的安装定位装置 Download PDF

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Abstract

一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，涉及低温红外领域，解决了大温度变化范围内的透镜安装固定问题。本发明包括主镜筒、两个透镜、四氟乙烯垫、细牙调节螺钉、镜间隔圈、透镜压圈、压紧弹簧、压紧螺钉、压盖。通过主镜筒前端的斜面和透镜一的斜面配合实现透镜定位，透镜一与透镜二之间的光学间隔通过镜间隔圈保证，镜间隔圈与两个透镜的配合方式也采用斜面配合，最后透镜二通过透镜压圈进行压紧，透镜二与透镜压圈的压紧力通过压紧弹簧实现，压紧螺钉与主镜筒连接用于调节压紧力大小，压盖起到防护作用。本发明可以适应大温度变化范围内的透镜与其支撑结构的热变形，在保证透镜不会产生不可恢复性破坏的同时保证了透镜镜面的面形精度。

Description

一种冷光学技术中透镜的安装定位装置
技术领域
本发明涉及低温红外技术领域，具体涉及一种冷光学技术中透镜的安装定位装置。
背景技术
随着红外技术的不断发展，地基以及空间大口径望远镜上的红外成像终端等设备的应用也越来越广泛，与此同时，人们对红外探测仪器性能的要求也越来越高，当探测的目标信号十分微弱、信号距离相对较远以及温度较低时，红外探测仪器中光学系统及其相关支撑部件的热辐射和杂散光就会影响探测性能。为了减小这些方面的影响，一般采用制冷技术将光学系统和相关支撑部件的温度降低，以有效地减少背景光子通量，发挥背景极限探测器的作用，从而提高灵敏度。为了实现这一目的，主要是将光学系统、相关支撑部件和红外探测仪器一起放入红外杜瓦中，红外杜瓦内的温度根据红外探测器探测波段的不同而不同。一般而言，对于短波、中波、长波红外探测器，红外杜瓦内的温度应分别控制在100K、77K、60K左右。
在冷光学的光机结构设计中，光学系统的准直和最终性能一般直接通过设计精度、误差分析和材料分析等保证，而不采用传统的修磨垫片等手段。一方面，红外杜瓦的每一次降温和升温都需要很长时间，20小时左右，时间周期很长；另一方面，每一次在室温下的装调结果在低温工作条件下还会由于应力释放、热胀冷缩等原因发生变化，而在低温条件下，光学系统及其相关支撑部件处于密闭的真空环境下，很难再对其进行调整。
对于透射式冷光学系统，透镜的安装及定位，既要满足光学设计的位置误差要求，又要满足在冷却过程中200K左右的温差变形条件下透镜不会因变形导致的应力而发生破坏。如果按照现有的透镜安装方法，使用带螺纹的压圈进行固定，由于金属的热胀系数远高于透镜玻璃材料的热胀系数，由于热变形不匹配所导致的应力将导致透镜发生不可恢复性破坏。
发明内容
为了解决大温度变化范围内(温度变化一般不低于200K)的透镜安装固定问题，本发明提供一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，以满足大温度变化范围内透镜安装的技术要求。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，包括：
前端内壁上设有斜面、前端圆周上设有通孔的主镜筒；
安装在主镜筒前端的透镜一，通过主镜筒前端内壁上的斜面与透镜一前端的斜面配合实现对透镜一的定位；
端部插入主镜筒前端圆周通孔中的细牙调节螺钉；
粘接在细牙调节螺钉端部的四氟乙烯垫，通过调节粘有四氟乙烯垫的细牙调节螺钉来调节透镜一的位置；
前端斜面压在透镜一后端斜面上的镜间隔圈；
前端斜面压在镜间隔圈后端斜面上的透镜二，通过镜间隔圈保证透镜一与透镜二之间的光学间隔；
前端斜面压在透镜二后端斜面上的透镜压圈，通过透镜压圈对透镜二进行压紧；
安装在透镜压圈中的压紧弹簧；
穿过压紧弹簧旋入主镜筒中的压紧螺钉，通过压紧弹簧和压紧螺钉调节透镜二与透镜压圈之间的压紧力大小；
通过紧固螺钉固定在主镜筒后端面上的压盖。
进一步的，所述主镜筒前端内壁上的斜面、透镜一前端的斜面、透镜二前后端的斜面、镜间隔圈前后端的斜面、透镜压圈前端的斜面，角度均为40°～50°。
进一步的，所述主镜筒内壁和外壁上均设置有阶梯结构，后端设置有法兰。
进一步的，所述主镜筒前端内壁上的斜面与透镜一前端斜面的角度相同。
进一步的，所述镜间隔圈前端斜面与透镜一后端斜面的角度相同。
进一步的，所述透镜二前端斜面与镜间隔圈后端斜面的角度相同。
进一步的，所述透镜压圈前端斜面与透镜二后端斜面的角度相同。
进一步的，所述透镜一圆周与主镜筒内壁之间留有间隙，以适应透镜一的径向热变形。
进一步的，所述镜间隔圈前端面与主镜筒内部侧壁之间留有间隙，以适应透镜一和透镜二的径向热变形。
进一步的，所述压盖前端面与主镜筒后端面之间留有间隙，以适应透镜一和透镜二的轴向热变形。
工作原理说明：由于热胀冷缩是材料本身的固有属性，加上200K左右的大温度变化范围所导致的材料变形量已经不能忽视。表1为冷光学中几种常用的红外透镜材料和机械支撑材料的变形量(由常温降到77K时)。所以为了适应材料这种固有的变形量，应保证透镜在安装定位后能够具有相应的自由度以适应其变形。
表1不同材料300K与77K之间的热胀冷缩相对变形量
材料 热胀冷缩的相对变形量
CaF2 -0.284％
Fused silica 0.001％
ZnSe -0.115％
铝合金6061 -0.4％
为了保证在温度变化过程中，透镜不会因为机械支撑材料相对很大的收缩量将透镜压碎，透镜与主镜筒之间在径向上要预留出足够的间隙，以适应材料的大温度变化范围下的径向热变形，在有间隙的条件下，透镜位置精度通过镜筒、透镜、镜间隔圈和透镜压圈之间的斜面保证，斜面的角度一般为40°～50°，斜面在保证透镜径向位置的同时，在轴向上通过压紧弹簧来实现透镜的轴向相对位置，同时压紧弹簧可以放开透镜在轴向方向的自由度，以适应材料的大温度变化范围下的轴向热变形。
透镜组件的特点是常温下(293K左右)装调，低温下(100K以下)工作，在常温下装调时，透镜的位置可以通过定心仪进行确定，调节粘有四氟乙烯垫的细牙调节螺钉调节透镜，待透镜调好后，拆掉粘有四氟乙烯垫的细牙调节螺钉，以保证在降温过程中透镜具有足够的径向变形适应空间。
本发明的有益效果是：本发明的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，通过透镜一与主镜筒之间的斜面配合、镜间隔圈与两个透镜之间的斜面配合、透镜压圈与透镜二之间的斜面配合以及压紧弹簧和压紧螺钉实现透镜的安装定位，可以适应大温度变化范围内(温度变化一般不低于200K)的透镜与其支撑结构的热变形，在保证透镜不会产生不可恢复性破坏的同时保证了透镜镜面的面形精度，本发明结构简单、透镜定位精度高，便于光机结构设计和安装。
附图说明
图1为本发明的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置的结构示意图。
图中：1、主镜筒，2、透镜一，3、四氟乙烯垫，4、细牙调节螺钉，5、镜间隔圈，6、透镜二，7、透镜压圈，8、压紧弹簧，9、压紧螺钉，10、压盖，11、紧固螺钉。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，是一种轴对称结构，主要包括主镜筒1、透镜一2、四氟乙烯垫3、细牙调节螺钉4、镜间隔圈5、透镜二6、透镜压圈7、压紧弹簧8、压紧螺钉9、压盖10、紧固螺钉11。
主镜筒1内部用于放置两个透镜，主镜筒1前端内壁上设置有斜面，主镜筒1前端圆周上设置有两个通孔，主镜筒1内壁上设置有阶梯结构，主镜筒1外壁上也设置有阶梯结构，主镜筒1后端设置有法兰。
安装透镜一2时，先将透镜一2安装在主镜筒1前端，然后将四氟乙烯垫3粘接在细牙调节螺钉4的端部，将细牙调节螺钉4连同四氟乙烯垫3插入主镜筒1前端圆周上的通孔中，通过调节粘有四氟乙烯垫3的细牙调节螺钉4来调节透镜一2的位置，通过定心仪确定透镜一2的位置，待透镜一2调好后，拆掉粘有四氟乙烯垫3的细牙调节螺钉4，以保证在降温过程中透镜一2具有足够的径向变形适应空间。
通过主镜筒1前端内壁上的斜面与透镜一2前端的斜面配合实现对透镜一2的定位，主镜筒1前端内壁上的斜面与透镜一2前端的斜面的角度相同。透镜一2圆周与主镜筒1内壁之间留有一定的间隙，以适应透镜一2在大温度变化范围下的径向热变形。
镜间隔圈5与两个透镜的配合方式均采用斜面配合方式，镜间隔圈5前后两端均设置成斜面形式，将镜间隔圈5前端斜面压在透镜一2后端斜面上，再将透镜二6前端斜面压在镜间隔圈5后端斜面上，镜间隔圈5前端斜面与透镜一2后端斜面的角度相同，透镜二6前端斜面与镜间隔圈5后端斜面的角度相同。镜间隔圈5用于保证透镜一2与透镜二6之间的光学间隔。镜间隔圈5前端面与主镜筒1内部侧壁之间留有一定的间隙，以适应透镜一2和透镜二6在大温度变化范围下的径向热变形。
透镜压圈7前端设置有斜面，将压紧弹簧8安装在透镜压圈7的槽内，然后将透镜压圈7前端斜面压在透镜二6后端斜面上，最后将压紧螺钉9穿过压紧弹簧8旋入主镜筒1中，透镜压圈7前端斜面与透镜二6后端斜面的角度相同。通过透镜压圈7对透镜二6进行压紧，透镜二6与透镜压圈7的压紧力通过压紧弹簧8来实现，压紧螺钉9与主镜筒1连接用于调节压紧力的大小。
上述构件安装完成后，将压盖10通过紧固螺钉11固定在主镜筒1后端的法兰上，压盖10前端面与主镜筒1后端面之间留有一定的间隙，以适应透镜一2和透镜二6在大温度变化范围下的轴向热变形，压盖10可以起到防护作用，紧固螺钉11用于固定压盖10。
本实施方式中，主镜筒1、透镜一2、透镜二6、镜间隔圈5和透镜压圈7上的斜面的角度一般为40°～50°。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，包括：
前端内壁上设有斜面、前端圆周上设有通孔的主镜筒(1)；
安装在主镜筒(1)前端的透镜一(2)，通过主镜筒(1)前端内壁上的斜面与透镜一(2)前端的斜面配合实现对透镜一(2)的定位；
端部插入主镜筒(1)前端圆周通孔中的细牙调节螺钉(4)；
粘接在细牙调节螺钉(4)端部的四氟乙烯垫(3)，通过调节粘有四氟乙烯垫(3)的细牙调节螺钉(4)来调节透镜一(2)的位置；
前端斜面压在透镜一(2)后端斜面上的镜间隔圈(5)；
前端斜面压在镜间隔圈(5)后端斜面上的透镜二(6)，通过镜间隔圈(5)保证透镜一(2)与透镜二(6)之间的光学间隔；
前端斜面压在透镜二(6)后端斜面上的透镜压圈(7)，通过透镜压圈(7)对透镜二(6)进行压紧；
安装在透镜压圈(7)中的压紧弹簧(8)；
穿过压紧弹簧(8)旋入主镜筒(1)中的压紧螺钉(9)，通过压紧弹簧(8)和压紧螺钉(9)调节透镜二(6)与透镜压圈(7)之间的压紧力大小；
通过紧固螺钉(11)固定在主镜筒(1)后端面上的压盖(10)。
2.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述主镜筒(1)前端内壁上的斜面、透镜一(2)前端的斜面、透镜二(6)前后端的斜面、镜间隔圈(5)前后端的斜面、透镜压圈(7)前端的斜面，角度均为40°～50°。
3.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述主镜筒(1)内壁和外壁上均设置有阶梯结构，后端设置有法兰。
4.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述主镜筒(1)前端内壁上的斜面与透镜一(2)前端斜面的角度相同。
5.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述镜间隔圈(5)前端斜面与透镜一(2)后端斜面的角度相同。
6.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述透镜二(6)前端斜面与镜间隔圈(5)后端斜面的角度相同。
7.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述透镜压圈(7)前端斜面与透镜二(6)后端斜面的角度相同。
8.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述透镜一(2)圆周与主镜筒(1)内壁之间留有间隙，以适应透镜一(2)的径向热变形。
9.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述镜间隔圈(5)前端面与主镜筒(1)内部侧壁之间留有间隙，以适应透镜一(2)和透镜二(6)的径向热变形。
10.根据权利要求1所述的一种冷光学技术中透镜的安装定位装置，其特征在于，所述压盖(10)前端面与主镜筒(1)后端面之间留有间隙，以适应透镜一(2)和透镜二(6)的轴向热变形。
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