CN108760631B - 一种具有温度自适应功能的光学窗口 - Google Patents
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Abstract
一种具有温度自适应功能的光学窗口，属于光学检测领域，为了满足现有技术的需求，基础法兰的内环端面沿圆周均匀布置固定三个柔性机构；窗口玻璃的边缘固定在基础法兰的内环上，径向与沿圆周布置的三个柔性机构相切安装；密封盖与基础法兰外环通过螺栓连接；密封盖内侧设有两个同心的环形密封槽，大密封圈和小密封圈分别放置在两个密封槽内；在密封盖上沿圆周均匀设置六个温度传感器，且温度传感器与光学玻璃接触，用于测量光学玻璃的温度；在光学玻璃的径向端面上，每隔60°均匀地胶连六个导热片，三个电加热片和三个制冷片交替设置在相邻的导热片上；温控单元主要包括单片机，其连接六个温度传感器、三个电加热片和三个制冷片。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有温度自适应功能的光学窗口，属于光学检测领域。这种具有温度自适应功能采用被动温度补偿和主动温控相结合的技术，能够较好地控制温度变化对光学窗口面形的影响，达到提高光学检测精度的作用。
背景技术
研究表明，温度变化对于光电成像系统的像质有较大影响。光电成像系统都需要具有特定的温度工作范围，特殊情况下，需要在-40℃—50℃的温度环境下正常工作，必须关注温度变化对像质的影响。因此，将光学成像系统置于真实的温度环境下进行像质检测，探索温度变化对像质的影响，为光学成像系统的设计和使用提供依据，是光学检测领域亟需解决的问题之一。
在实验室进行变温环境条件的光电成像系统像质检测，较为可行的方案是将被测光电成像系统置于作为温度模拟装置的高低温试验箱中，用高低温试验箱模拟设备真实的工作环境，在高低温试验箱上与被测光电成像系统的镜头同轴安装光学窗口，将光源和检具置于高低温试验箱外部，透过光学窗口检测被测光电成像系统的像质。光学窗口作为检测光路的一部分，其面形对于检测精度具有直接影响。光学窗口安装在高低温试验箱上，处于温度变化范围较大的环境中，承受着高低温试验箱内外温度不同而带来的应力，且温度分布不均匀。因此，设计过程中必须考虑温度对光学窗口面形的影响，通过温度适应性设计，使窗口玻璃在温度变化范围较大的环境下保持较好的面性，起到提高检测精度的作用。
目前尚未见到此种具有温度自适应功能的光学窗口的相关报道。
发明内容
本发明为了满足现有技术的需求，提供一种具有温度自适应功能的光学窗口，能够适应温度变化范围较大环境下的光学检测要求，该光学窗口能够实现主动温度控制，且采用柔性机构作为温度补偿装置。
本发明的技术方案如下：
一种具有温度自适应功能的光学窗口，其特征是，其主要包括基础法兰、三个柔性结构、窗口玻璃、密封盖、大密封圈、小密封圈、六个温度传感器、六个导热片、三个电加热片、三个制冷片和温控单元；
基础法兰的内环端面沿圆周均匀布置固定三个柔性机构；
窗口玻璃的边缘固定在基础法兰的内环上，径向与沿圆周布置的三个柔性机构相切安装；
密封盖与基础法兰外环通过螺栓连接；密封盖内侧设有两个同心的环形密封槽，大密封圈和小密封圈分别放置在两个密封槽内；
在密封盖上沿圆周均匀设置六个温度传感器，且温度传感器与光学玻璃接触，用于测量光学玻璃的温度；在光学玻璃的径向端面上，每隔60°均匀地胶连六个导热片，三个电加热片和三个制冷片交替设置在相邻的导热片上；
温控单元主要包括单片机，其数据采集接口连接六个温度传感器，其控制接口连接三个电加热片和三个制冷片，传感器采集的温度信号经单片机进行处理后发出控制指令，驱动电加热片和制冷片加热或制冷。
窗口玻璃是光学平板玻璃。
单个温度传感器布点位置应在与其位置最近的电加热片或制冷片与窗口玻璃圆心构成的扇形区域的中轴线上。
在窗口玻璃的径向上，电加热片或制冷片一端与导热片胶连，另一端与基础法兰留有空隙，避免由于接触对窗口玻璃产生应力。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种具有温度自适应功能的光学窗口，用于变温环境下光电成像系统的像质检测。该光学窗口集成了主动温控技术和被动温度补偿技术，一方面基于嵌入式传感器设计、兼具加热和制冷功能的自动化温度控制技术，实现对窗口玻璃温度的实时监测和控制，使光学窗口的温度尽可能保持稳定，减小光学窗口受外界环境温度影响而产生的温度变化；另一方面，可通过柔性机构实现对光学窗口的温度补偿，降低温度变化对窗口面形的影响，因而具有较强的温度自适应能力。本发明的技术方案，也可为航空、航天领域和其它温度环境变化较大条件下的光电检测和光电侦察用光学窗口的设计和开发提供借鉴。
综上所述，本发明所涉及的具有温度自适应功能的光学窗口，作为变温环境下光电成像系统像质检测装置的组成部分，兼具被动温度补偿和主动温度控制的功能于一体。在主动温度控制方面，基于嵌入式传感器技术、自动控制技术，能够实现对窗口玻璃温度的实时监测与控制，减小窗口玻璃受外界环境影响的温度变化；除此之外，该光学窗口采用柔性机构作为温度补偿装置，能够有效控制温度变化对窗口玻璃面形的影响。由此可见，这种具有温度自适应功能的光学窗口能够在温度变化范围较大的光学检测环境下保持良好的面形，提高光学检测的精度。
附图说明
图1为本发明一种具有温度自适应功能的光学窗口的主视图。
图2为本发明一种具有温度自适应功能的光学窗口的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1-2所示，一种具有温度自适应功能的光学窗口，其主要包括基础法兰1、三个柔性结构2、窗口玻璃3、密封盖4、大密封圈5、小密封圈6、六个温度传感器7、六个导热片8、三个电加热片9、三个制冷片10和温控单元11。
基础法兰1的内环端面沿圆周均匀布置固定三个柔性机构2；每个柔性机构2分别通过两个小螺钉和两个定位销与基础法兰1连接固定。窗口玻璃3是面形加工精度较高的光学平板玻璃，是光学检测光路的组成部分之一，窗口玻璃3的边缘固定在基础法兰1的内环上，径向与沿圆周布置的三个柔性机构2相切安装。柔性机构2起温度补偿作用，通过柔性连接降低温度变化导致的窗口玻璃3的面形变化；密封盖4与基础法兰1外环通过螺栓连接，起固定、安装和密封作用；密封盖4内侧设有两个同心的环形密封槽，大密封圈5和小密封圈6分别放置在两个密封槽内，起密封和固定作用。
在密封盖4上沿圆周均匀设置六个温度传感器7且温度传感器7与光学玻璃3接触，用于测量光学玻璃3的温度，为温度控制提供数据。在光学玻璃3的径向端面上，每隔60°均匀地胶连六个导热片8，用作电加热片9和制冷片10与光学玻璃3之间的温度缓冲和导热；在每个导热片8上均通过胶连的方式交互布置固定相应大小的电加热片9和制冷片10，即沿窗口玻璃3的圆周方向，共布置三个电加热片9和三个制冷片10。温控单元11主要包括用于实现数据采集和温度控制的单片机，其数据采集接口连接六个温度传感器7，控制接口连接三个电加热片9和三个制冷片10，传感器7采集的温度信号经温控单元11进行处理后发出控制指令，驱动电加热片9和制冷片10加热或制冷。
单个温度传感器7布点位置应在与其位置最近的电加热片9或制冷片10与窗口玻璃3圆心构成的扇形区域的中轴线上。
在窗口玻璃的径向上，电加热片9或制冷片10一端与导热片8胶连，另一端与基础法兰1留有一定空隙，避免由于接触对窗口玻璃3产生应力。
本发明中，温度传感器7选择PT100温度传感器；胶连固定所采用的胶选用具有良好传热性能的导热硅脂；导热片8选用的材料是导热率较高的金属铜；窗口玻璃3的材料选择依据光学检测所需的工作谱段选择；其他光机结构件选用与窗口玻璃热膨胀系数相近的殷钢材料。
一种具有温度自适应功能的光学窗口，实现主动温度控制的途径是：温度传感器7实时采集窗口玻璃3的温度信息，温控单元11读数据温度传感器7的数据，驱动相应位置的电加热片9或制冷片10加热或制冷，使窗口玻璃3的实际温度保持稳定，减小光学玻璃受外界环境影响的温度变化。
Claims (1)
1.一种具有温度自适应功能的光学窗口，其特征是，其主要包括基础法兰（1）、三个柔性机构（2）、窗口玻璃（3）、密封盖（4）、大密封圈（5）、小密封圈（6）、六个温度传感器（7）、六个导热片（8）、三个电加热片（9）、三个制冷片（10）和温控单元（11）；
基础法兰（1）的内环端面沿圆周均匀布置固定三个柔性机构（2）；
窗口玻璃（3）的边缘固定在基础法兰（1）的内环上，径向与沿圆周布置的三个柔性机构（2）相切安装；
密封盖（4）与基础法兰（1）外环通过螺栓连接；密封盖（4）内侧设有两个同心的环形密封槽，大密封圈（5）和小密封圈（6） 分别放置在两个密封槽内；
在密封盖（4）上沿圆周均匀设置六个温度传感器（7），且温度传感器（7）与窗口玻璃（3）接触，用于测量窗口玻璃（3）的温度；在窗口玻璃（3）的径向端面上，每隔60°均匀地胶连六个导热片（8），三个电加热片（9）和三个制冷片（10）交替设置在相邻的导热片（8）上；
温控单元（11）主要包括单片机，其数据采集接口连接六个温度传感器（7），其控制接口连接三个电加热片（9）和三个制冷片（10），温度传感器（7）采集的温度信号经单片机进行处理后发出控制指令，驱动电加热片（9）和制冷片（10）加热或制冷；
窗口玻璃（3）是光学平板玻璃；
单个温度传感器（7）布点位置应在与其位置最近的电加热片（9）或制冷片（10）与窗口玻璃（3）圆心构成的扇形区域的中轴线上；
在窗口玻璃（3）的径向上，电加热片（9）或制冷片（10）一端与导热片（8）胶连，另一端与基础法兰（1）留有空隙，避免由于接触对窗口玻璃（3）产生应力。
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