CN110196476B - 一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，解决现有红外光学系统在低温环境工作时，光学元件易产生变形和位置偏移，甚至使光学元件发生破裂，影响光学系统成像质量的技术问题。该支撑结构包括环形镜座和至少三个柔性挠片；所述环形镜座内表面沿圆周方向均匀开设有至少三个用于安装柔性挠片的凹槽；所述柔性挠片的一个表面与所述凹槽槽底之间存在间隙，其另一个表面与透镜外表面相适配，该支撑结构能够适应常温到低温100K的温差变化，并能实现不同透镜之间的位置精度。
Description
技术领域
本发明属于光学元件柔性支撑设计技术、装调和检测技术，具体涉及一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构。
背景技术
随着红外技术的高速发展，红外光学系统观测精度要求越来越高，系统内部光机元件(光学元件)的热背景辐射噪声对红外光学系统的探测精度影响较大。为了提高探测精度，需要对光学全系统进行制冷，以消除或减小热背景辐射噪声对探测精度的影响。由于系统内部光机元件均是在常温下装调而在低温下工作，装调温度和工作温度的大温差变化，给红外光学系统的光机结构设计带来了难度。首先，设计要保证光机元件在结构支撑件内的安装定位精确，又要保证在低温环境下不会因为热应力或形变导致镜片的破坏或安装精度的变化等问题；其次，设计需要能够解决光机元件在冷却过程中的精确定位和无应力之间的矛盾，保证光学系统的安全,同时保证光学系统的成像质量。
对于采用冷光学技术的红外系统，其光学元件支撑及探测器的使用面临着由于温度变化所带来一系列问题。光机元件及支撑结构的加工、装调是在常温下进行，而光学元件及支撑结构的实际工作环境却是在低温环境，温度变化达到了将近200K。通常而言，材料的性能参数，如CTE(热线胀系数)、比热容、折射率等因材料的不同而不同，而且这些性能参数在制冷过程中呈非线性变化。几何形状变化的差异主要归因于材料的CTE不同，工作温度和室温之间约200K的温差将造成杜瓦内所有制冷组件发生不同程度的形变和移位，引起光学元件的变形、位置偏移，甚至使光学元件发生破裂。而光学变化差异不仅受光学元件光学表面几何形状变化差异和光学元件位置变化的影响，还受光学材料折射率变化的影响。因此，低温红外系统对光机结构设计提出了更高的要求。
对于高质量的红外光学系统，光学元件安装在结构基座上后，相互之间的轴向空气间隔、倾斜误差以及偏心误差都有较高的要求。在冲击、振动等力学环境以及高低温变化等热学环境变化条件下，必须保持精度要求。在力热环境条件下位置变化后，也必须保证变化是可以恢复的。
对于光学元件来说，既要满足光学设计的误差要求，又要满足在冷却过程中的应力和变形情况，如果按照传统的安装方式使用带螺纹的压环进行固定，不同材料的热涨系数的不同，引起光学元件的变形、位置偏移，甚至使光学元件发生破裂，影响光学系统的成像质量。
发明内容
本发明的目的是解决现有红外光学系统在低温环境工作时，光学元件易产生变形和位置偏移，甚至使光学元件发生破裂，影响光学系统成像质量的问题，提供了一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，能够适应常温到低温的温差变化，并能实现不同透镜之间的位置精度。
本发明的技术方案是：
一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特殊之处在于：包括环形镜座和至少三个柔性挠片；所述环形镜座内表面沿圆周方向均匀开设有至少三个用于安装柔性挠片的凹槽；所述柔性挠片的一个表面与所述凹槽槽底之间存在间隙，其另一个表面与透镜外表面相适配。
进一步地，所述环形镜座上位于相邻柔性挠片之间的位置设有挠性安装通孔结构，所述挠性安装通孔结构包括安装通孔和对称设置在安装通孔两侧的两个通槽；所述安装通孔的轴线与透镜的轴线平行；每个所述通槽包括两个直线槽和设置在两个直线槽之间的弧形槽，所述弧形槽与安装通孔同轴设置且与直线槽连通。
进一步地，所述柔性挠片与透镜为间隙配合，柔性挠片与透镜配合的面为内凹曲面，柔性挠片与透镜的间隙填充有粘接剂。
进一步地，为了方便在柔性挠片和透镜之间填充有粘接剂，所述柔性挠片上开有第一注胶通孔；所述环形镜座上柔性挠片位置处开有与第一注胶通孔同轴的第二注胶通孔。
进一步地，所述柔性挠片的两端均设有两个第一连接凸台，其中一个第一连接凸台上开设有上下贯通的第一通孔，另一个第一连接凸台上开设有上下贯通的螺纹孔，两个第一连接凸台之间形成缺口；所述凹槽的槽壁上设有与所述缺口相配合的第二连接凸台，所述第二连接凸台上开设有上下贯通的第二通孔；
螺钉依次穿过第一通孔、第二通孔和螺纹孔，将柔性挠片安装在环形镜座的凹槽内。
进一步地，所述粘接剂为低温粘接胶DW-3。
进一步地，所述环形镜座上第二注胶通孔处开有减重孔。
进一步地，所述柔性挠片的材料为钛合金TC4，环形镜座的材料为硬铝合金。
进一步地，透镜的直径为130mm，所述柔性挠片数量为九个，挠性安装通孔结构为均布的三个。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明的透镜(光学镜片)通过柔性挠片固定在环形镜座内，通过柔性挠片的变形弯曲为透镜提供能够控制的相对运动，能够适应常温到低温的温差变化，避免透镜产生变形和应力集中，保证光学系统的成像质量，并能实现不同透镜之间的位置精度。
2、本发明在环形镜座上设有挠性安装通孔结构，可作为二次消应力弹性结构，保证透镜的温度适应能力。
3、本发明柔性挠片与透镜为间隙配合，间隙填充有粘接剂，将透镜固定在环形镜座内，在温度变化造成压力或张力时，能够保证在温度变化时，透镜和镜座的温度变形由于膨胀系数不同产生的不匹配会由柔性挠片弹性变形补偿，不会对透镜产生外力的挤压以及应力集中而影响透镜的面形。
4、本发明为了方便柔性挠片与透镜之间填充粘接剂，在柔性挠片上开有第一注胶通孔，环形镜座上开有第二注胶通孔，粘接剂流经第二注胶通孔和第一注胶通孔后，将透镜固定在环形镜座内的柔性挠片上。
5、本发明柔性挠片设计为中间厚、两侧薄壁结构，中间厚壁位置为胶粘区域，其面积决定了胶粘强度，两侧薄壁结构用于弹性变形，补偿镜座和透镜温度变化时变形的不同步，消除透镜应力。
6、本发明通过第一连接凸台和第二连接凸台的配合，以及螺钉将柔性挠片和环形镜座连接，连接方式简单。
7、本发明的粘接剂为低温粘接胶DW-3，粘接效果好。
8、本发明在环形镜座上开有减重孔，使得支撑结构的重量减少，安装方便。
附图说明
图1为本发明支撑结构的结构示意图；
图2为透镜安装在本发明支撑结构上的示意图；
图3为图2的局部放大图；
图4为图2的剖视图；
图5为本发明支撑结构中柔性挠片的结构示意图；
图6为本发明支撑结构中柔性挠片一个方向的结构示意图；
图7为图6的俯视图；
图8为本发明支撑结构的挠性安装通孔结构处局部放大图。
其中，附图标记如下：
1-环形镜座，11-第二注胶通孔，12-凹槽，13-减重孔，2-透镜，3-柔性挠片，31-矩形凸台，32-第一注胶通孔，33-第一连接凸台，34-第一通孔，35-螺钉，36-螺纹孔，4-挠性安装通孔结构，41-安装通孔，42-通槽，5-直线槽，6-弧形槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本专利针对应用于低温100K下的红外透镜，进行了弹性的结构支撑安装设计，能够适应常温到低温的温差变化，并能实现不同透镜之间的位置精度。
如图1至图8所示，一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，包括环形镜座1和至少三个柔性挠片3；环形镜座1内表面沿圆周方向均匀开设有至少三个用于安装柔性挠片3的凹槽12；柔性挠片3的一个表面与凹槽12槽底之间存在间隙，其另一个表面与透镜2外表面相适配。利用柔性挠片3作为挠性支撑构件、环形镜座1作为主支撑座，对透镜2进行安装，柔性挠片3设计上保证透镜2在光轴方向上有一定的平移自由度，以减小温度应力。因此，结构设计上，对于低温光学而言，将透镜2固定到对称分布的挠性件(柔性挠片)上，挠性件并不同于普通的弹簧构件，而是通过弯曲为透镜2提供能够控制的相对运动的弹性元件，材料选用钛合金。
本实施例中安装的透镜2光学口径为130mm，材料为硅，对于该透镜2，设计中采用柔性镜框设计技术，光学镜片(透镜2)通过9个柔性挠片3利用粘接剂对光学镜片进行固定，9个柔性挠片3和透镜2整体安装在弹性镜框中。
每个柔性挠片3的两端均设有两个第一连接凸台33，其中第一连接凸台33上开设有上下贯通的第一通孔34，另一个第一连接凸台33上开设有上下贯通的螺纹孔36，两个第一连接凸台33之间形成缺口；凹槽12的槽壁上设有与所述缺口相配合的第二连接凸台，所述第二连接凸台上开设有上下贯通的第二通孔；螺钉35依次穿过第一通孔34、第二通孔和螺纹孔36，将柔性挠片3和环形镜座1连接，即将柔性挠片3固定在环形镜座1的凹槽内，连接螺钉采用钛合金标准件，螺钉与螺纹孔36配合的位置(每个连接点位置)设有球形垫圈以及铝合金材料的热补偿垫圈，保证柔性挠片和环形镜座安装后对温度变化的适应能力，减小热应力的产生。
环形镜座上位于相邻柔性挠片3之间的位置设有安装接口结构4，安装接口结构4包括安装通孔41和对称设置在安装通孔41两侧的两个通槽42，安装通孔41的轴线与透镜2的轴线平行，每个通槽42包括两个直线槽5和设置在两个直线槽5之间弧形槽6，弧形槽6与安装通孔41同轴设置且与直线槽5连通，作为二次消应力弹性体，保证透镜2的温度适应能力，安装的透镜2光学口径为130mm，选用9个柔性挠片3时，在环形镜座1上设有三个均布的安装接口结构4。
本实施例的透镜2和柔性挠片3之间为间隙配合，柔性挠片3与透镜2配合的面为内凹曲面，透镜2和柔性挠片3之间的固定采用胶粘的方式，为了方便胶粘，在柔性挠片3上开有第一注胶通孔32，环形镜座1上柔性挠片3位置处开有与第一注胶通孔32同轴的第二注胶通孔11，柔性挠片3与透镜2外表面之间的间隙为0.08～0.15mm，采用9点粘接，粘接面积为100mm2，粘接剂采用低温粘接胶DW-3。粘接固定时，光学表面相对于机械加工面对准，可以使整个透镜2在环形镜座1内对准，在粘接胶固化之前确定光学零件和结构件同轴，并保证每个柔性挠片3和透镜2外表面之间的间隙优选为0.1mm，保证整个胶固化过程中始终保持同轴，使用外部工装，将透镜2固定，使用注射器通过环形镜座1上沿径向排列的9个第二注胶通孔11、柔性挠片3上的第一孔注胶通孔41注入粘接剂，直到透镜2和柔性挠片3内表面之间的缝隙(0.1mm)填满为止。在粘接胶固化后，移去辅助工装。胶层厚度是设计确定的，因此，透镜2在径向上是消热的，能够保证在温度变化时，不会由于透镜2、环形镜座1、粘接胶等具有不同的热膨胀系数而在光机元件内形成应力。
胶层的轴向长度一般等于透镜2的边缘厚度。轴向的设计是不消热的，当温度变化时，同样标准长度的环形镜座1、胶层和透镜2将以不同的速率变化，变化速率与有效热膨胀系数成正比，因此胶层就会产生一定量的切应力。在冲击和振动载荷作用下，胶层具有弹性，当加速度消失后，可以将透镜2恢复到初始未受力时的位置和方向。
本实施例中柔性挠片3的表面与透镜匹配，为了加工方便，柔性挠片3的内表面和外表面中部均设有平行于透镜2轴线的矩形凸台31，内表面上的矩形凸台31的表面设计为内凹曲面，其曲率半径与透镜2半径相等。
本实施例中柔性挠片设计为中间厚、两侧薄壁结构，中间厚壁位置为胶粘区域，其面积决定了胶粘强度，两侧薄壁结构用于弹性变形，补偿镜座和透镜温度变化时变形的不同步，消除透镜应力。
为了减轻支撑结构的重量，在环形镜座1上第二注胶通孔11处开有减重孔13；柔性挠片3为弹性体，具体采用钛合金TC4材料，环形镜座1的材料为硬铝合金。
柔性挠片3单独用螺钉紧固件固定到环形镜座1上，柔性挠片3与透镜2完成粘接后，通过钛合金螺钉将安装有透镜的支撑结构与外镜筒进行固定安装，钛合金螺钉穿设在环形镜座1安装接口结构4的安装通孔41处。柔性挠片3是单独的零件，可以选择适合的材料进行加工，本发明中采用高屈服应力的钛合金材料，利用线切割方式加工出挠性形状，而环形镜座1采用硬铝合金。在透镜2边缘相连接的柔性挠片3内表面设计成凹面圆柱面，整个胶合面胶层厚度是均匀的，能够提供较大的粘接强度。粘接完成后，为了保证柔性挠片3相对于环形镜座1不会移动，设计中采用了螺钉紧固的方式将柔性挠片3固定在铝制基座上。
Claims (8)
1.一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特征在于：包括环形镜座(1)和至少三个柔性挠片(3)；
所述环形镜座(1)内表面沿圆周方向均匀开设有至少三个用于安装柔性挠片(3)的凹槽(12)；所述柔性挠片(3)的一个表面与所述凹槽(12)槽底之间存在间隙，其另一个表面与透镜(2)外表面相适配；
所述柔性挠片(3)的两端均设有两个第一连接凸台(33)，其中一个第一连接凸台(33)上开设有上下贯通的第一通孔(34)，另一个第一连接凸台(33)上开设有上下贯通的螺纹孔(36)，两个第一连接凸台(33)之间形成缺口；
所述凹槽(12)的槽壁上设有与所述缺口相配合的第二连接凸台，所述第二连接凸台上开设有上下贯通的第二通孔；
螺钉(35)依次穿过第一通孔(34)、第二通孔和螺纹孔(36)，将柔性挠片(3)安装在环形镜座(1)的凹槽内。
2.根据权利要求1所述的一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特征在于：
所述环形镜座(1)上位于相邻柔性挠片(3)之间的位置设有挠性安装通孔结构(4)，所述挠性安装通孔结构(4)包括安装通孔(41)和对称设置在安装通孔(41)两侧的两个通槽(42)；
所述安装通孔(41)的轴线与透镜(2)的轴线平行；
每个所述通槽(42)包括两个直线槽(5)和设置在两个直线槽(5)之间的弧形槽(6)，所述弧形槽(6)与安装通孔(41)同轴设置且与直线槽(5)连通。
3.根据权利要求2所述的一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特征在于：
所述柔性挠片(3)与透镜(2)为间隙配合，柔性挠片(3)与透镜(2)配合的面为内凹曲面，柔性挠片(3)与透镜(2)的间隙填充有粘接剂。
4.根据权利要求3所述的一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特征在于：所述柔性挠片(3)上开有第一注胶通孔(32)；
所述环形镜座(1)上柔性挠片(3)位置处开有与第一注胶通孔(32)同轴的第二注胶通孔(11)。
5.根据权利要求4所述的一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特征在于：
所述粘接剂为低温粘接胶DW-3。
6.根据权利要求5所述的一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特征在于：
所述环形镜座(1)上第二注胶通孔(11)处开有减重孔(13)。
7.根据权利要求6所述的一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特征在于：
所述柔性挠片(3)的材料为钛合金TC4，环形镜座(1)的材料为硬铝合金。
8.根据权利要求7所述的一种中/长波大口径红外透镜挠性支撑结构，其特征在于：
透镜(2)的直径为130mm，所述柔性挠片(3)数量为九个，挠性安装通孔结构(4)为均布的三个。
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