CN110286558A - 一种塔式布局高速成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔式布局高速成像系统，解决现有高速成像系统散热装置体积大、散热效率低以及在大量级冲击和随机振动工况中难以保证支撑系统结构可靠性的问题。该成像系统包括光学成像镜头、电子学成像组件、上箱盖和下箱体；电子学成像组件中，镜头安装座、成像电路板和电源板由上至下依次设置，探测器固定设置在成像电路板的上端面，柔性电路板的一端与成像电路板连接，另一端与电源板连接；上箱盖包括外筒体和上盖板，上盖板固定设置在下箱体的上方；电子学成像组件设置在下箱体内，光学成像镜头穿过外筒体固定在镜头安装座上；下箱体内设置有多根件支柱，支柱沿轴向设置有多个台阶，成像电路板和电源板分别通过不同台阶安装定位。

Description

一种塔式布局高速成像系统

技术领域

本发明涉及成像系统，具体涉及一种塔式布局高速成像系统，能够实现对高速运动目标的探测成像，可搭载应用于各类高速运动、有大量级冲击和随机振动工况的飞行平台。

背景技术

高速成像系统搭载于各类飞行平台时，其轻量化是设计准则之一；同时，在有大量级冲击和随机振动工况力学环境中，还需保证支撑系统的结构可靠性。由于高速成像系统需对高速运动目标实现快速探测成像，其内部的电子学系统会持续高速高功率工作，导致给整个系统供电的成像电源板热功耗增大，从而使得成像电源板传递给探测器的热量增大，导致探测器受热后出现热损，降低其使用寿命和成像质量。现有的高速成像系统大多通过制冷机实现对探测器降温，但采用制冷机会增加高速成像系统的质量和体积，不利于搭载于飞行平台；还有部分高速成像系统采用半导体制冷片帕尔贴实现探测器降温的，但是此种降温方式效率较低，难以快速降温。

发明内容

本发明的目的是解决现有高速成像系统散热装置体积大、散热效率低以及在大量级冲击、随机振动工况中难以保证支撑系统结构可靠性的问题，提供一种塔式布局高速成像系统，该系统通过热阻结构的设计避免成像核心器件热损，并通过塔式布局提高其稳定性，使其可搭载应用于各类高速运动、有大量级冲击和随机振动工况的飞行平台。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种塔式布局高速成像系统，包括光学成像镜头、电子学成像组件、上箱盖和下箱体；所述光学成像镜头包括镜头外框、以及依次设置在镜头外框内的第一物镜、第二物镜、第三物镜、第四物镜、第五物镜、第六物镜、第七物镜、第八物镜和第九物镜；所述第一物镜为凸透镜、第二物镜为凸透镜、第三物镜为凸透镜、第四物镜为凹凸透镜、第五物镜为凸透镜、第六物镜为双凹透镜、第七物镜为凸透镜、第八物镜为双凹透镜、第九物镜为双凸透镜；所述电子学成像组件包括镜头安装座、探测器、成像电路板、柔性电路板和电源板；所述镜头安装座、成像电路板和电源板由上至下依次设置，所述探测器固定设置在成像电路板的上端面，所述柔性电路板的一端与成像电路板连接，另一端与电源板连接；所述上箱盖包括外筒体和上盖板，所述外筒体固定设置在上盖板的上端；所述上盖板设置在下箱体的上方，且与下箱体固定连接；所述电子学成像组件设置在下箱体内，所述光学成像镜头穿过上箱盖的外筒体固定在电子学成像组件的镜头安装座上；所述下箱体内设置有多根件支柱，所述支柱沿轴向设置有多个台阶，所述成像电路板和电源板分别通过不同台阶安装定位，使得成像电路板和电源板存在间隙。

进一步地，所述外筒体的上端沿周向设置有定位凸起，所述镜头安装座的上端设置有与定位凸起配合的定位缺口，所述定位凸起和定位缺口用于实现外筒体和镜头安装座的周向定位。

进一步地，所述下箱体上设置有多个减重孔，所述镜头外框和镜头安装座的材料均采用镁铝合金。

进一步地，所述镜头外框上设置有若干个透气孔，用于排出镜头外框内的空气。

进一步地，所述下箱体内设置有下沉槽，用于安装定位电源板。

进一步地，所述下箱体内设置有四根支柱。

进一步地，所述镜头外框内腔顶端设置有环形凸台，所述第一物镜位于环形凸台的上方，且与镜头外框固定设置，所述第二物镜位于环形凸台的下方，且通过第二隔圈和第一压圈固定，所述第三物镜通过第四隔圈、第二压圈固定；所述第四物镜通过第六隔圈、第三压圈固定。

进一步地，所述第五物镜通过第八隔圈和第四压圈固定；所述第六物镜通过第十隔圈和第五压圈固定；所述第七物镜通过第十二隔圈和第六压圈固定；所述第八物镜通过第十四隔圈和第七压圈固定，所述第九物镜通过第十六隔圈和第八压圈固定，所述第十六隔圈通过设置在镜头外框末端的第九压圈压紧在镜头外框内，所述第九压圈与镜头外框螺纹固定连接。

进一步地，所述环形凸台下表面与第二隔圈之间设置有第一隔圈，所述第二隔圈和第四隔圈之间设置有第三隔圈，所述第四隔圈和第六隔圈之间设置有第五隔圈，所述第六隔圈和第八隔圈之间设置有第七隔圈，所述第八隔圈和第十隔圈之间设置有第九隔圈，所述第十隔圈和第十二隔圈之间设置有第十一隔圈，所述第十二隔圈和第十四隔圈之间设置有第十三隔圈，所述第十四隔圈和第十六隔圈之间设置有第十五隔圈。

进一步地，所述第一物镜通过胶粘与镜头外框固定。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明高速成像系统通过下箱体的多个支柱将电源板和探测器隔开布局，实现差异热阻设计，减少了大功率电源板热量的传导，降低了探测器的热损。

2.本发明高速成像系统整体结构采用塔式布局，增加了系统结构的稳定性。电源板和成像电路板之间采用柔性电路板连接，探测器、成像电路板、柔性电路板和电源板组成焦面组件，实现对运动目标的成像，整个焦面组件采用嵌入式支柱连接，节约空间，降低高速成像系统尺寸。此外，光学镜头结构件和镜头安装座均采用低密度新材料镁铝合金，实现高速成像系统高减重比设计，便于安装于各类飞行平台。

附图说明

图1为本发明塔式布局高速成像系统的三维示意图；

图2为本发明塔式布局高速成像系统的爆炸结构图(省略光学成像镜头)；

图3为本发明系统中电子学成像组件的爆炸结构图；

图4为本发明系统中光学成像镜头的结构示意图；

图5为本发明塔式布局高速成像系统剖视图。

附图标记：1-光学成像镜头，2-电子学成像组件，3-上箱盖，4-下箱体，11-第一物镜，12-第二物镜，13-第三物镜，14-第四物镜，15-第五物镜，16-第六物镜，17-第七物镜，18-第八物镜，19-第九物镜，21-镜头安装座，22-探测器，23-成像电路板，24-柔性电路板，25-电源板，211-内螺纹，212-第一孔，213-下端螺纹孔，251-第二孔，252-第三孔，31-外筒体，32-上盖板，311-定位凸起，214-定位缺口，41-上沉槽，42-支柱，43-下沉槽，44-减重孔，50-镜头外框，51-第一隔圈，52-第三隔圈，53-第五隔圈，54-第七隔圈，55-第五压圈，56-第九隔圈，57-第十一隔圈，58-第六压圈，59-第十三隔圈，501-透气孔，60-第十五隔圈，61-第二隔圈，62-第一压圈，63-第四隔圈，64-第二压圈，65-第三压圈，66-第六隔圈，67-第四压圈，68-第八隔圈，69-第十隔圈，70-第十二隔圈，71-第七压圈，72-第十四隔圈，73-第十六隔圈，74-第八压圈，75-第九压圈。

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。

如图1和图2所示，本发明提供一种塔式布局高速成像系统，包括光学成像镜头1、电子学成像组件2、上箱盖3和下箱体4；光学成像镜头1、上箱盖3、电子学成像组件2和下箱体4由上至下依次设置，形成塔式布局，此种结构增加了系统结构的稳定性，使其可搭载应用于各类高速运动、有大量级冲击和随机振动工况的飞行平台。

如图3所示，电子学成像组件2包括镜头安装座21、探测器22、成像电路板23、柔性电路板24(FPC)和电源板25；镜头安装座21、成像电路板23和电源板25由上至下依次设置，探测器22通过焊接固定于成像电路板23上表面，柔性电路板24的一端与成像电路板23连接，另一端与电源板25连接。

上箱盖3包括外筒体31和上盖板32，外筒体31固定设置在上盖板32的上端；上盖板32设置在下箱体4的上方，且与下箱体4固定连接，具体的，上箱盖3通过螺钉安装在一体化下箱体4的上沉槽41内。

如图5所示，电子学成像组件2设置在下箱体4内，光学成像镜头1穿过上箱盖3的外筒体31固定在电子学成像组件2的镜头安装座21上；下箱体4内设置有四根件支柱42，支柱42沿轴向设置有多个台阶，成像电路板23和电源板25分别通过不同台阶安装定位，使得成像电路板23和电源板25存在距离。此外，下箱体4内设置有下沉槽43，也可用于安装定位电源板25。下箱体4内四根支柱42的长度和布局位置需进行热传导分析获得。

外筒体31的上端沿周向设置有定位凸起311，镜头安装座21的上端设置有与定位凸起311配合的定位缺口214，定位凸起311和定位缺口214用于实现外筒体31和镜头安装座21的周向定位。

下箱体4上设置有多个减重孔44，镜头外框50和镜头安装座21的材料均采用镁铝合金，此种设置可实现轻量化，符合高速成像系统搭载于各类飞行平台时，其轻量化的设计准则。

在高速成像系统的装配过程中，成像电路板23与镜头安装座21上的下端螺纹孔213通过八个螺钉连接；电源板25通过其上的第三孔252与下箱体4的下沉槽43连接。一体化下箱体4中的支柱42依次穿过电源板25上的第二孔251和镜头安装座21的第一孔212，将电子学成像组件2固定在一体化下箱体4上。

图4所示为光学成像镜头1的三维结构剖视图，光学镜头的焦距25mm、视场40°，分辨率0.2mrad，整个光学镜头成像的长度为62mm，入光孔径为21mm。光学镜头通过其镜头外框50的外螺纹与镜头安装座21的内螺纹211实现螺纹连接，将光学成像镜头1固定在镜头安装座21上。光学成像镜头1包括第一物镜11、第二物镜12、第三物镜13、第四物镜14、第五物镜15、第六物镜16、第七物镜17、第八物镜18、第九物镜19、镜头外框50、第一压圈62、第二压圈64、第三压圈65、第四压圈67、第五压圈55、第六压圈58、第七压圈71、第八压圈74、第九压圈75、第一隔圈51、第二隔圈61、第三隔圈52、第四隔圈63、第五隔圈53、第六隔圈66、第七隔圈54、第八隔圈68、第九隔圈56、第十隔圈69、第十一隔圈57、第十二隔圈70、第十三隔圈59、第十四隔圈72、第十五隔圈60、第十六隔圈73。第一物镜11是凸透镜、第二物镜12是凸透镜、第三物镜13是凸透镜、第四物镜14是凹凸透镜、第五物镜15是凸透镜、第六物镜16是双凹透镜、第七物镜17是凸透镜、第八物镜18是双凹透镜、第九物镜19是双凸透镜。镜头外框50上布置有若干透气孔501，排出镜头外框50内的空气，便于将各物镜、隔圈和压圈安装在透镜外框内部，随后再通过往透气孔501注胶，将各物镜组件与镜头外框50固定。

镜头外框50内腔顶端设置有环形凸台，第一物镜11位于环形凸台的上方，且与镜头外框50固定设置，第二物镜12位于环形凸台的下方，且通过第二隔圈61和第一压圈62固定，第一物镜11通过胶粘与镜头外框50固定。第二物镜12组件由第二物镜12、第二隔圈61、第一压圈62组成；第二物镜12一端与第二隔圈61台阶固定，另一端面通过第一压圈62固定。第三物镜13组件由第三物镜13、第四隔圈63、第二压圈64组成；第三物镜13一端与第四隔圈63台阶固定，另一端面通过第二压圈64固定。第四物镜14组件由第四物镜14、第六隔圈66、第三压圈65组成；第四物镜14一端与第六隔圈66台阶固定，另一端面通过第三压圈65固定。第五物镜15组件由第五物镜15、第八隔圈68、第四压圈67组成；第五物镜15一端与第八隔圈68台阶固定，另一端面通过第四压圈67固定。第六物镜16组件由第六物镜16、第十隔圈69、第五压圈55组成；；第六物镜16一端与第十隔圈69台阶固定，另一端面通过第五压圈55固定。第七物镜17组件由第七物镜17、第十二隔圈70、第六压圈58组成；第七物镜17一端与第十二隔圈70台阶固定，另一端面通过第六压圈58固定。第八物镜18组件由第八物镜18、第十四隔圈72、第七压圈71组成；第八物镜18一端与第十四隔圈72台阶固定，另一端面通过第七压圈71固定；第九物镜19组件由第九物镜19、十六隔圈、第八压圈74组成；第九物镜19一端与十六隔圈台阶固定，另一端面通过第八压圈74固定。

在光学成像镜头1安装时，按照第一隔圈51、物镜组件二、第三隔圈52、物镜组件三、第五隔圈53、物镜组件四、第七隔圈54、物镜组件五、第九隔圈56、物镜组件六、第十一隔圈57、物镜组件七、第十三隔圈59、物镜组件八、第十五隔圈60、物镜组件九依次将上述零件或组件安装在镜头外框50内，再将第九压圈75与镜头外框50通过螺纹连接，将物镜组件二至物镜组件九进行固定。每个物镜组件间布置有隔圈，通过修切隔圈厚度，保证各物镜间的尺寸要求，从而保证光学系统成像质量。

Claims (10)

1.一种塔式布局高速成像系统，其特征在于：包括光学成像镜头(1)、电子学成像组件(2)、上箱盖(3)和下箱体(4)；

所述光学成像镜头(1)包括镜头外框(50)、以及依次设置在镜头外框(50)内的第一物镜(11)、第二物镜(12)、第三物镜(13)、第四物镜(14)、第五物镜(15)、第六物镜(16)、第七物镜(17)、第八物镜(18)和第九物镜(19)；所述第一物镜(11)为凸透镜、第二物镜(12)为凸透镜、第三物镜(13)为凸透镜、第四物镜(14)为凹凸透镜、第五物镜(15)为凸透镜、第六物镜(16)为双凹透镜、第七物镜(17)为凸透镜、第八物镜(18)为双凹透镜、第九物镜(19)为双凸透镜；

所述电子学成像组件(2)包括镜头安装座(21)、探测器(22)、成像电路板(23)、柔性电路板(24)和电源板(25)；所述镜头安装座(21)、成像电路板(23)和电源板(25)由上至下依次设置，所述探测器(22)固定设置在成像电路板(23)的上端面，所述柔性电路板(24)的一端与成像电路板(23)连接，另一端与电源板(25)连接；

所述上箱盖(3)包括外筒体(31)和上盖板(32)，所述外筒体(31)固定设置在上盖板(32)的上端；所述上盖板(32)设置在下箱体(4)的上方，且与下箱体(4)固定连接；

所述电子学成像组件(2)设置在下箱体(4)内，所述光学成像镜头(1)穿过上箱盖(3)的外筒体(31)固定在电子学成像组件(2)的镜头安装座(21)上；所述下箱体(4)内设置有多根支柱(42)，所述支柱(42)沿轴向设置有多个台阶，所述成像电路板(23)和电源板(25)分别通过不同台阶安装定位，使得成像电路板(23)和电源板(25)存在间隙。

2.根据权利要求1所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述外筒体(31)的上端沿周向设置有定位凸起(311)，所述镜头安装座(21)的上端设置有与定位凸起(311)配合的定位缺口(214)，所述定位凸起(311)和定位缺口(214)用于实现外筒体(31)和镜头安装座(21)的周向定位。

3.根据权利要求2所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述下箱体(4)上设置有多个减重孔(44)，所述镜头外框(50)和镜头安装座(21)的材料均采用镁铝合金。

4.根据权利要求1或2或3所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述镜头外框(50)上设置有若干个透气孔(501)，用于排出镜头外框(50)内的空气。

5.根据权利要求4所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述下箱体(4)内设置有下沉槽(43)，用于安装电源板(25)。

6.根据权利要求5所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述下箱体(4)内设置有四根支柱(42)。

7.根据权利要求6所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述镜头外框(50)内腔顶端设置有环形凸台，所述第一物镜(11)位于环形凸台的上方，且与镜头外框(50)固定设置，所述第二物镜(12)位于环形凸台的下方，且通过第二隔圈(61)和第一压圈(62)固定，所述第三物镜(13)通过第四隔圈(63)、第二压圈(64)固定；所述第四物镜(14)通过第六隔圈(66)、第三压圈(65)固定。

8.根据权利要求7所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述第五物镜(15)通过第八隔圈(68)和第四压圈(67)固定；所述第六物镜(16)通过第十隔圈(69)和第五压圈(55)固定；所述第七物镜(17)通过第十二隔圈(70)和第六压圈(58)固定；所述第八物镜(18)通过第十四隔圈(72)和第七压圈(71)固定，所述第九物镜(19)通过第十六隔圈(73)和第八压圈(74)固定，所述第十六隔圈(73)通过设置在镜头外框(50)末端的第九压圈(75)压紧在镜头外框(50)内，所述第九压圈(75)与镜头外框(50)螺纹固定连接。

9.根据权利要求8所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述环形凸台下表面与第二隔圈(61)之间设置有第一隔圈(51)，所述第二隔圈(61)和第四隔圈(63)之间设置有第三隔圈(52)，所述第四隔圈(63)和第六隔圈(66)之间设置有第五隔圈(53)，所述第六隔圈(66)和第八隔圈(68)之间设置有第七隔圈(54)，所述第八隔圈(68)和第十隔圈(69)之间设置有第九隔圈(56)，所述第十隔圈(69)和第十二隔圈(70)之间设置有第十一隔圈(57)，所述第十二隔圈(70)和第十四隔圈(72)之间设置有第十三隔圈(59)，所述第十四隔圈(72)和第十六隔圈(73)之间设置有第十五隔圈(60)。

10.根据权利要求9所述的塔式布局高速成像系统，其特征在于：所述第一物镜(11)通过胶粘与镜头外框(50)固定。