CN111796419B - 适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统及其设计方法，包括如下步骤：S1：首先计算确定镜筒的材质、长度和内径参数；S2：然后计算确定镜筒内需要安装透镜的材质、数量以及相邻透镜之间的间隔参数；S3：然后根据S2中的参数在S1中的镜筒内设计出每个透镜的安装位置及安装槽；S4：每两个相邻透镜之间均为隔圈安装位置，针对每个隔圈安装位置设计相对应的隔圈，在温度发生变化时，在轴向上隔圈的形变与其相邻两个透镜总形变成互补配合；还公开了一种利用如上设计方法制作的适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统，解决了在‑40℃到60℃环境下光学系统热变形导致结构损坏影响成像质量的问题。
Description
技术领域
本发明属于光学机械部件技术领域，特别设计一种适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统及其设计方法。
背景技术
现阶段光学系统设计中对温度敏感性和温度范围的要求越来越高，在设计阶段一般使用光学被动式无热化的方法保证结构成像质量和机械结构热变形后不干涉，但在实际设计中为满足某些设计指标必须使用多透镜隔圈叠加的结构形式，这种结构在温差变化较大的工作环境中单靠光学系统无热化很难满足机械部分的热稳定性，从而导致光学系统出现结构热变形损坏严重影响成像质量的问题。
现有类似光学结构一般使用光学无热化设计或电动移焦机构移动焦面位置保证成像质量，光学无热化设计通过光学设计使系统对温度变化不敏感，但设计难度较大适用性差。电动移焦机构会极大增加结构复杂程度，不适用于尺寸较小的机构。
发明内容
本发明目的在于提出了一种适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统用以解决在-40℃到60℃环境下光学系统出现结构热变形损坏严重影响成像质量的问题；为达到上述目的所采取的技术方案是：
一种适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统的设计方法，包括如下步骤：
S1：首先计算确定镜筒的材质、长度和内径参数；
S2：然后计算确定镜筒内需要安装透镜的材质、数量以及相邻透镜之间的间隔参数，同时确定每个透镜的曲率半径、有用焦距、前后焦距参数；
S3：然后根据S2中的参数在S1中的镜筒内设计出每个透镜的安装位置及安装槽；
S4：每两个相邻透镜之间均为隔圈安装位置，针对每个隔圈安装位置设计相对应的隔圈，在温度发生变化时，在轴向上隔圈的形变与其相邻两个透镜总形变成互补配合。
优选的，在S4中，隔圈的设计是根据每个隔圈安装位置的轴向热变形许用范围，采用与之热变形相互补的材质来制作该位置的隔圈；
优选的，利用隔圈安装位置相邻的两个透镜的形状、热膨胀系数来计算该位置处轴向热变形许用范围。
优选的，当隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换材质制作隔圈仍不能够满足要求时，采用异形隔圈。
优选的，所述异形隔圈包括圈本体，在圈本体外表面绕周向开设有应力环槽或者多个应力弧形槽节。
优选的，根据隔圈安装位置的轴向热变形许用范围和隔圈所采用材质的热膨胀系数确定应力环槽或者的应力弧形槽节的宽度和深度。
优选的，包括镜筒，在镜筒内自前端至尾端依次同轴安装有多个透镜，多个透镜的曲率半径、有用焦距、前后焦距、制作材质不完全相同，在镜筒尾端同轴安装有星点板和光源，在相邻两个透镜之间安装有隔圈，在最尾端的透镜与星点板之间也安装有所述隔圈。
优选的，在隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换隔圈的材质制作仍不能够满足要求时，采用异形隔圈。
优选的，所述异形隔圈包括圈本体，在圈本体外表面绕周向开设有应力环槽或者多个应力弧形槽节。
本发明所具有的有益效果为：通过分析各透镜变形情况计算出为各个隔圈分配的变形范围，调整隔圈材料和结构使其满足整体轴向变形范围，解决了在-40℃到60℃环境下光学系统热变形导致结构损坏影响成像质量的问题。
当隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换材质制作隔圈仍不能够满足要求时，采用异形隔圈，在异形隔圈上设有应力环槽或者多个应力弧形槽节，并且通过改变应力环槽或者应力弧形槽节的宽度深度，进一步保证了保证整体结构成像质量和机械结构热变形后不干涉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为异形隔圈的结构示意图之一；
图3为异形隔圈的结构示意图之二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，一种适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统的设计方法，包括如下步骤：
S1：首先计算确定镜筒1的材质、长度和内径参数；
S2：然后计算确定镜筒1内需要安装透镜的材质、数量以及相邻透镜之间的间隔参数，同时确定每个透镜的曲率半径、有用焦距、前后焦距参数；
本实施例中的透镜为第一透镜10、第二透镜11、第三透镜12、第四透镜13、第五透镜14、第六透镜15、第七透镜16；
S3：然后根据S2中的参数在S1中的镜筒1内设计出每个透镜的安装位置及安装槽；
S4：每两个相邻透镜之间均为隔圈安装位置，针对每个隔圈安装位置设计相对应的隔圈，在温度发生变化时，在轴向上隔圈的形变与其相邻两个透镜总形变成互补配合；
本实施例中的隔圈为第一隔圈2、第二隔圈3、第三隔圈4、第四隔圈5、第五隔圈6、第六隔圈7、第七隔圈8。
在S4中，隔圈的设计是根据每个隔圈安装位置的轴向热变形许用范围，采用与之热变形相互补的材质来制作该位置的隔圈；利用隔圈安装位置相邻的两个透镜的形状、热膨胀系数来计算该位置处轴向热变形许用范围。
当隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换材质制作隔圈仍不能够满足要求时，采用异形隔圈。
如图2所示，所述异形隔圈包括圈本体18，在圈本体18外表面绕周向开设有应力环槽19或者多个应力弧形槽节20；根据隔圈安装位置的轴向热变形许用范围和隔圈所采用材质的热膨胀系数确定应力环槽19或者的应力弧形槽节20的宽度和深度。
如图1至图3所示， 利用上述设计方法制作的适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统，包括镜筒1，在镜筒1内自前端至尾端依次同轴安装有多个透镜，多个透镜的曲率半径、有用焦距、前后焦距、制作材质不完全相同，在镜筒1尾端同轴安装有星点板17和光源，在相邻两个透镜之间安装有隔圈，在最尾端的第七透镜16与星点板17之间也安装有第七隔圈8，在星点板17尾端安装有压圈9。
在隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换隔圈的材质制作仍不能够满足要求时，采用异形隔圈；所述异形隔圈包括圈本体18，在圈本体外18表面绕周向开设有应力环槽19或者多个应力弧形槽节20从而适应不同隔圈安装位置处的热变形。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：首先计算确定镜筒的材质、长度和内径参数；
S2：然后计算确定镜筒内需要安装透镜的材质、数量以及相邻透镜之间的间隔参数，同时确定每个透镜的曲率半径、有用焦距、前后焦距参数；
S3：然后根据S2中的参数在S1中的镜筒内设计出每个透镜的安装位置及安装槽；
S4：每两个相邻透镜之间均为隔圈安装位置，针对每个隔圈安装位置设计相对应的隔圈，在温度发生变化时，在轴向上隔圈的形变与其相邻两个透镜总形变成互补配合；
在S4中，隔圈的设计是根据每个隔圈安装位置的轴向热变形许用范围，采用与之热变形相互补的材质来制作该位置的隔圈；
当隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换材质制作隔圈仍不能够满足要求时，采用异形隔圈，
所述异形隔圈包括圈本体，在圈本体外表面绕周向开设有应力环槽或者多个应力弧形槽节。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，利用隔圈安装位置相邻的两个透镜的形状、热膨胀系数来计算该位置处轴向热变形许用范围。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，根据隔圈安装位置的轴向热变形许用范围和隔圈所采用材质的热膨胀系数确定应力环槽或者的应力弧形槽节的宽度和深度。
4.利用如权利要求1至3任一项所述的设计方法制作的适用于大温差环境下的多透镜隔圈光学系统，其特征在于，包括镜筒，在镜筒内自前端至尾端依次同轴安装有多个透镜，多个透镜的曲率半径、有用焦距、前后焦距、制作材质不完全相同，在镜筒尾端同轴安装有星点板和光源，在相邻两个透镜之间安装有隔圈，在最尾端的透镜与星点板之间也安装有所述隔圈。
5.根据权利要求4所述的多透镜隔圈光学系统，其特征在于，在隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换隔圈的材质制作仍不能够满足要求时，采用异形隔圈。
6.根据权利要求5所述的多透镜隔圈光学系统，其特征在于，所述异形隔圈包括圈本体，在圈本体外表面绕周向开设有应力环槽或者多个应力弧形槽节。
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