CN111999840A - 一种具有焦距补偿能力的焦面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有焦距补偿能力的焦面结构，包括：上层安装基板、温度主补偿过渡件、下层安装基板和垫片；其中，成像组件与上层安装基板的上部相连接，上层安装基板和温度主补偿过渡件上表面连接，温度主补偿过渡件下表面和下层安装基板连接，下层安装基板通过垫片与镜头组件相连接。本发明通过该焦面补偿结构不同热膨胀系数匹配引起的焦面位置变化，实现焦距补偿，提高相机设计小型化和可靠性。

Description

一种具有焦距补偿能力的焦面结构

技术领域

本发明属于可见光及红外光学相机的光学系统技术领域，尤其涉及一种具有焦距补偿能力的焦面结构。

背景技术

可见光及红外光学相机的光学系统随温度变化，一般焦距也发生变化。尤其红外光学系统光学材料温度折射率系数和热膨胀系数大，如硅(Si)材料温度折射率系数160×10^-6和热膨胀系数4.2×10^-6，温度变化对焦距变化影响较大，通常光学系统需采用无热化设计或具有机械调焦装置。

如果光学系统复杂、设计难道较大，不能采用无热化设计实现宽温度范围适应性，则需要采用机械调焦装置，调节某一片或一组光学元件、或者调节焦面到镜头后截面的距离补偿焦距的变化，使焦面位置在系统最小焦深内，保证较佳的成像质量。调焦系统需要引入电机、调焦结构、电子学控制等部分，导致系统复杂度增加，可靠性降低，且体积、功耗增加。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对短焦距透射式光学相机温度变化导致系统焦距变化，进而其焦距发生变化导致像质下降，提供了一种具有焦距补偿能力的焦面结构，通过该焦面补偿结构不同热膨胀系数匹配实现焦距补偿，拓展光学相机宽温度范围工作能力，提高相机设计小型化和可靠性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种具有焦距补偿能力的焦面结构，包括：上层安装基板、温度主补偿过渡件、下层安装基板、垫片和镜头组件；其中，成像探测器组件与上层安装基板的上部相连接，上层安装基板和温度主补偿过渡件上表面连接，温度主补偿过渡件下表面和下层安装基板连接，下层安装基板通过垫片与镜头组件的法兰相连接。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述镜头组件的镜头为透射式镜头，所述镜头光轴通过成像探测器的中心。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，镜头组件最后一片光学镜片出光口径Φ_光学，Φ₃为下层安装基板的内圆直径，Φ₂₂为温度主补偿过渡件和下层安装基板连接处内圆直径，Φ₂₁为温度主补偿过渡件和上层安装基板连接处内圆直径，Φ₁为上层安装基板内部方形槽对角线长度，Φ_焦面为成像探测器对角线长度。尺寸约束关系为

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，在温度为T时，镜头的后截距为L，上层安装基板上表面到成像探测器表面距离为l₁，上层安装基板厚度为d₁，温度主补偿过渡件长度为D₂，温度主补偿过渡件沿光轴方向厚度d₂，下层安装基板厚度为d₃，垫片厚度设计值为d₄，精细修磨装调后垫片厚度为d'₄，镜头组件法兰表面到镜头组件最后一片光学镜片顶点距离为l₂。则在温度为T时，L、l₁、d₁、d₂、d₃、d'₄和l₂约束关系为：

L＝l₁+d₁+d₂+d₃+d'₄-l₂

其中，

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述上层安装基板为圆片，圆片的内部开设有方形槽，方形槽的中心与圆片的中心重合。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述温度主补偿过渡件为内外轮廓是圆台型的中空环状柱体。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述下层安装基板为正方体片，正方体片的内部开设有圆形槽，圆形槽的中心与正方体片的中心重合。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述垫片为圆形环状柱体。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，具有焦距补偿能力的材料及厚度参数确定步骤如下：

步骤一：待焦距补偿的镜头温度为T时，镜头组件的后截距为L，选取的需焦距补偿镜头温度范围为T₁≤T≤T₂；每隔1℃取一个离散点，应用离散点集采用最小二乘法拟合出直线：

L'＝kT'+b

其中，T'为拟合后的温度，L'为拟合后的后截距，T₁为稳定范围最小值，T₂为稳定范围最小值，b为系数；

步骤二：按照镜头装调结果获取l₂数值；

步骤三：选取上层安装基板的材料和厚度，上层安装基板的材料热膨胀系数为α₁，上层安装基板的厚度为d₁。按一般设计可选铝、钛等材料，厚度一般选择2mm～5mm；

步骤四：成像探测器组件与上层安装基板的上部相连接后，获取l₁数值；

步骤五：选取垫片的材料和厚度，垫片的材料热膨胀系数为α₄，垫片的设计厚度为d₄。按一般设计可选铝、钛等材料，厚度一般选择1mm～2mm；

步骤六：温度主补偿过渡件的热膨胀系数α₂，下层安装基板的热膨胀系数α₃，要求满足

材料确定后，α₂和α₃确定；

步骤七：温度主补偿过渡件的沿光轴方向的厚度d₂和下层安装基板的厚度d₃通过下式计算获取。

步骤八：获取镜头组件最后一片光学镜片出光口径Φ_光学，上层安装基板内部方形槽对角线长度Φ₁，下层安装基板的内圆直径Φ₃为，成像探测器对角线长度Φ_焦面。设定温度主补偿过渡件和下层安装基板连接处内圆直径Φ₂₂，温度主补偿过渡件和上层安装基板连接处内圆直径Φ₂₁，使其满足：

温度主补偿过渡件的长度为D₂，计算公式为：

步骤九：温度为T时，垫片在定焦时根据测试结果进行精细修磨。精细修磨装调后垫片厚度为d'₄，L、l₁、d₁、d₂、d₃、d'₄和l₂约束关系为：

L＝l₁+d₁+d₂+d₃+d₄'₄-l₂

其中，|d₄-d'₄|是微小值。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过焦面结构中各零件，实现焦面结构伸缩和镜头组件后截距变化相互补偿，通过合理的结构参数设计，对温度引起的焦距变化进行补偿，使成像系统始终处于最佳工作状态，提高了相机系统工作温度范围，获取高质量成像结果；

(2)本发明依据光学系统中其后截距随温度变化的设计数据，采用多种材料组合及密闭设计，实现焦距补偿能力，同时满足焦面的安装和密光设计，便于装调。本设计避免采用机械式补偿，减小结构尺寸和复杂度，提高系统稳定性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的具有焦距补偿能力的焦面结构的示意图；

图2是本发明实施例提供的具有焦距补偿能力的焦面结构爆炸图；

图3(a)是本发明实施例提供的具有焦距补偿能力的焦面结构的侧视图；

图3(b)是本发明实施例提供的具有焦距补偿能力的焦面结构的轴视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的具有焦距补偿能力的焦面结构的示意图；图2是本发明实施例提供的具有焦距补偿能力的焦面结构爆炸图；图3(a)是本发明实施例提供的具有焦距补偿能力的焦面结构的侧视图；图3(b)是本发明实施例提供的具有焦距补偿能力的焦面结构的轴视图。

如图1、图2、图3(a)和图3(b)所示，该具有焦距补偿能力的焦面结构包括：上层安装基板2、温度主补偿过渡件3、下层安装基板4和垫片5；其中，成像组件1与上层安装基板2的上部相连接，上层安装基板2和温度主补偿过渡件3上表面连接，温度主补偿过渡件3下表面和下层安装基板4连接，下层安装基板4通过垫片5与镜头组件6相连接。

所述焦面结构中上层安装基板2、温度主补偿过渡件3、下层安装基板4、垫片5为环状柱体结构。如图2上层安装基板为外层为圆心内层为正方形环状柱体、温度主补偿过渡件是内外轮廓为圆台型的中空环状柱体、下层安装基板为外层为正方形内层为圆心环状柱体、垫片外层和内层均为圆形环状柱体。

上述可焦距补偿的焦面结构连接后，所述镜头为透射式镜头，所述的镜头光轴通过成像探测器的中心。

上述可焦距补偿的焦面结构中，镜头组件最后一片光学镜片出光口径Φ_光学，Φ₃为下层安装基板的内圆直径，Φ₂₂为温度主补偿过渡件和下层安装基板连接处内圆直径，Φ₂₁为温度主补偿过渡件和上层安装基板连接处内圆直径，Φ₁为上层安装基板内部方形槽对角线长度，Φ_焦面为成像探测器对角线长度。尺寸约束关系为：

上述可焦距补偿的焦面结构中，在温度为T时，镜头的后截距为L，上层安装基板上表面到成像探测器表面距离为l₁，上层安装基板厚度为d₁，温度主补偿过渡件长度为D₂，温度主补偿过渡件沿光轴方向厚度d₂，下层安装基板厚度为d₃，垫片厚度设计值为d₄，精细修磨装调后垫片厚度为d'₄，镜头组件法兰表面到镜头组件最后一片光学镜片顶点距离为l₂。则在温度为T时，L、l₁、d₁、d₂、d₃、d'₄和l₂约束关系为：

L＝l₁+d₁+d₂+d₃+d'₄-l₂

其中

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述上层安装基板为圆片，圆片的内部开设有方形槽，方形槽的中心与圆片的中心重合。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述温度主补偿过渡件为内外轮廓是圆台型的中空环状柱体。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述下层安装基板为正方体片，正方体片的内部开设有圆形槽，圆形槽的中心与正方体片的中心重合。

上述具有焦距补偿能力的焦面结构中，所述垫片为圆形环状柱体。

温度为T时，垫片在定焦时根据测试结果进行精细修磨。

焦面结构材料及厚度参数确定步骤：

第一步，待焦距补偿的镜头温度为T时，镜头的后截距为L，选取的需焦距补偿镜头温度范围为T₁≤T≤T₂。依据光学设计结果，每隔1℃取一个离散点，应用离散点集{(T₁，L_T1)，(T₁+1，L_T1+1)，(T₁+2，L_T1+2)，······，(T，L)，······(T₂，L_T2)}采用最小二乘法拟合出直线。

具体的，实施例中镜头温度为T＝20℃时，镜头的后截距为L＝77.000mm，选取的需焦距补偿镜头温度范围为T1＝5℃、T2＝35℃。依据光学设计结果，每隔1℃取一个离散点，温度与后截距关系如下表：

应用离散点集{(5，76.905)，(6，76.911)，(7，76.916)，(8，76.922)，(9，76.928)，(10，76.935)，(11，76.940)，(12，76.950)，(13，76.955)，(14，76.963)，(15，76.968)，(16，76.973)，(17，76.980)，(18，76.988)，(19，76.955)，(20，77.000)，(21，77.005)，(22，77.012)，(23，77.020)，(24，77.026)，(25，77.031)，(26，77.038)，(27，77.045)，(28，77.050)，(29，77.058)，(30，77.065)，(31，77.072，(32，77.077)，(33，77.085)，(34，77.089)，(35，77.094)}采用最小二乘法拟合出直线

L'＝kT'+b

其中T'为温度，L'为后截距，拟合结果k＝0.006429，b＝76.871423。

第二步，按照镜头装调结果获取l₂数值；获取方法可采取三坐标测量方式，实施例中l₂＝5.782mm。

第三步，选取上层安装基板材料和厚度，材料热膨胀系数为α₁，厚度为d₁。实施例中上层安装基板材料选取殷钢，材料热膨胀系数为α₁＝9×10^-71/℃，厚度d₁＝2.000mm。

第四步，成像探测器组件与上层安装基板的上部相连接后，获取l₁数值；获取方法可采取三坐标测量方式，实施例中l₁＝1.051mm。

第五步，选取垫片材料和厚度，材料热膨胀系数为α₄，厚度为d₄。实施例垫片为硬铝材料，热膨胀系数为α₄＝2.38×10^-5，厚度d₄＝1.500mm。

第六步，主补偿过渡件热膨胀系数α₂，下层安装基板热膨胀系数α₃，要求满足

由上述参数有

选择主补偿过渡件为PA12材料，热膨胀系数α₂＝1.2×10^-4 1/℃；下层安装基板为硬铝材料，热膨胀系数为α₃＝2.38×10^-5。

第七步，主补偿过渡件沿光轴方向厚度d₂，通过下式计算获取。

有：

计算得d₂＝47.085mm。

下层安装基板厚度d₃，通过下式计算获取。

有：

计算得d₃＝31.148mm。

第八步，获取镜头组件最后一片光学镜片出光口径Φ_光学＝32.35mm，上层安装基板内部方形槽对角线长度Φ₁＝50mm，下层安装基板的内圆直径Φ₃＝42.35mm为，成像探测器对角线长度Φ_焦面＝45.717mm。设定温度主补偿过渡件和下层安装基板连接处内圆直径Φ₂₂，温度主补偿过渡件和上层安装基板连接处内圆直径Φ₂₁，使其满足

实施例中设定Φ₂₁＝54mm，Φ₂₂＝47mm

主补偿过渡件长度D₂，计算公式

得

第九步，温度为T时，垫片在定焦时根据测试结果进行精细修磨。精细修磨装调后垫片厚度为d'₄，L、l₁、d₁、d₂、d₃、d'₄和l₂约束关系为：

L＝l₁+d₁+d₂+d₃+d'₄-l₂

其中，|d₄-d'₄|是微小值。

本发明通过焦面结构中各零件材料热膨胀特性和厚度的匹配，实现焦面结构伸缩和镜头组件后截距变化相互补偿，通过合理的结构参数设计，对温度引起的焦距变化进行补偿，使成像系统始终处于最佳工作状态，提高了相机系统工作温度范围，获取高质量成像结果。

本发明依据光学系统中其后截距随温度变化的设计数据，采用多种材料组合及密闭设计，实现焦距补偿能力，同时满足焦面的安装和密光设计，便于装调。本设计避免采用机械式补偿，减小结构尺寸和复杂度，提高系统稳定性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有焦距补偿能力的焦面结构，其特征在于包括：上层安装基板(2)、温度主补偿过渡件(3)、下层安装基板(4)、垫片(5)和镜头组件(6)；其中，

成像探测器组件(1)与上层安装基板(2)的上部相连接，上层安装基板(2)和温度主补偿过渡件(3)上表面连接，温度主补偿过渡件(3)下表面和下层安装基板(4)连接，下层安装基板(4)通过垫片(5)与镜头组件(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的具有焦距补偿能力的焦面结构，其特征在于：镜头组件(6)的后截距为L，上层安装基板上表面到成像组件的焦面距离为l₁，上层安装基板厚度为d₁，温度主补偿过渡件沿光轴方向厚度为d₂，下层安装基板厚度为d₃，预设的精细修磨装调后垫片厚度为d'₄，镜头组件(6)的上表面到镜头组件(6)的最后一片透镜顶点距离为l₂，则L、l₁、d₁、d₂、d₃、d'₄和l₂约束关系为：L＝l₁+d₁+d₂+d₃+d'₄-l₂。

3.根据权利要求1所述的具有焦距补偿能力的焦面结构，其特征在于：镜头组件(6)的后截距变化△L为：

ΔL＝(α₁d₁+α₂d₂+α₃d₃+α₄d₄)×ΔT；

其中，α₁为上层安装基板热膨胀系数，α₂为温度主补偿过渡件热膨胀系数，α₃为下层安装基板热膨胀系数，α₄为垫片热膨胀系数。

4.根据权利要求1所述的具有焦距补偿能力的焦面结构，其特征在于：所述上层安装基板(2)为圆片，圆片的内部开设有方形槽，方形槽的中心与圆片的中心重合。

5.根据权利要求1所述的具有焦距补偿能力的焦面结构，其特征在于：所述温度主补偿过渡件(3)为内外轮廓是圆台型的中空环状柱体。

6.根据权利要求1所述的具有焦距补偿能力的焦面结构，其特征在于：所述下层安装基板(4)为正方体片，正方体片的内部开设有圆形槽，圆形槽的中心与正方体片的中心重合。

7.根据权利要求1所述的具有焦距补偿能力的焦面结构，其特征在于：所述垫片(5)为圆形环状柱体。

8.根据权利要求1所述的具有焦距补偿能力的焦面结构，其特征在于：镜头组件最后一片光学镜片出光口径为Φ_光学，下层安装基板的内圆直径为Φ₃，温度主补偿过渡件和下层安装基板连接处内圆直径为Φ₂₂，温度主补偿过渡件和上层安装基板连接处内圆直径为Φ₂₁，上层安装基板内部方形槽对角线长度为Φ₁，成像探测器对角线长度为Φ_焦面，则：

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