CN114637092B - 一种用于高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学装调技术领域,具体涉及一种用于高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置。所述装置包括：窗口玻璃、外镜框、内镜框、尼龙隔圈、压圈、中间镜筒、加热片；所述窗口玻璃设有两套，分为窗口玻璃1和窗口玻璃2；本发明的多光谱光学窗口装置具体是将两个多光谱光学窗口装配在内外镜框中，通过中间镜筒连接形成一个完整的光学窗口装置，通过中间镜筒加热实现一个局部热场，将氮气通过镜筒后吹扫在内窗口外表面形成温差，实现除霜除雾功能。该装置具有窗口精度高、不结霜不结雾的优点，使用简单。
Description
技术领域
本发明属于光学装调技术领域,具体涉及一种用于高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置。
背景技术
新型光电侦察系统中要实现远距离探测、高精度分辨等要求，系统中使用了卡塞格林光学系统作为物镜，后续光路经过反射分光等部件实现分光，形成可见光、红外、激光等光学通道，被广泛应用于远距离目标探测与跟踪光电系统，这种光学系统能够实现高分辨力成像，其成像性能对于温度的变化比较敏感，为了实现该类光电系统性能指标的高低温验证测试，需要在高低温试验箱上装配一个多光谱光学窗口装置，该装置能够实现多光谱高精度透射，并不能影响系统透过波前，光电系统在高低温箱中通过窗口装置对试验箱外的模拟目标进行成像，依此方案实现光电系统高低温条件下的性能测试。
该窗口装置在使用过程中，低温环境会造成窗口玻璃产生温差，极易在窗口玻璃表面形成霜或雾，当窗口玻璃出现霜雾时，其透过率变差，严重影响光电系统成像质量，并在低温或高温条件下窗口玻璃会由于装配应力导致窗口波像差下降，因此，高低温试验箱除霜除雾多光谱光学窗口装置是光电系统实现高低温箱试验条件下获得高质量、高分辨力成像质量试验验证的重要保障。
在发明名称为“航空相机分段拼接式光学窗口除霜除雾装置”(专利号201310384767.4)的专利中，介绍了一种分段拼装式光学窗口除霜除雾装置，该装置包含了风机、加热装置、转接管、吹风管等，该装置结构构成复杂，并在光电系统中占用了一定的体积。
发明名称为“一种接触式光学窗口镜面除霜系统”(专利号201620606715.6)的专利中，介绍了一种接触式光学窗口镜面除霜系统，包括电加热源、温度传感器、导电薄膜，由于是导电加热镜面上镀制导电膜，能够满足白光透光率的问题，但该方案无法实现多光谱透过率需求，且导电加热过程中镜面会带来温度梯度，透射波前会下降。
通过以上现有解决方案，能够满足可见光波段的高低温成像，无法满足多波段光电系统装调测试需求，并在多波段光学窗口微应力装配及导热均匀性方面没有较好提出解决措施，没有对多波段窗口组件透过波像差进行控制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：为满足新一代光电成像系统性能指标实现高低温箱内试验验证的需求，如何提供一种安装于高低温试验箱侧壁上的多光谱光学窗口装置，重点解决该光学窗口装置在高低温过程中结霜结雾问题，并要求实现光谱多波段、高透过率、高像质要求。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置，所述装置包括：窗口玻璃、外镜框、内镜框、尼龙隔圈、压圈、中间镜筒、加热片；所述窗口玻璃设有两套，分为窗口玻璃1和窗口玻璃2；
所述窗口玻璃1及窗口玻璃2分别一一对应地装配在内镜框和外镜框上，均通过尼龙隔圈和压圈固定，用于实现多光谱透射需求；
所述外镜框、内镜框从两个方向装配于中间镜筒上，实现装置的统一连接；
所述中间镜筒外壁一周粘接加热片，形成一局部的热场，用于加热送进来的氮气；
在外镜框和内镜框上对应设置有进气孔和出气孔，以实现对内侧窗口玻璃表面的热风吹扫，解决窗口结霜结雾的问题。
其中，所述窗口玻璃1与窗口玻璃2均设置为双层光学玻璃，通过压圈设置在内镜框、外镜框上，并在双层光学玻璃之间装配尼龙隔圈，以实现微应力装配需求。
其中，所述窗口玻璃1与窗口玻璃2用作光学窗口，其材料选择为覆盖所要求的多波段范围,且保证光学窗口在镀膜后各波段的透过率，根据实际多谱段需求，使光学窗口可覆盖0.4μm～0.96μm、1.064μm、1.2μm～1.9μm、3.5μm～12μm波长范围；同时在光学窗口的窗口正面和窗口反面镀制增透膜，保证所覆盖的各个谱段的透过率。
其中，选择多光谱ZnS作为光学窗口基底材料。
其中，根据高低温箱工作温度范围，所述所述窗口玻璃1与窗口玻璃2选择双层光学玻璃的双层光学窗口，通过双层光学窗口形成相对密封腔体，且内外两层与镜筒之间进行隔热装配，减小由于镜筒热传递导致较大的窗口径向温度梯度，使窗口波像差下降。
其中，根据多光谱光学窗口基底材料的热特性，内镜框及外镜框选用与窗口玻璃膨胀系数接近的钛合金材料。
其中，所述窗口玻璃通过尼龙材料隔圈和压圈装配，实现相对密封、宽温度适应和微应力装配。
其中，所述光学窗口装置的内热场设计方面，由该多光谱光学窗口装置需要安装在高低温箱侧壁，承受温度范围-50℃～70℃，为了避免窗口玻璃由于温度梯度问题带来的像差，应在窗口装置内提供一个恒定均匀热场；从而，通过在中间镜筒外一周装配加热片，以热辐射方式为中间镜筒内腔提供一均匀热场。
其中，所述光学窗口装置的干风吹扫功能设计方面，为了解决高低温箱在温度范围-50℃～70℃工作过程中窗口玻璃结霜结雾问题，在光学窗口装置的外镜框和内镜框上各自设置进气孔和出气孔，进气孔和出气孔之间的通气通道中间为加热的腔体，光学窗口装置工作时通过进气口充入纯净氮气，纯净氮气经过升温后经过出气孔以一定角度吹扫在窗口玻璃1表面上，从而能够在窗口玻璃1表面附近形成一热幕，减小了窗口玻璃1的温度梯度并防止了结霜结雾。
其中，在所述外镜框上设置进气孔；在所述内镜框上设置出气孔。
(三)有益效果
本发明提供一种用于高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置，该装置通过对该装置总体功能设置,以透射波像差精度和除霜除雾功能为主要出发点，通过特种材料及膜层解决了多光谱(可见光、近红外、短波红外、中波红外、长波红外、激光)成像问题；通过各个零件的特征材料选取及特征尺寸设计，解决了窗口组件光学元件与结构件之间的微应力装配问题，并通过隔热结构及特殊材料的设计减小了窗口热梯度，解决了窗口玻璃的隔热和导热问题；通过在中间镜筒外圆粘接加热片，为镜筒内提供一热场，解决了光学窗口表面加热问题；通过特殊通道式结构设计实现光学窗口表面微风吹扫功能，解决了光学窗口装置在高低温过程中结霜结雾问题，最终实现了满足透射波前需求以及除霜除雾功能的多光谱光学窗口装置。
本发明的多光谱光学窗口装置具体是将两个多光谱光学窗口装配在内外镜框中，通过中间镜筒连接形成一个完整的光学窗口装置，通过中间镜筒加热实现一个局部热场，将氮气通过镜筒后吹扫在内窗口外表面形成温差，实现除霜除雾功能。该装置具有窗口精度高、不结霜不结雾的优点，使用简单。
与专利号201310384767.4的“航空相机分段拼接式光学窗口除霜除雾装置”专利相比较，本发明直接借用镜筒加热的措施在一定空间形成热场，通过氮气对流实现了除霜除雾的功能，并通过特殊材料配合解决了导热、隔热等问题，因此与本发明的技术原理与解决问题截然不同。
与专利号201620606715.6的“一种接触式光学窗口镜面除霜系统”专利相比较，本发明未采用导电膜方法，避免了电加热带来的透射波前下降问题，根据实际工程需要，通过氮气对流的方式解决了除霜除雾并满足了该窗口组件透过波像差要求。
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
(1)本发明提出了一种用于高低温试验箱除霜除雾多光谱光学窗口装置，并能够满足目前新一代光电系统成像性能指标高低温环境条件下的验证。
(2)该装置采用氮气对流换热的方式实现多光谱光学窗口除霜除雾功能，避免了电加热除霜除雾导致光学窗口变形问题。
(3)该装置选用了与窗口玻璃热膨胀系数接近的镜框材料，且窗口玻璃通过尼龙隔圈和压圈装配，实现了相对密封、宽温度适应和微应力装配。
(4)通过特殊制作的分布式通风通道，可以实现窗口玻璃表面氮气的全面吹扫，保持温度均衡，解决了窗口玻璃直接电加热带来面形下降的问题。
附图说明
图1为高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置。
图2为多光谱光学窗口进气口及隔热设计示意图。
图3为多光谱光学窗口出气口及加热、干风吹扫局部示意图。
图中各标示的含义如下：1：多光谱光学窗口；2：镜筒；3：外镜框；3-1：φ6进气孔；4：内镜框；5：隔热衬环；6：减应力垫环；7：加热膜；8：吹扫环；8-1：吹扫环出气通道。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置，所述装置包括：窗口玻璃、外镜框、内镜框、尼龙隔圈、压圈、中间镜筒、加热片；所述窗口玻璃设有两套，分为窗口玻璃1和窗口玻璃2；
所述窗口玻璃1及窗口玻璃2分别一一对应地装配在内镜框和外镜框上，均通过尼龙隔圈和压圈固定，用于实现多光谱透射需求；
所述外镜框、内镜框从两个方向装配于中间镜筒上，实现装置的统一连接；
所述中间镜筒外壁一周粘接加热片，形成一局部的热场，用于加热送进来的氮气；
在外镜框和内镜框上对应设置有进气孔和出气孔，以实现对内侧窗口玻璃表面的热风吹扫，解决窗口结霜结雾的问题。
其中，所述窗口玻璃1与窗口玻璃2均设置为双层光学玻璃，通过压圈设置在内镜框、外镜框上，并在双层光学玻璃之间装配尼龙隔圈，以实现微应力装配需求。
其中，所述窗口玻璃1与窗口玻璃2用作光学窗口，其材料选择为覆盖所要求的多波段范围,且保证光学窗口在镀膜后各波段的透过率，根据实际多谱段需求，使光学窗口可覆盖0.4μm～0.96μm、1.064μm、1.2μm～1.9μm、3.5μm～12μm波长范围；同时在光学窗口的窗口正面和窗口反面镀制增透膜，保证所覆盖的各个谱段的透过率。
其中，选择多光谱ZnS作为光学窗口基底材料。
其中，根据高低温箱工作温度范围，所述所述窗口玻璃1与窗口玻璃2选择双层光学玻璃的双层光学窗口，通过双层光学窗口形成相对密封腔体，且内外两层与镜筒之间进行隔热装配，减小由于镜筒热传递导致较大的窗口径向温度梯度，使窗口波像差下降。
其中，根据多光谱光学窗口基底材料的热特性，内镜框及外镜框选用与窗口玻璃膨胀系数接近的钛合金材料。
其中，所述窗口玻璃通过尼龙材料隔圈和压圈装配，实现相对密封、宽温度适应和微应力装配。
其中，所述光学窗口装置的内热场设计方面，由该多光谱光学窗口装置需要安装在高低温箱侧壁，承受温度范围-50℃～70℃，为了避免窗口玻璃由于温度梯度问题带来的像差，应在窗口装置内提供一个恒定均匀热场；从而，通过在中间镜筒外一周装配加热片，以热辐射方式为中间镜筒内腔提供一均匀热场。
其中，所述光学窗口装置的干风吹扫功能设计方面，为了解决高低温箱在温度范围-50℃～70℃工作过程中窗口玻璃结霜结雾问题，在光学窗口装置的外镜框和内镜框上各自设置进气孔和出气孔，进气孔和出气孔之间的通气通道中间为加热的腔体，光学窗口装置工作时通过进气口充入纯净氮气，纯净氮气经过升温后经过出气孔以一定角度吹扫在窗口玻璃1表面上，从而能够在窗口玻璃1表面附近形成一热幕，减小了窗口玻璃1的温度梯度并防止了结霜结雾。
其中，在所述外镜框上设置进气孔；在所述内镜框上设置出气孔。
实施例1
本实施例提供一种用于高低温试验箱除霜除雾多光谱光学窗口装置，该装置由窗口玻璃、外镜框、内镜框、尼龙隔圈、压圈、尼龙外压圈、中间镜筒、加热片组成，窗口玻璃装配在内外镜框上通过尼龙隔圈和压圈固定，用于实现多光谱透射需求；窗口玻璃与压圈之间装配尼龙隔圈实现微应力装配需求；内外镜框装配于中间镜筒上，实现装置的连接，中间镜筒外壁一周粘接加热片，形成一局部的热场主要用于加热送进来的氮气；在内外镜筒上设置进出气孔实现对内侧窗口玻璃表面的热风吹扫，解决窗口结霜结雾的问题。其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：合理的选择光学窗口的基底材料，使其可覆盖所要求的多波段范围,且保证光学窗口在镀膜后各波段透过率较高，根据实际多谱段需求，使光学窗口可覆盖0.4μm～0.96μm、1.064μm、1.2μm～1.9μm、3.5μm～12μm波长范围；同时在光学窗口的窗口正面和窗口反面镀制增透膜，保证所覆盖的各个谱段具有较高的透过率；基于上述两点要求，选择多光谱ZnS作为光学窗口基底材料；
步骤2：光学结构设计，根据高低温箱工作温度范围，选择双层光学窗口，通过双层光学窗口形成相对密封腔体，且内外两层与镜筒之间隔热装配，减小由于镜筒热传递导致较大的窗口径向温度梯度，使窗口波像差下降；
步骤3：镜体材料的选择，根据多光谱光学窗口基底材料的热特性，内外镜框选用与窗口玻璃膨胀系数接近的钛合金材料，且窗口玻璃通过尼龙材料隔圈和压圈装配，实现相对密封、宽温度适应和微应力装配；
步骤4：光学窗口装置内热场设计，该多光谱窗口装置需要安装在高低温箱侧壁，承受温度范围-50℃～70℃，为了避免窗口玻璃由于温度梯度问题带来的像差，需要在窗口装置内提供一个恒定均匀热场。通过在中间镜筒外一周装配加热片，以热辐射方式为镜筒内腔提供一均匀热场；
步骤5：干风吹扫功能设计，为了解决高低温箱在温度范围-50℃～70℃工作过程中光学窗口组件结霜结雾问题，在光学窗口装置上设计了通气结构，该结构包含进气通道和出气通道，通道中间为加热的腔体，窗口工作时通过进气口充入纯净氮气，氮气经过光学腔升温后经过出气孔以特定角度吹扫在光学窗口表面上，能够在窗口表面附近形成一热幕，减小了窗口的温度梯度并防止了结霜结雾。
实施例2
本实施例在某步入式高低温试验箱中，采用如图1所示形式的多光谱光学窗口装置，该光学窗口装置装配在高低温箱侧面，通过该窗口可以实现试验箱内的光电产品能够通过窗口对箱外的目标模拟器进行系统性能指标测试。该该窗口有效口径φ300mm，双层装配，并采取了微应力措施与除霜除雾措施。经测量，多光谱光学窗口装置的透射Rms值为0.067λ(λ＝632.8nm)。其装配步骤如下：
步骤1：根据光电系统所覆盖的波段范围，选择多光谱ZnS作为光学窗口的基底材料，根据实际多谱段需求，使光学窗口可覆盖0.4μm～0.96μm、1.064μm、1.2μm～1.9μm、3.5μm～12μm，且保证光学窗口在镀膜后各波段透过率优于85％；
步骤2：光学结构设计，根据高低温箱工作温度范围，选择双层光学窗口如图1所示，通过双层光学窗口形成相对密封腔体，腔体长度160mm，且内外镜框与镜筒之间通过聚四氟乙烯材料隔热装配如图2局部示意图所示，减小由于镜筒热传递导致较大的窗口径向温度梯度，使窗口波像差下降；
步骤3：镜体材料的选择，根据多光谱光学窗口基底材料的热特性，内外镜框选用与窗口玻璃膨胀系数接近的钛合金TC4材料，且窗口玻璃通过尼龙材料隔圈和压圈装配，如图2局部示意图所示，实现相对密封、宽温度适应和微应力装配；
步骤4：光学窗口装置内热场的实现，该多光谱窗口装置需要安装在高低温箱侧壁，承受温度范围-50℃～70℃，为了避免窗口玻璃由于温度梯度问题带来的像差，需要在窗口装置内提供一个恒定均匀热场。通过在中间镜筒外一周装贴加热片功率200W(可调)如图3序号7所示，以热辐射方式为镜筒内腔提供一均匀热场；
步骤5：干风吹扫功能设计，为了解决高低温箱在温度范围-50℃～70℃工作过程中光学窗口组件结霜结雾问题，在光学窗口装置上设计了特殊结构，该特殊结构包含φ6进气通道和6-φ6出气通道，如图2中3-1及图3中8-1所示，通道中间为加热的腔体，窗口工作时通过进气口充入纯净氮气，氮气经过光学腔升温后经过出气孔以特殊角度20°吹扫在光学窗口表面上，能够在窗口表面附近形成一热幕，减小了窗口的温度梯度并防止了结霜结雾。
至此，高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置设计装配完成，并已经过试验箱使用验证，达到可预期除霜除雾要求和透过波前要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种用于高低温试验箱的除霜除雾多光谱光学窗口装置，其特征在于，所述装置包括：窗口玻璃、外镜框、内镜框、尼龙隔圈、压圈、中间镜筒、加热片；所述窗口玻璃设有两套，分为窗口玻璃1和窗口玻璃2；
所述窗口玻璃1及窗口玻璃2分别一一对应地装配在内镜框和外镜框上，均通过尼龙隔圈和压圈固定，用于实现多光谱透射需求；
所述外镜框、内镜框从两个方向装配于中间镜筒上，实现装置的统一连接；
所述中间镜筒外壁一周粘接加热片，形成一局部的热场，用于加热送进来的氮气；
在外镜框和内镜框上对应设置有进气孔和出气孔，以实现对内侧窗口玻璃表面的热风吹扫，解决窗口结霜结雾的问题；
其中，所述窗口玻璃1与窗口玻璃2均设置为双层光学玻璃，通过压圈设置在内镜框、外镜框上，并在双层光学玻璃之间装配尼龙隔圈，以实现微应力装配需求；
其中，所述窗口玻璃1与窗口玻璃2用作光学窗口，其材料选择为覆盖所要求的多波段范围,且保证光学窗口在镀膜后各波段的透过率，根据实际多谱段需求，使光学窗口可覆盖0.4μm～0.96μm、1.064μm、1.2μm～1.9μm、3.5μm～12μm波长范围；同时在光学窗口的窗口正面和窗口反面镀制增透膜，保证所覆盖的各个谱段的透过率；
其中，选择多光谱ZnS作为光学窗口基底材料；
其中，根据高低温箱工作温度范围，所述窗口玻璃1与窗口玻璃2选择双层光学玻璃的双层光学窗口，通过双层光学窗口形成相对密封腔体，且内外两层与镜筒之间进行隔热装配，减小由于镜筒热传递导致较大的窗口径向温度梯度，使窗口波像差下降；
其中，根据多光谱光学窗口基底材料的热特性，内镜框及外镜框选用与窗口玻璃膨胀系数接近的钛合金材料；
其中，所述窗口玻璃通过尼龙材料隔圈和压圈装配，实现相对密封、宽温度适应和微应力装配；
其中，所述光学窗口装置的内热场设计方面，由该多光谱光学窗口装置需要安装在高低温箱侧壁，承受温度范围-50℃～70℃，为了避免窗口玻璃由于温度梯度问题带来的像差，应在窗口装置内提供一个恒定均匀热场；从而，通过在中间镜筒外一周装配加热片，以热辐射方式为中间镜筒内腔提供一均匀热场；
其中，所述光学窗口装置的干风吹扫功能设计方面，为了解决高低温箱在温度范围-50℃～70℃工作过程中窗口玻璃结霜结雾问题，在光学窗口装置的外镜框和内镜框上各自设置进气孔和出气孔，进气孔和出气孔之间的通气通道中间为加热的腔体，光学窗口装置工作时通过进气口充入纯净氮气，纯净氮气经过升温后经过出气孔以一定角度吹扫在窗口玻璃1表面上，从而能够在窗口玻璃1表面附近形成一热幕，减小了窗口玻璃1的温度梯度并防止了结霜结雾；
其中，在所述外镜框上设置进气孔；在所述内镜框上设置出气孔。
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