CN115793176A - 一种垂轴变焦镜组装夹装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂轴变焦镜组装夹装置。本发明包括镜组、连接组件、支撑架、支撑板和压电陶瓷线性定位器；镜组的两侧通过连接组件安装在对应的支撑架中，镜组每侧的支撑架通过支撑板固定安装在对应的压电陶瓷线性定位器上；压电陶瓷线性定位器的底面通过螺丝固定在基座上。镜组两侧的压电陶瓷线性定位器之间的靠近或远离运动，带动支撑架上的镜组产生垂轴位移，镜组的光轴不动，进行镜组的精密垂轴变焦。本发明的装夹结构保证了垂轴变焦镜组的多对镜片具有相同的垂轴位移量，通过压电陶瓷线性定位器保证了垂轴位移精度，实现了垂轴变焦镜组的紧凑安装和变焦功能。

Description

一种垂轴变焦镜组装夹装置

技术领域

本发明涉及一种镜组装夹装置，具体涉及一种垂轴变焦镜组装夹装置。

背景技术

光学变焦系统在智慧安防、道路监控、虚拟现实等领域有着重要的应用，也是地外探测成像系统的发展方向。但受限于光学系统总长度、变焦运动机构复杂程度等条件，光学变焦很难在地外探测成像系统里实现。

传统的光学变焦技术需要改变光学系统中部分镜片的轴向位置即不同镜片的间距d。组合光学系统的物方焦距f′的计算公式如下：

其中，f₁′、f₂′分别是组合前两个透镜的焦距。

1967年，Luis W Alvarez提出了一种光焦度可变的透镜组合，其中包括两片自由曲面透镜。两片透镜分别具有一面自由曲面与一面平面，且自由曲面面型相同。在空间直角坐标系中，设z轴为光轴方向，则面型矢高z是关于x和y的函数，用公式表示为：

其中，A为面型系数。因此，两片透镜的厚度t₁和t₂可分别表示为：

其中，C₁和C₂分别为两片透镜的中心厚度。因此，两片透镜的叠加厚度T为：

T(x,y)＝t₁(x,y)+t₂(x,y)

当两片透镜分别在x方向进行了d和-d的垂轴位移时，两片透镜的叠加厚度T变为：

T(x,y)＝t₁(x-d,y)+t₂(x+d,y)

若将此透镜组合视为薄透镜，可以得到近轴区域的曲率半径为：

由此可以得到近轴、薄透镜情况下垂轴变焦透镜组的焦距f为：

其中，A为透镜面型系数，d为垂轴位移量，n为透镜材料折射率。现在，这种采用垂轴移动镜片的方式进行变焦的透镜组合也被称为Alvarez透镜。这种变焦方法可以实现较宽的焦距调谐范围，并且缩短了变焦成像系统的总长度。

在垂轴变焦方法中，要实现相同光焦度的条件下，若要使用更少的Alvarez透镜，则对透镜材料折射率的要求更高、自由曲面面型变化越剧烈、垂轴位移量更大。采用包含多对Alvarez透镜的镜组可以有效减小自由曲面面型系数、减小垂轴位移量、减轻透镜材料压力、减小系统像差。

然而在相关光学设计中，Alvarez透镜之间的间隔往往非常小，由多对Alvarez透镜组成的透镜组需要保证相同的垂轴位移量。因此垂轴变焦镜组的装夹难度和位移办法也成为了该系统走向广泛应用的阻碍之一。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，针对Alvarez透镜组装夹紧凑性和保证多对透镜垂轴位移量相同，本发明提出了一种垂轴变焦镜组装夹装置，通过结构设计和配合，实现了自由曲面透镜的紧凑安装，通过压电陶瓷线性定位器保证透镜组多片透镜的高精度垂轴位移，并且可以方便的将垂轴变焦透镜组安装于实际光学系统中，实现了便于安装和使用的垂轴变焦功能。

实现本发明目的的技术方案为：

本发明包括镜组、连接组件、支撑架和压电陶瓷线性定位器；镜组的两侧通过连接组件安装在对应的支撑架中，镜组每侧的支撑架固定安装在对应的压电陶瓷线性定位器上；镜组两侧的压电陶瓷线性定位器之间的靠近或远离运动，带动支撑架上的镜组产生垂轴位移，进行镜组的垂轴变焦。

所述镜组包括多片镜片和镜框，多片镜片沿光轴依次布置，每片镜片均安装在对应的镜框中，镜组中至少一片镜片所在的镜框通过连接组件安装在一侧的支撑架中，镜组中的剩余镜片所在的镜框通过连接组件安装在另一侧的支撑架中。

相邻两片所述镜片中，第一镜片的第二通光面的面型多项式的变焦项系数与第二镜片的第一通光面的面型多项式的变焦项系数设置为相同。

所述镜片至少为3片。

所述连接组件为限位圈和支撑柱，支撑柱的两端分别安装在镜组每侧的两个支撑架中，支撑柱外套装有限位圈，镜组固定安装在支撑柱外，限位圈用于对镜组限位。

所述镜片的通光面中，至少存在一面是符合垂轴变焦方法的自由曲面。

所述镜片由通光部分和压圈部分组成，压圈部分设置在通光部分的外缘并且压圈部分与通光部分之间形成轴肩。

所述通光部分为腰圆形。

本发明的有益效果为：

本发明的装夹装置保证了垂轴变焦镜组的多对镜片具有相同的垂轴位移量，通过压电陶瓷线性定位器保证了垂轴位移精度，实现了垂轴变焦镜组的紧凑安装和变焦功能，并且可以方便的将垂轴变焦透镜组安装于实际光学系统中，实现了便于安装和使用的垂轴变焦功能。

附图说明

图1为本发明垂轴变焦镜组装夹装置的整体结构示意图。

图2为镜片示意图。

图3为镜框示意图。

图4为支撑架示意图。

图5为支撑柱示意图。

图6为支撑板示意图。

图7为限位圈示意图。

图8为压电陶瓷线性定位器示意图。

图9为镜组垂轴位移d＝0mm情况下镜组的结构示意图。

图10为镜组垂轴位移d<0mm情况下镜组的结构示意图。

图11为镜组垂轴位移d>0mm情况下镜组的结构示意图。

图12为镜组的仿真变焦结果，展示了示例镜组的光学变焦能力。

图中：镜片1，镜框2，限位圈3，支撑柱4，支撑架5，支撑板6和压电陶瓷线性定位器7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

按照本发明的发明内容，完整实施的实施例及其实施过程如下：

如图1所示，本发明包括镜组、连接组件、支撑架5、支撑板6和压电陶瓷线性定位器7；镜组的两侧通过连接组件安装在对应的支撑架5中，镜组每侧的支撑架5通过支撑板6固定安装在对应的压电陶瓷线性定位器7上；压电陶瓷线性定位器的底面通过螺丝固定在基座上，如图8所示；支撑架5与支撑板6之间、支撑板6与压电陶瓷线性定位器7之间通过螺栓或螺钉固接。控制模块控制镜组两侧的压电陶瓷线性定位器7之间的靠近或远离运动，带动支撑架5上的镜组产生垂轴位移，镜组的光轴不动，进行镜组的精密垂轴变焦。

镜组包括多片镜片1和镜框2，多片镜片1沿光轴依次布置，镜片1至少为3片。每片镜片1均安装在对应的镜框2中，镜组中至少一片镜片1所在的镜框2通过连接组件安装在一侧的支撑架5中，即最终安装在第一压电陶瓷线性定位器上，镜组零位移时，多片镜片1在光轴方向上重合，镜组中的剩余镜片1所在的镜框2通过连接组件安装在另一侧的支撑架5中，即最终安装在第二压电陶瓷线性定位器上。

沿镜组的光轴方向，镜片1的两个通光面分别记为第一通光面和第二通光面，相邻两片所述镜片1中，第一镜片的第二通光面的面型多项式的变焦项系数与第二镜片的第一通光面的面型多项式的变焦项系数设置为相同。镜片1的通光面中，至少存在一面是符合垂轴变焦方法的自由曲面。

镜片1由通光部分和压圈部分组成，压圈部分设置在通光部分的外缘并且压圈部分与通光部分之间形成轴肩，压圈部分等宽等厚，通光部分的中心比压圈部分厚。压圈部分通过点胶粘接在镜框上，使得通光部分嵌装在镜框内。通光部分为腰圆形，即两个半圆形拼接在矩形的两侧后组成的形状。

连接组件为限位圈3和支撑柱4，支撑柱4的两端分别安装在镜组每侧的两个支撑架5中，支撑柱4外套装有限位圈3，镜组的镜框2通过紧定螺丝固定安装在支撑柱4外，镜组和限位圈3接触，限位圈3用于对镜组限位。如图1和图3所示，左侧两个镜框2的两侧通过两个限位圈进行限位，右侧两个镜框2之间通过一个限位圈进行限位。

图2中展示了镜片的外形，与图3中镜框的开孔相匹配，可以在镜框沉孔和镜片压圈之间进行粘接，将镜片固定在镜框上。

图3中镜框具有两个支撑通孔，可以通过两个支撑柱将镜片和镜框固定在垂直于光轴的平面内。镜框侧面有两个螺孔，分别位于支撑通孔的中心高度上，用于安装紧定螺钉，将镜框和镜片紧定在支撑柱上。

图4和图5分别展示了支撑架和支撑柱，支撑架的通孔形状与支撑柱两端相匹配，起到对支撑柱的固定作用，防止支撑柱沿轴向滑动或绕轴旋转。

图6展示了支撑板，作用是连接上方的支撑架和下方的压电陶瓷线性定位器。示例支撑板中间区域的四个圆孔与压电陶瓷线性定位器顶面螺孔对应，其余四个圆孔两个一组，对应两个支撑架底面的螺孔。

图7中展示了限位圈，使用方式是安装在支撑柱上，在轴向上起到对镜框的限位作用，将镜框和镜片固定在合适的轴向位置上。

通过将支撑架固定在支撑板上，就可以保证支撑柱、镜框、镜片与支撑板的相对位置，镜组的装夹结构成型。

使用本发明中的镜组时，需将支撑板与压电陶瓷线性定位器固定，再将压电陶瓷线性定位器固定在光学平台上。只要在正确的位置安装压电陶瓷线性定位器，就可以保证镜组中的镜片位于光路中的正确位置。

进行变焦时，通过压电陶瓷线性定位器的闭环定位和位移功能，带动整个镜组进行移动，在垂轴方向控制镜组实现精准的位移，将压电陶瓷线性定位器的远离运动产生的位移记为正数，反之为负数，如图9-11所示。

图12中展示了示例镜组在5种垂轴位移情况下的变焦能力。为展示变焦能力，本示例在仿真软件中的垂轴变焦镜组后5mm处添加了一面焦距为25mm的理想透镜。

表1中列出了图12中5种情况下，上述理想透镜到像面的距离L和镜组垂轴位移量d的关系。

表1：5种情况下理想透镜到像面的距离L和镜组垂轴位移量d的关系

Claims (8)

1.一种垂轴变焦镜组装夹装置，其特征在于，包括镜组、连接组件、支撑架(5)和压电陶瓷线性定位器(7)；镜组的两侧通过连接组件安装在对应的支撑架(5)中，镜组每侧的支撑架(5)固定安装在对应的压电陶瓷线性定位器(7)上；镜组两侧的压电陶瓷线性定位器(7)之间的靠近或远离运动，带动支撑架(5)上的镜组产生垂轴位移，进行镜组的垂轴变焦。

2.根据权利要求1所述的一种垂轴变焦镜组装夹装置，其特征在于，所述镜组包括多片镜片(1)和镜框(2)，多片镜片(1)沿光轴依次布置，每片镜片(1)均安装在对应的镜框(2)中，镜组中至少一片镜片(1)所在的镜框(2)通过连接组件安装在一侧的支撑架(5)中，镜组中的剩余镜片(1)所在的镜框(2)通过连接组件安装在另一侧的支撑架(5)中。

3.根据权利要求2所述的一种垂轴变焦镜组装夹装置，其特征在于，相邻两片所述镜片(1)中，第一镜片的第二通光面的面型多项式的变焦项系数与第二镜片的第一通光面的面型多项式的变焦项系数设置为相同。

4.根据权利要求2所述的一种垂轴变焦镜组装夹装置，其特征在于，所述镜片(1)至少为3片。

5.根据权利要求1所述的一种垂轴变焦镜组装夹装置，其特征在于，所述连接组件为限位圈(3)和支撑柱(4)，支撑柱(4)的两端分别安装在镜组每侧的两个支撑架(5)中，支撑柱(4)外套装有限位圈(3)，镜组固定安装在支撑柱(4)外，限位圈(3)用于对镜组限位。

6.根据权利要求2所述的一种垂轴变焦镜组装夹装置，其特征在于，所述镜片(1)的通光面中，至少存在一面是符合垂轴变焦方法的自由曲面。

7.根据权利要求2所述的一种垂轴变焦镜组装夹装置，其特征在于，所述镜片(1)由通光部分和压圈部分组成，压圈部分设置在通光部分的外缘并且压圈部分与通光部分之间形成轴肩。

8.根据权利要求7所述的一种垂轴变焦镜组装夹装置，其特征在于，所述通光部分为腰圆形。

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