CN117406375A - 一种柔性支撑的光学镜头及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天光学镜头，具体涉及一种柔性支撑的光学镜头及其装配方法，为解决现有航天镜头存在加工成本高、加工周期和装配周期长，且热自适应性较差的不足之处。柔性支撑的光学镜头包括镜筒和嵌套在镜筒中的至少一个光学元件，所述镜筒对应每个光学元件的外侧面周向位置分别加工有至少三个平面；所述每个平面构成一个柔性缺口的底面，则对应每个光学元件的至少三个柔性缺口沿镜筒的周向均匀设置；相邻所述柔性缺口之间设置有注胶孔；镜筒的内壁与相对应的光学元件侧面之间留有注胶间隙。同时本发明还提供该光学镜头的装配方法，装配过程简单、方便，周期较短。

Description

一种柔性支撑的光学镜头及其装配方法

技术领域

本发明涉及一种航天光学镜头，具体涉及一种柔性支撑的光学镜头及其装配方法。

背景技术

随着航天事业的发展，航天光学镜头越来越多地作为载荷随航天器升空，在航天观测、探测等领域发挥着重要的作用。现有的航天镜头多采用镜筒+镜框+压圈+隔圈+光学玻璃的设计模式，这种传统的设计模式存在较高加工成本和较长的加工周期，同时装配周期也较长，且这种设计模式不具有热自适应性，在太空中温度变化较大的环境中适应性较差。随着各类航天任务需求数量的逐年增加，亟需一种具有低成本、快速加工、便捷装配等特性，同时具有较好力学性能和热自适应性的航天镜头，这对于提升航天光学观测和探测水平，开展大批量航天任务具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有航天镜头存在加工成本高、加工周期和装配周期长，且热自适应性较差的不足之处，而提供一种柔性支撑的光学镜头及其装配方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种柔性支撑的光学镜头，由镜筒和嵌套在镜筒中的至少一个光学元件组成，其特殊之处在于：所述镜筒对应每个光学元件的外侧面周向位置分别加工有至少三个平面；每个所述平面构成一个柔性缺口的底面，则对应每个光学元件的至少三个柔性缺口沿镜筒的周向均匀设置；相邻所述柔性缺口之间设置有注胶孔；所述镜筒的内壁与相对应的光学元件侧面之间留有多个注胶间隙，注胶间隙与注胶孔相应设置，通过注胶孔使注胶间隙内填充有粘接剂。

进一步地，定义：柔性缺口的底面沿光轴方向的宽度为k₁，所对应光学元件沿光轴方向的最大厚度为k₂，每个柔性缺口的最大深度为s₁，所对应位置处的镜筒厚度为s₂，每个平面和光轴的夹角为b，则0.6k₂≤k₁≤1.3k₂，0.3s₂≤s₁≤0.9s₂，b≤5°或者b=0°。

进一步地，柔性缺口的底面沿光轴方向的宽度k₁与其对应的光学元件沿光轴方向的最大厚度k₂相同。

进一步地，定义所述柔性缺口处的镜筒沿径向的最小厚度为H，则H需满足下式：

H=max{0.3mm, D/20 mm}

其中，D为柔性缺口对应的光学元件的直径。

进一步地，所述注胶间隙为在镜筒的内侧壁加工出的内凹结构，则相邻注胶间隙之间的镜筒内侧壁形成嵌套凸台；嵌套凸台和柔性缺口一一对应设置，且对应柔性缺口的中心位置，嵌套凸台的内壁面与光学元件侧面相抵接，用于对光学元件进行径向嵌套。

进一步地，所述嵌套凸台的内侧面与镜筒的内侧面平滑连接；

所述注胶间隙沿镜筒的径向截面为月牙形，注胶间隙的最大径向距离为0.2~0.4mm；

所述嵌套凸台沿光轴方向的厚度比其对应的光学元件最大厚度大1~2mm；

所述嵌套凸台所在弧面对应的圆心角a为10°~35°。

进一步地，所述柔性缺口的数量为四个，四个柔性缺口的底面两两平行，且相邻底面相互垂直；

设置在相邻柔性缺口之间的四个注胶孔沿周向均匀分布，分别位于相邻柔性缺口的中间位置；

所述嵌套凸台所在弧面对应的圆心角a为15°。

进一步地，所述柔性缺口的数量为四个，沿周向均匀分布，四个柔性缺口的底面与镜筒的光轴有一定的夹角b，b≤5°；

设置在相邻柔性缺口之间的四个注胶孔沿周向均匀分布，分别位于相邻柔性缺口的中间位置；

所述嵌套凸台所在弧面对应的圆心角a为15°。

同时，还提供一种上述柔性支撑的光学镜头的装配方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，加工镜筒及对应每个光学元件外侧面周向位置的平面，形成位于镜筒外侧壁的多个柔性缺口；

步骤2，将光学元件依次装入镜筒对应位置，使光学元件的侧面与相应的嵌套凸台抵接，通过注胶孔调整光学元件的姿态；

步骤3，从注胶孔注入粘接剂，将光学元件固定在镜筒内的相应位置，完成柔性支撑的光学镜头装配。

进一步地，步骤2中，所述调整光学元件的姿态具体为：使用调整小棍从镜筒外部穿过注胶孔，通过调整小棍的一端接触到光学元件的侧面，对光学元件的俯仰角度、偏摆角度进行调整。

本发明的有益效果：

1.本发明一种柔性支撑的光学镜头，只包括镜筒和光学元件，省去了传统航天镜头中的镜框、压圈、隔圈，镜头部件少，极大地减少了加工成本，且装配非常方便。

2.本发明一种柔性支撑的光学镜头，通过设置柔性缺口，将减重和柔性环节融为一体，柔性缺口加工时直接在镜筒侧壁铣出平面，加工方便，在提高镜筒柔性的同时保持镜筒完整性和密封性。

3.本发明一种柔性支撑的光学镜头，在镜筒内壁对应柔性缺口的位置，设置嵌套凸台，嵌套凸台与光学元件相抵，对其进行嵌套，嵌套凸台位于柔性缺口的平面中心，对应镜筒侧壁最小厚度处，因此可以加强柔性缺口的结构强度。

4.本发明一种柔性支撑的光学镜头，通过设置柔性缺口，减小对应位置的厚度，使其局部刚度减小，在外力或者温度变化载荷的作用下，柔性缺口可以产生一定的形变，从而减少镜筒对光学元件的挤压，避免影响成像效果，因此在太空中温度变化较大的环境中具有较好的热自适应性。

5.本发明一种柔性支撑的光学镜头的装配方法，装配过程简单、方便，且加工周期和装配周期较短。

附图说明

图1是本发明一种柔性支撑的光学镜头实施例的立体结构示意图；

图2是本发明一种柔性支撑的光学镜头实施例的纵向剖视结构图；

图3是本发明一种柔性支撑的光学镜头实施例立体结构横向剖切的位置示意图；

图4是图3在平面A处剖切的剖视结构图；

图5是本发明一种柔性支撑的光学镜头实施例中镜筒的结构示意图；

图6是本发明一种柔性支撑的光学镜头实施例中镜筒的径向剖视结构图；

图7是图5的C向视图；

图8是图7的B处放大结构示意图。

附图标记说明：

1-镜筒，2-光学元件，3-柔性缺口，4-注胶孔，5-嵌套凸台，6-注胶间隙，a-嵌套凸台所在弧面对应的圆心角，L-注胶间隙的最大径向距离，H-镜筒沿径向的最小厚度，s₁-柔性缺口的最大深度，s₂-镜筒厚度，k₁-柔性缺口的底面沿光轴方向的宽度，k₂-光学元件沿光轴方向的最大厚度。

具体实施方式

本发明提出一种柔性支撑的光学镜头，如图1至图4所示，包括镜筒1和嵌套在镜筒1中的六个光学元件2，光学元件2为光学玻璃，六个光学玻璃和镜筒1同轴设置。在本发明的其他实施例中，光学元件2的数量可以根据需要进行调整。

镜筒1对应每个光学玻璃的外侧面周向位置加工出四个平面，四个平面均平行于光轴，且两两平行，相邻平面相互垂直，如图5所示。每个平面构成一个柔性缺口3的底面，则每个光学玻璃的周向对应设置四个柔性缺口3。柔性缺口3可以降低镜筒1重量，同时降低镜筒1对应位置的刚度，提高其柔性，在温度变化较大的环境中，使得镜筒1具有热自适应性。

定义：柔性缺口3的底面沿光轴方向的宽度为k₁，所对应光学元件2沿光轴方向的最大厚度为k₂，每个柔性缺口3的最大深度为s₁，所对应位置处的镜筒1厚度为s₂，则0.6k₂≤k₁≤1.3k₂，0.3s₂≤s₁≤0.9s₂。在受力或温度变化较大时，满足该关系的柔性缺口3均能够产生形变，减少对光学元件的挤压，具有一定的柔性效果，柔性缺口3沿光轴方向上的宽度过小，其对应的形变能力小，对温度的热适应性也会相对降低，宽度过大，镜筒易产生额外变形，导致光学镜头结构不稳定。本实施例中，柔性缺口3沿光轴方向上的宽度与其对应的光学玻璃沿光轴方向的最大厚度相同，既有较好的热适应性，与光学元件相匹配，又能保证光学镜头的稳定性。同时，柔性缺口3处，镜筒1沿径向的最小厚度H需满足下式：H=max{0.3mm,D/20 mm}，其中，D为柔性缺口3对应的光学玻璃的直径，通过对镜筒1最小厚度的限定，保证最大可能的增加柔性缺口3的底面面积以降低镜筒1的重量。如图6所示，可以看出柔性缺口3处的镜筒1壁厚是渐变的，变化较为缓和，因此不会出现应力集中，具有较好的动力学特性，在进入太空时火箭具有强烈振动的条件下，镜头发生损坏的可能性较低。

镜筒1的内侧壁对应每个光学玻璃周向还加工有四个内凹的注胶间隙6，相邻注胶间隙6之间的内侧壁形成嵌套凸台5，多个嵌套凸台5和柔性缺口3一一对应设置，且对应柔性缺口3的中心位置，嵌套凸台5与光学玻璃侧面相抵接，用于对光学玻璃进行径向嵌套。嵌套凸台5沿镜筒1的光轴的厚度比其对应的光学玻璃厚度大1~2mm，嵌套凸台5所在弧面对应的圆心角a可以为10°~35°，该角度太小，卡接强度不够，角度太大，柔性会相应减小，如图6所示，本实施例中圆心角a为15°。

嵌套凸台5的内侧面与镜筒1的内侧面平滑连接，提高镜筒1的柔性，同时，正是由于嵌套凸台5和镜筒1平滑连接，使得相邻嵌套凸台5之间的注胶间隙6的径向距离为渐变的，即注胶间隙6沿镜筒1的径向截面为月牙形，如图7和图8所示。注胶间隙6的最大径向距离L为0.2~0.4mm，因此相比现有技术，镜筒1与光学玻璃之间具有更大的注胶间隙6，更利于装配，且注胶间隙6中可以容纳足够的粘接剂使得连接更为稳固，同时，月牙形的截面有利于粘接剂充满镜筒1与光学玻璃之间。

相邻柔性缺口3之间设置有用于向注胶间隙6注胶的注胶孔4，则镜筒1对应每个光学玻璃设置有四个注胶孔4，四个注胶孔4沿周向均匀分布，分别位于相邻柔性缺口3的中间位置，与注胶间隙6一一对应。

在安装时，将光学玻璃依次装入对应位置，通过注胶孔4微调每个光学玻璃的姿态，然后从注胶孔4注入粘接剂，填充镜筒1内壁与光学玻璃之间的注胶间隙6，辅助固定光学玻璃。微调光学玻璃的姿态的步骤具体为：使用调整小棍从镜筒1外部穿过注胶孔4，通过调整小棍的一端接触到光学玻璃的侧面，对光学玻璃的俯仰角度、偏摆角度等进行调整。

本发明光学镜头中，除光学元件2外的其他结构为一体结构，省去了传统航天镜头中的镜框、压圈、隔圈，减少航天镜头的零部件，缩短加工成本，降低加工周期，同时装配简单，用时少。另外，本发明的镜筒1为封闭结构，大大减少了装配过程中引入杂质的可能性。

本发明的其他实施例中，柔性缺口3的数量至少为三个，沿镜筒1的周向均匀分布，注胶间隙6和嵌套凸台5的数量也相应调整，镜筒1外侧面加工的平面与镜筒1的光轴可以有一定的夹角，定义夹角为b，b≤5°，但在实际使用过程中，本实施例中平行于中心轴线的平面更方便加工制造。

Claims (10)

1.一种柔性支撑的光学镜头，由镜筒(1)和嵌套在镜筒(1)中的至少一个光学元件(2)组成，其特征在于：

所述镜筒(1)对应每个光学元件(2)的外侧面周向位置分别加工有至少三个平面；每个所述平面构成一个柔性缺口(3)的底面，则对应每个光学元件(2)的至少三个柔性缺口(3)沿镜筒(1)的周向均匀设置；相邻所述柔性缺口(3)之间设置有注胶孔(4)；

所述镜筒(1)的内壁与相对应的光学元件(2)侧面之间留有多个注胶间隙(6)，注胶间隙(6)与注胶孔(4)相应设置，通过注胶孔(4)使注胶间隙(6)内填充粘接剂。

2.根据权利要求1所述一种柔性支撑的光学镜头，其特征在于：

定义：柔性缺口(3)的底面沿光轴方向的宽度为k₁，所对应光学元件(2)沿光轴方向的最大厚度为k₂，每个柔性缺口(3)的最大深度为s₁，所对应位置处的镜筒(1)厚度为s₂，每个平面和光轴的夹角为b，则0.6k₂≤k₁≤1.3k₂，0.3s₂≤s₁≤0.9s₂，b≤5°或者b=0°。

3.根据权利要求2所述一种柔性支撑的光学镜头，其特征在于：

柔性缺口(3)的底面沿光轴方向的宽度k₁与其对应的光学元件(2)沿光轴方向的最大厚度k₂相同。

4.根据权利要求1-3任一所述一种柔性支撑的光学镜头，其特征在于：

定义所述柔性缺口(3)处的镜筒(1)沿径向的最小厚度为H，则H需满足下式：

H=max{0.3mm, D/20 mm}；

其中，D为柔性缺口(3)对应的光学元件(2)的直径。

5.根据权利要求4所述一种柔性支撑的光学镜头，其特征在于：

所述注胶间隙(6)为在镜筒(1)的内侧壁加工出的内凹结构，则相邻注胶间隙(6)之间的镜筒(1)内侧壁形成嵌套凸台(5)；嵌套凸台(5)和柔性缺口(3)一一对应设置，且对应柔性缺口(3)的中心位置，嵌套凸台(5)的内壁面与光学元件(2)侧面相抵接，用于对光学元件(2)进行径向嵌套。

6.根据权利要求5所述一种柔性支撑的光学镜头，其特征在于：

所述嵌套凸台(5)的内侧面与镜筒(1)的内侧面平滑连接；

所述注胶间隙(6)沿镜筒(1)的径向截面为月牙形，注胶间隙(6)的最大径向距离为0.2~0.4mm；

所述嵌套凸台(5)沿光轴方向的厚度比其对应的光学元件(2)最大厚度大1~2mm；

所述嵌套凸台(5)所在弧面对应的圆心角a为10°~35°。

7.根据权利要求6所述一种柔性支撑的光学镜头，其特征在于：

所述柔性缺口(3)的数量为四个，四个柔性缺口(3)的底面两两平行，且相邻底面相互垂直；

设置在相邻柔性缺口(3)之间的四个注胶孔(4)沿周向均匀分布，分别位于相邻柔性缺口(3)的中间位置；

所述嵌套凸台(5)所在弧面对应的圆心角a为15°。

8.根据权利要求6所述一种柔性支撑的光学镜头，其特征在于：

所述柔性缺口(3)的数量为四个，沿周向均匀分布，四个柔性缺口(3)的底面与镜筒(1)的光轴有一定的夹角b，b≤5°；

设置在相邻柔性缺口(3)之间的四个注胶孔(4)沿周向均匀分布，分别位于相邻柔性缺口(3)的中间位置；

所述嵌套凸台(5)所在弧面对应的圆心角a为15°。

9.一种权利要求1-8任一所述柔性支撑的光学镜头的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，加工镜筒(1)及对应每个光学元件(2)外侧面周向位置的平面，形成位于镜筒(1)外侧壁的多个柔性缺口(3)；

步骤2，将光学元件(2)依次装入镜筒(1)对应位置，使光学元件(2)的侧面与相应的嵌套凸台(5)抵接，通过注胶孔(4)调整光学元件(2)的姿态；

步骤3，从注胶孔(4)注入粘接剂，将光学元件(2)固定在镜筒(1)内的相应位置，完成柔性支撑的光学镜头装配。

10.根据权利要求9所述柔性支撑的光学镜头的装配方法，其特征在于：

步骤2中，所述调整光学元件(2)的姿态具体为：使用调整小棍从镜筒(1)外部穿过注胶孔(4)，通过调整小棍的一端接触到光学元件(2)的侧面，对光学元件(2)的俯仰角度、偏摆角度进行调整。