CN117539020A - 一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构及调焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构及调焦方法，属于光学精密仪器技术领域。解决了现有调焦机构容易出现卡滞、冷焊粘接的问题。光学载荷结构包括主镜组件、矫正镜组、主镜室、安装架、调焦桁架杆、次镜安装座和次镜，所述矫正镜组安装在主镜组件的后面，所述主镜组件安装在主镜室的后端面上，所述安装架安装在主镜室的前端面上，所述调焦桁架杆一端连接在安装架上，另一端与次镜安装座相连，所述次镜安装在次镜安装座上，所述调焦桁架杆侧面设置有温控部件，通过温控部件对调焦桁架杆的温度进行调节。它主要用于次镜温控调焦。
Description
技术领域
本发明属于光学精密仪器技术领域，特别是涉及一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构及调焦方法。
背景技术
航空航天遥感器可用于全天时、近实时对地面信息进行观测，可获取清晰、可靠的图像信息，在应急救灾、测绘制图、军事侦查等领域具有不可替代的作用。然而光学载荷工作时所处的环境条件比较复杂恶劣，由于环境条件的变化如气压的改变、失重的影响、经过冲击振动后光学载荷的变化、温度水平及梯度导致的光轴偏离及离焦，光学载荷的焦平面会产生不同程度的离焦，影响成像质量，致使图像模糊。因此，为保证成像质量，需要对光学载荷的离焦量进行修正。
目前国内外常见的调焦机构方式有镜组移动式、焦平面反射镜移动式、像面移动式等。执行机构多为丝杠螺母机构和凸轮机构。但这种调焦机构容易出现卡滞、冷焊粘接等问题，同时对结构加工精度、装配质量都要严格要求。采用这种调焦机构也额外增加了光学载荷的包络尺寸和整机质量。设计一套可补偿像面偏移的高精度、高稳定性的调焦装置成为本领域亟待解决的关键技术问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构及调焦方法，以解决现有调焦机构容易出现卡滞、冷焊粘接的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，它包括主镜组件、矫正镜组、主镜室、安装架、调焦桁架杆、次镜安装座和次镜，所述矫正镜组安装在主镜组件的后面，所述主镜组件安装在主镜室的后端面上，所述安装架安装在主镜室的前端面上，所述调焦桁架杆一端连接在安装架上，另一端与次镜安装座相连，所述次镜安装在次镜安装座上，所述调焦桁架杆侧面设置有温控部件，通过温控部件对调焦桁架杆的温度进行调节。
更进一步的，所述温控部件包括帕尔贴和加热片，帕尔贴和加热片分别设置在调焦桁架杆的两个侧面上。
更进一步的，所述帕尔贴和加热片均为两组对称设置。
更进一步的，所述调焦桁架杆的侧面粘接有测温传感器。
更进一步的，所述调焦桁架杆采用铝合金6061-T6材料。
更进一步的，所述调焦桁架杆为回字形中空结构。
更进一步的，所述调焦桁架杆沿安装架周向均匀布置三组。
更进一步的，所述调焦桁架杆两端设置有柔性槽。
更进一步的，所述次镜通过次镜压圈安装在次镜安装座上。
本发明还提供了一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构的调焦方法，具体如下：通过公式（1）计算得到光学系统的焦深，
δ=4F 2 λ（1）
式中：δ为光学系统的焦深；F为镜头相对孔径的倒数；λ为入射光波长；
调焦分辨率为光学系统半焦深的1/4；
通过公式（2）得到主镜和次镜之间的距离与焦距的关系，
（2）
式中：f为光学系统总焦距，ｄ为主镜和次镜之间的距离，α为遮光比，β为次镜的放大倍数；
根据相机光学设计指标，通过式（2）得出焦面移动距离与次镜移动距离的倍数关系；
通过对光学系统的标定得到控温分辨率和次镜调焦范围/>；
通过调焦分辨率和焦面移动距离与次镜移动距离的倍数关系得到次镜的调焦分辨率 ；
通过公式（3）得到调焦桁架杆的总长，
（3）
式中：L 0为调焦桁架杆总长，CTE为调焦桁架杆材料的线胀系数，
通过公式（4）得到调焦桁架杆的温度偏移范围，
（4）
式中：为调焦桁架杆的温度偏移范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于材料的热胀冷缩原理，同时提供了采用次镜温控调焦的光学载荷结构的调焦方法，用于确定调焦桁架杆长度及调焦桁架杆的温度偏移范围。利用加热片、帕尔贴及热敏电阻对调焦桁架杆精确控温，使得次镜位置发生变化，从而对光学载荷焦面漂移进行补偿，完成系统的调焦。选择次镜作为调焦元件，不需要额外调焦机构，调节目标较轻，精度较高，降低加工成本，减轻了整体重量。
本发明结构简单、可靠，不会出现传统调焦机构时常发生卡滞、冷焊粘接等问题，同时对结构加工精度、装配质量要求较低。提高了组部件利用率，可以有效降低光学载荷的包络尺寸和整机质量。
采用帕尔贴与加热片组合形式，既可以升温又可以降温，提高控温精度，同时降低控温范围，进而降低调焦功耗。调焦桁架杆采用铝合金制成，材料具有较高的机械强度，具有优异的热导率和相对较高的热膨胀系数。调焦性能稳定、精度高、结构可靠。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构示意图；
图2为本发明所述的调焦桁架杆组成结构示意图；
图3为本发明所述的单个调焦桁架杆结构示意图；
图4为本发明所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构爆炸示意图；
图5为本发明所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构爆炸剖视示意图。
图中：1-主镜组件，2-矫正镜组，3-主镜室，4-安装架，5-调焦桁架杆，6-帕尔贴，7-加热片，8-测温传感器，9-次镜安装座，10-次镜，11-次镜压圈，12-连接件，51-柔性槽，52-安装孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-5说明本实施方式，一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，它包括主镜组件1、矫正镜组2、主镜室3、安装架4、调焦桁架杆5、次镜安装座9和次镜10，所述矫正镜组2安装在主镜组件1的后面，所述主镜组件1安装在主镜室3的后端面上，所述安装架4安装在主镜室3的前端面上，所述调焦桁架杆5一端通过连接件12连接在安装架4上，另一端通过连接件12与次镜安装座9相连，所述次镜10安装在次镜安装座9上，所述调焦桁架杆5侧面设置有温控部件，通过温控部件对调焦桁架杆5的温度进行调节。
本实施例基于材料的热胀冷缩原理，利用温控部件对调焦桁架杆5精确控温，使得次镜10位置发生变化，从而对光学载荷结构焦面漂移进行补偿，完成系统的调焦。选择次镜10作为调焦元件，不需要额外调焦机构，调节目标较轻，精度较高，降低加工成本，减轻了整体重量。
所述温控部件包括帕尔贴6和加热片7，帕尔贴6和加热片7分别设置在调焦桁架杆5的两个侧面上。加热片7用于对调焦桁架杆5加热，帕尔贴6用于对调焦桁架杆5降温。采用帕尔贴6和加热片7组合形式，既可以升温又可以降温，提高控温精度，同时降低控温范围，进而降低调焦功耗。
优选的，所述帕尔贴6和加热片7均为两组对称设置，所述调焦桁架杆5的侧面粘接有测温传感器8。所述调焦桁架杆5采用结构强度高，高导热率、高热膨胀系数材料，优选为，铝合金6061-T6材料，调焦桁架杆5采用铝合金制成，材料具有较高的机械强度，具有优异的热导率和相对较高的热膨胀系数。调焦性能稳定、精度高、结构可靠。
所述调焦桁架杆5为回字形中空结构，所述调焦桁架杆5沿安装架4周向均匀布置三组，所述调焦桁架杆5两端设置有柔性槽51，用于卸载热应力及装配应力。所述次镜10通过次镜压圈11安装在次镜安装座9上，次镜压圈11安装在次镜安装座9上，用于固定次镜10位置。所述连接件12为螺钉和螺母，所述调焦桁架杆5两端设置有安装孔52，通过安装孔52及螺钉和螺母的配合实现调焦桁架杆5两端的连接。
本发明还提供了一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构的调焦方法，用于确定调焦桁架杆长度及调焦桁架杆的温度偏移范围，具体如下：
具体如下：通过公式（1）计算得到光学系统的焦深，
δ=4F 2 λ（1）
式中：δ为光学系统的焦深；F为镜头相对孔径的倒数；λ为入射光波长；
调焦分辨率为光学系统半焦深的1/4；
通过公式（2）得到主镜和次镜之间的距离与焦距的关系，
（2）
式中：f为光学系统总焦距，ｄ为主镜和次镜之间的距离，α为遮光比，β为次镜的放大倍数；
根据相机光学设计指标，通过式（2）得出焦面移动距离与次镜移动距离的倍数关系；
通过对光学系统的标定得到控温分辨率和次镜调焦范围/>；
通过调焦分辨率和焦面移动距离与次镜移动距离的倍数关系得到次镜的调焦分辨率；
通过公式（3）得到调焦桁架杆的总长，
（3）
式中：L 0为调焦桁架杆总长，CTE为调焦桁架杆材料的线胀系数，
通过公式（4）得到调焦桁架杆的温度偏移范围，
（4）
式中：为调焦桁架杆的温度偏移范围。
本实施例以某光学系统采用两反射镜加矫正镜组结构为例，该光学系统相对孔径为1/9.42，系统工作入射光波长λ为550nm，光学载荷调焦桁架杆5采用铝6061-T6材料，线胀系数CTE为23.6×10-6/℃。
通过对光学系统的标定得到控温分辨率为±0.2℃，次镜调焦范围/>为±15μm。
通过公式（1）计算得到光学系统的焦深，
δ=4F 2 λ=4×9.422×550nm=0.19552008mm（1）
式中：δ为光学系统的焦深；F为镜头相对孔径的倒数；λ为入射光波长；
调焦分辨率为光学系统半焦深的1/4，即：
调焦分辨率==0.0244mm
通过公式（2）得到主镜和次镜之间的距离与焦距的关系，
（2）
式中：f为光学系统总焦距，ｄ为主镜和次镜之间的距离，α为遮光比，β为次镜的放大倍数；
根据相机光学设计指标，通过式（2）得出焦面移动距离是次镜移动距离的22.5倍，则：
次镜的调焦分辨率δL=0.0244mm/22.5=0.00108mm
通过公式（3）得到调焦桁架杆的总长，
（3）
式中：L 0为调焦桁架杆总长，CTE为调焦桁架杆材料的线胀系数，
取调焦桁架杆5的总长L 0为200mm，在次镜调焦范围为±15μm要求下，通过公式（4）得到调焦桁架杆5的温度偏移范围，
（4）
式中：为调焦桁架杆的温度偏移范围。
因此，需要实现次镜±15μm调焦范围，调焦桁架杆5的温度偏移范围为±3.17℃。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (10)
1.一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：它包括主镜组件（1）、矫正镜组（2）、主镜室（3）、安装架（4）、调焦桁架杆（5）、次镜安装座（9）和次镜（10），所述矫正镜组（2）安装在主镜组件（1）的后面，所述主镜组件（1）安装在主镜室（3）的后端面上，所述安装架（4）安装在主镜室（3）的前端面上，所述调焦桁架杆（5）一端连接在安装架（4）上，另一端与次镜安装座（9）相连，所述次镜（10）安装在次镜安装座（9）上，所述调焦桁架杆（5）侧面设置有温控部件，通过温控部件对调焦桁架杆（5）的温度进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：所述温控部件包括帕尔贴（6）和加热片（7），帕尔贴（6）和加热片（7）分别设置在调焦桁架杆（5）的两个侧面上。
3.根据权利要求2所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：所述帕尔贴（6）和加热片（7）均为两组对称设置。
4.根据权利要求1所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：所述调焦桁架杆（5）的侧面粘接有测温传感器（8）。
5.根据权利要求1所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：所述调焦桁架杆（5）采用铝合金6061-T6材料。
6.根据权利要求1所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：所述调焦桁架杆（5）为回字形中空结构。
7.根据权利要求1所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：所述调焦桁架杆（5）沿安装架（4）周向均匀布置三组。
8.根据权利要求1所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：所述调焦桁架杆（5）两端设置有柔性槽（51）。
9.根据权利要求1所述的一种采用次镜温控调焦的光学载荷结构，其特征在于：所述次镜（10）通过次镜压圈（11）安装在次镜安装座（9）上。
10.一种如权利要求1所述采用次镜温控调焦的光学载荷结构的调焦方法，其特征在于：通过公式（1）计算得到光学系统的焦深，
δ=4F 2 λ（1）
式中：δ为光学系统的焦深；F为镜头相对孔径的倒数；λ为入射光波长；
调焦分辨率为光学系统半焦深的1/4；
通过公式（2）得到主镜和次镜之间的距离与焦距的关系，
（2）
式中：f为光学系统总焦距，ｄ为主镜和次镜之间的距离，α为遮光比，β为次镜的放大倍数；
根据相机光学设计指标，通过式（2）得出焦面移动距离与次镜移动距离的倍数关系；
通过对光学系统的标定得到控温分辨率和次镜调焦范围/>；
通过调焦分辨率和焦面移动距离与次镜移动距离的倍数关系得到次镜的调焦分辨率 ；
通过公式（3）得到调焦桁架杆的总长，
（3）
式中：L 0为调焦桁架杆总长，CTE为调焦桁架杆材料的线胀系数，
通过公式（4）得到调焦桁架杆的温度偏移范围，
（4）
式中：为调焦桁架杆的温度偏移范围。
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