CN117724218B - 一种热稳定相机结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间光学技术领域，具体提供一种热稳定相机结构，其中，次镜框、次镜调整垫、主镜筒、主镜框和主镜封盖的制备材料的膨胀系数与次镜和主镜材料的膨胀系数一致，且均小于焦面电箱的制备材料的膨胀系数；主镜封盖设置在主镜筒的后端，主镜设置在主镜封盖的前侧，并通过主镜框与主镜筒连接；探测器组件和校正镜组件均安装在主镜封盖上。本发明通过设计次镜框、次镜调整垫、主镜筒和主镜封盖形成刚性较好的一体结构，采用膨胀系数较小且与次镜和主镜材料的膨胀系数一致的殷钢材料，来抵抗热变形对光学系统的影响，并通过前置主镜框的安装位置，使得主镜结构的热变形与次镜端保持一致，从而解决了光学系统在宽温域的热稳定的问题。

Description

一种热稳定相机结构

技术领域

本发明涉及空间光学技术领域，具体提供一种热稳定相机结构。

背景技术

光学遥感器用于对地球和太空资源进行普查和详查，在对地观察和太空探测等领域的应用具有重要的科学和经济意义。然而，传统光学遥感器必须借助热控条件，保持自身温度维持在一定的温度范围内才能正常工作，限制了其在更多复杂环境下的应用。随着光学遥感器应用的不断扩展，面对宽温域等恶劣环境，成为光学遥感器设计难题。

一般地，光学遥感器可通过整体均采用热膨胀系数较小的结构材料，如殷钢、碳纤维能很好地解决宽温域的问题。但由于殷钢的密度较大，其整机重量较重，对于深空探测等需要严苛减重约束的场合，包括焦面电箱在内的结构件不得不使用热膨胀系数较大的铝合金材料，同时使用铝合金材料也是抗辐射环境的有效措施。因此，面对宽温域环境和非低膨胀结构材料热膨胀应力大的问题，亟需通过总体设计统筹解决。

以卡式通轴光学系统为例，传统的卡式光学系统的主镜安装在主镜背板上，主镜背板设计为刚度较高的结构，是整机的主框架，其余包括校正镜组件和探测器组件和焦面电箱等均安装在主镜背板上，不仅校正镜组件和探测器组件和焦面电箱大量采用非低膨胀结构，导致结构热应力大，而且探测器及焦面电箱自身工作时所产生的热量也会导致与其关联的结构产生热变形，从而影响主镜以及整个光学系统中各组成部分的位置精度，进而影响成像质量。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种热稳定相机结构，在材料上，主镜筒和主镜封盖选择受热影响较小的热稳定材料，避免了探测器工作时所产生的热量会导致与其连接结构的微量热变形，从而影响整个光学系统中各组成部分的位置精度的问题；在结构上，在主镜筒和焦面电箱之间设置了主镜封盖，分离主镜组件与后端非低膨胀结构材料的热变形组件，进一步地，前置主镜框的安装位置，使得主镜结构的热变形与次镜端保持一致，从而解决了光学系统在宽温域的热稳定的问题。

本发明提供的热稳定相机结构，包括：次镜、次镜框、主镜筒、主镜、主镜框、主镜封盖、校正镜组件、探测器组件和焦面电箱；

其中，次镜框、主镜筒和主镜封盖的制备材料的膨胀系数均小于校正镜组件、探测器组件和焦面电箱的制备材料的膨胀系数；

次镜框设置在主镜筒的前端，次镜与次镜框连接；主镜封盖设置在主镜筒的后侧；主镜设置在主镜封盖的前侧，并与主镜筒连接，主镜与主镜封盖间存在轴向距离；校正镜组件设置在主镜封盖的前表面，探测器组件和焦面电箱设置在主镜封盖的前表面。

优选的，次镜框、主镜筒和主镜封盖的制备材料均为殷钢，殷钢的膨胀系数与主镜和次镜的膨胀系数相同，焦面电箱的制备材料为铝合金。

优选的，还包括次镜调整垫，次镜调整垫设置在次镜框和主镜筒之间，通过调整次镜调整垫改变主镜和次镜之间的距离。

优选的，还包括主镜框，主镜框设在主镜的后侧，主镜粘接在主镜框上；主镜通过主镜框与主镜筒连接；主镜框为圆环状，并在其外侧均匀设有3个凸出的耳片，耳片上设有通孔，通过螺栓穿过该通孔将主镜框连接在主镜筒上。

优选的，次镜调整垫采用膨胀系数与主镜和次镜的膨胀系数相同的殷钢。

优选的，将主镜筒为圆柱状结构，其后端均布有3个轴向的连接爪，相邻连接爪间的距离大于耳片的宽度，耳片连接在相邻连接爪间的主镜筒后端面上，连接爪的后端面与主镜封盖的前表面连接。

优选的，还包括校正镜组件，其设置在主镜的中心位置，用于调整系统像差。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

由于在宽温域环境及探测器、焦面电箱的热效应的影响下，传统光学遥感器中的校正镜组件、探测器组件和焦面电箱等均采用热膨胀系数较大材料，在温度变化条件下其热变形严重影响光学系统正常成像，本发明通过优化光机结构的布局和主体结构的材料，设计次镜框、次镜调整垫、主镜筒和主镜封盖形成刚性较好的一体结构，采用膨胀系数较小且与次镜和主镜材料的膨胀系数一致的殷钢材料，来抵抗包括校正镜组件、探测器组件和焦面电箱等其他结构件在温度变化环境下的热变形对光学系统的影响，并通过前置主镜框的安装位置，将主镜框直接安装在主镜筒上，使得主镜结构的热变形与次镜端保持一致，从而解决了光学系统在宽温域的热稳定的问题。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的热稳定相机结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的系统装配图。

其中的附图标记包括：

次镜框1、主镜筒2、连接爪201、主镜封盖3、焦面电箱4、探测器组件5、主镜框6、耳片601、主镜7、校正镜组件8、次镜调整垫9、次镜10。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1和图2所示，本发明实施例示出了一种热稳定相机结构，包括：次镜框1、主镜筒2、主镜封盖3、焦面电箱4、探测器组件5、主镜框6、主镜7、校正镜组件8、次镜调整垫9、次镜10，其中，次镜10安装在次镜框1内，次镜框1设置在主镜筒2的最前端，并通过次镜调整垫9与主镜筒2连接，通过调整次镜调整垫9可以改变次镜框1与主镜筒2之间的距离，进而对主镜7和次镜10的间距进行微调。主镜7粘接在主镜框6内，并通过主镜框6与主镜筒2连接，主镜7未与主镜封盖3进行连接，而是设置在主镜封盖3的前侧，与主镜封盖3之间存在一定轴向距离。在本发明实施例中，为了保证次镜框1、次镜调整垫9、主镜筒2和主镜框6能够形成刚性较好的一体结构，对主镜筒2和主镜框6的连接进行了特殊的结构设计。其中，主镜框6整体呈现为圆环状，在圆环状结构上还设置有柔性结构，用于对主镜7进行柔性支撑，以维持主镜7的光学面形。此外，在圆环状结构的外侧均匀设置有3个向外凸起的耳片601，相邻耳片601之间的圆心角为180度，在每个耳片601上设有通孔，通过螺栓穿过该通孔将主镜框6连接在主镜筒2上。该通孔既可以采用螺纹孔，也可以采用内径光滑的通孔。为了将前方光学系统与后方的热源隔离，对主镜筒2的后端进行了优化处理，具体的，主镜筒2整体为圆柱状结构，在其后端面上沿圆周均匀设置有3个连接爪201，连接爪201的设置方向与主镜筒2的轴线方向一致，连接爪201沿轴向的长度根据实际设计需要进行确定即可，连接爪201沿轴向的长度决定主镜7与主镜封盖3间的距离。连接爪201与主镜筒2可以通过一体式铸造形成，也可以分别进行铸造，再通过螺栓等连接结构进行连接。此外，相邻两个连接爪201之间存在一定距离，该距离大于耳片601的宽度，便于耳片601安装在相邻两个连接爪201之间的主镜筒2后端面上，而连接爪201的后端面则与主镜封盖3的前表面连接。本发明实施例通过对主镜筒2和主镜框6连接位置的特殊设计，实现了主镜7和主镜框6直接连接在主镜筒2上，使次镜框1、次镜调整垫9、主镜筒2和主镜框6形成刚性较好的一体式结构，该部分区域的热变形相同，且形变量较小，使得主镜7部分的热变形与次镜10的热变形一致，降低了热变形对主镜7和次镜10位置精度的影响。

次镜10与主镜7采用微晶玻璃材料，次镜框1、主镜筒2、主镜封盖3、主镜框6、次镜调整垫9均采用膨胀系数较小且与次镜10与主镜7膨胀系数相同的殷钢材料，尽可能避免温度变化对次镜10与主镜7的影响，进而避免对内部光学系统的位置精度发生变化。

主镜筒2的后端通过螺栓与主镜封盖3的前表面连接，主镜封盖3的后表面通过螺栓与焦面电箱4连接。由于焦面电箱4需要抗辐射和保护电子学，并且光学遥感器的总体重量受限，所以焦面电箱4的材料不能与前方的次镜框1、主镜筒2、主镜封盖3等结构一样均采用殷钢，焦面电箱4需要采用铝合金金属框架，焦面电箱4受热后膨胀系数较大，会发生热形变。

为了保证成像质量，探测器组件5安装在主镜封盖3的后表面上，并通过柔带与焦面电箱4电联接，光学遥感器在工作过程中，探测器组件5会产生热量，该热量会导致与其连接的主镜封盖3发生微量的热形变。在现有技术中，光学遥感器的主镜框6、主镜7、校正镜组件8、探测器组件5、焦面电箱4均是直接安装在主镜封盖3上，与主镜筒2直接连接，而校正镜组件8、探测器组件5、焦面电箱4在温度环境变化下发生热形变，并将热形变传递至前方光学系统，导致整机光学系统成像质量劣化。而本发明实施例中，优化了光机结构的布局和主体结构的材料，设计次镜框1、次镜调整垫9、主镜筒2和主镜封盖3形成刚性较好的一体结构，采用膨胀系数较小且与次镜10和主镜7材料的膨胀系数一致的殷钢材料，来抵抗包括校正镜组件8、探测器组件5和焦面电箱4等其他结构件在温度变化环境下的热变形对光学系统的影响，并通过前置主镜框6的安装位置，使得主镜7结构的热变形与次镜10保持一致，从而解决了光学系统在宽温域的热稳定的问题。

为了保证空间光学遥感器的成像质量，消除由焦面电箱4和探测器组件5工作引起的热变形对光学系统的位置精度十分重要，因此，需要提高光学系统具有抵抗热变形干扰的能力，本发明实施例在次镜框1、主镜筒2、主镜封盖3的制备材料上均选择了受热影响较小的热稳定材料，在结构上通过主镜封盖3将主要的光学系统与热源所导致的热变形组件分离，有效提高了空间光学遥感器的成像质量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种热稳定相机结构，其特征在于，包括：次镜、次镜框、主镜筒、主镜、主镜框、主镜封盖、校正镜组件、探测器组件和焦面电箱；

其中，所述次镜框、所述主镜筒和所述主镜封盖的制备材料的膨胀系数均小于所述校正镜组件、所述探测器组件和所述焦面电箱的制备材料的膨胀系数；

所述次镜框设置在所述主镜筒的前端，所述次镜与所述次镜框连接；所述主镜封盖设置在所述主镜筒的后侧；所述主镜设置在所述主镜封盖的前侧，并与所述主镜筒连接，所述主镜与所述主镜封盖间存在轴向距离；所述校正镜组件设置在所述主镜封盖的前表面，所述探测器组件和所述焦面电箱设置在所述主镜封盖的后表面；

所述热稳定相机结构还包括主镜框，所述主镜粘接在所述主镜框上；所述主镜通过所述主镜框与所述主镜筒连接。

2.如权利要求1所述的热稳定相机结构，其特征在于，所述次镜框、所述主镜筒和所述主镜封盖的制备材料均为殷钢，所述殷钢的膨胀系数与所述主镜和所述次镜的膨胀系数相同，所述焦面电箱的制备材料为铝合金。

3.如权利要求1所述的热稳定相机结构，其特征在于，还包括次镜调整垫，所述次镜调整垫设置在所述次镜框和所述主镜筒之间，通过调整所述次镜调整垫改变所述主镜和所述次镜之间的距离。

4.如权利要求1所述的热稳定相机结构，其特征在于，所述主镜框设在所述主镜的后侧，所述主镜框为圆环状，并在其外侧均匀设有3个凸出的耳片，所述耳片上设有通孔，通过螺栓穿过该通孔将所述主镜框连接在所述主镜筒上。

5.如权利要求3所述的热稳定相机结构，其特征在于，所述次镜调整垫采用膨胀系数与所述主镜和所述次镜的膨胀系数相同的殷钢。

6.如权利要求4所述的热稳定相机结构，其特征在于，所述主镜筒为圆柱状结构，其后端均布有3个轴向的连接爪，相邻连接爪间的距离大于所述耳片的宽度，所述耳片连接在相邻连接爪间的所述主镜筒后端面上，所述连接爪的后端面与所述主镜封盖的前表面连接。

7.如权利要求1所述的热稳定相机结构，其特征在于，还包括校正镜组件，其设置在所述主镜的中心位置，用于调整系统像差。