CN121276732A - 一种用于高低温试验箱的光学窗口装置及其组装方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高低温试验箱的光学窗口装置及其组装方法，涉及光学元件的装调技术领域，具体涉及一种用于高低温试验箱的光学窗口。本发明解决降低了温度对光学窗口面型的影响。所述装置包括主镜筒和两个窗口玻璃，所述装置还包括：两个密封条；所述主镜筒内壁两端分别设有止口；所述两个密封条分别固定在止口的两侧；两个窗口玻璃分别与密封条紧密接触，所述两个窗口玻璃的边缘与所述主镜筒内侧壁之间留有间隙；所述两个窗口玻璃内部中间层的气压小于外部气压，使得所述两个窗口玻璃与两个密封条紧密接触、不脱落。本发明克服现有技术的偏见。本发明所述的光学窗口装置，还可以应用于工作环境温差比较大的其他仪器仪表中，作为光学窗口。

Description

一种用于高低温试验箱的光学窗口装置及其组装方法

技术领域

本发明涉及光学元件的装调技术领域，具体涉及一种用于高低温试验箱的光学窗口。

背景技术

随着科学技术的不断发展，光电吊舱在目标探测、地理信息测绘与灾害预防等多个领域都发挥着重要的作用。而外界温度的变化，会造成光电吊舱成像质量的劣化。为了模拟外界环境对光电吊舱成像质量的影响，会将光电吊舱放置在高低温试验箱中，进而实现对光电吊舱像质的检测。

光学窗口作为高低温试验箱的重要组成部分，其自身的热变形对待测设备的像质具有较大的影响。在现有技术中，降低温度对光学窗口面型的影响一般采用温度补偿的手段来解决，如，中国专利文献CN115128756A中公开了一种适用于高低温环境的浸润式光学窗口，该方案中通过调节浸润液的温度进而调节光学窗口的温度，进而减少温度对光学窗口面型的影响；再如，中国专利文献CN108760631A公开了具有温度自适应功能的窗口玻璃，其通过添加柔性机构及温控单元对窗口玻璃的温度进行补偿，以降低温度对窗口玻璃面型的影响，但其设备组成较为复杂，安装工艺比较复杂。

发明内容

本发明在简化结构的基础上实现了降低温度对光学窗口面型的影响。

为解决上述技术问题，提供如下方案：

方案一：一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，所述装置包括主镜筒、窗口玻璃A和窗口玻璃B，还包括：密封条A和密封条B；

所述主镜筒内壁两端分别设有止口；

所述密封条A和密封条B分别固定在止口的两侧；

窗口玻璃A和窗口玻璃B分别与密封条A和密封条B紧密接触，所述窗口玻璃A和窗口玻璃B的边缘与所述主镜筒内侧壁之间留有间隙；

所述窗口玻璃A和窗口玻璃B内部中间层的气压小于外部气压，使得所述窗口玻璃A和窗口玻璃B分别与对应的密封条A和密封条B紧密接触、不脱落。

进一步优化方案，所述中间层的气压为-0.1MPa。

进一步优化方案，所述窗口玻璃A和窗口玻璃B的材料和形状均相同，所述窗口玻璃A和窗口玻璃B的边缘与所述主镜筒内侧壁之间的间隙相同，均为L，所述L通过下述公式计算得到：

L=(α×l₀×T×1/2)+3mm；

公式中，α为窗口玻璃材料的线性膨胀系数，l₀为窗口玻璃原始直径，T为窗口玻璃端值温度的差值。

进一步优化方案，所述光学窗口装置还包括压环A和压环B，所述压环的外径与所述主镜筒内径相同；所述压环A和压环B分别固定在所述主镜筒的两端，所述压环A和压环B与临近的窗口玻璃之间留有间隙。

进一步优化方案，所述光学窗口装置还包括保护罩，所述保护罩为圆盘形，其直径与所述主镜筒外径相同，所述保护罩覆盖在压环A上，与所述压环A可拆卸连接。

进一步优化方案，所述光学窗口装置还包单向阀A和单向阀B，一个是进气阀、一个是出气阀，所述单向阀A和单向阀B分别嵌入固定在所述主镜筒外侧壁内，用于实现中间层与外部的气体流动。

进一步优化方案，所述光学窗口装置还包括压力表，所述压力表固定在所述主镜筒外侧壁上，用于检测中间层的压力。

进一步优化方案，所述主镜筒外侧壁上设置有法兰。

方案二：一种光学窗口装置的组装方法，所述光学窗口装置为所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，所述组装方法包括：

在主镜筒的止口两侧分别粘结固定密封条A和密封条B；

将窗口玻璃A与密封条A紧密接触以及窗口玻璃B与密封条B紧密接触，且保证窗口玻璃A和窗口玻璃B与主镜筒内侧壁之间留间隙；

关闭作为进气阀的单向阀A，打开作为出气阀的单向阀B，然后通过该单向阀B抽取中间层的气体，直到所述中间层内部的压力达到-0.1MPa时，停止抽取，并关闭该单向阀B。

进一步优化方案，所述方法还包括：在抽取中间层气体的过程中，通过设置在主镜筒上的压力表实现实时观测中间层的压力。

本发明与现有技术相比较具有以下有益效果：

1、本发明为了实现降低温度对光学窗口面型的影响，采用了与现有技术中完全不同的设计构思，即，没有通过温度补偿的方式减小甚至避免窗口玻璃的温度变化，进而减小光学窗口受温度影响而产生形变、进而降低光学窗口面型的改变。本发明是通过光学窗口结构的调整来解决该问题，该结构预留出窗口玻璃受温度影响的形变空间，即，允许窗口玻璃在环境温度变化时产生形变，但是由于有预留的空间，导致光学窗口在受到温度变化时，其为均匀的热变形，不会受到外部结构的挤压，进而引起面型的变化。本发明属于克服现有技术偏见的发明创造。

2、本发明所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，是将两个窗口玻璃与主镜筒之间留有间隙，然后通过控制两个玻璃窗口之间的中间层与外部的气压差实现将两个窗口玻璃与主镜筒固定连接，这样的结构，能够给出两个窗口玻璃预留出一定的变形空间，使得在外部温度变化较大的时候，窗口玻璃有充足的变形空间、进而减少面型变化、甚至破裂的情况出现，有效地缓解温度变化导致窗口玻璃面型变化的问题。

本发明所述的光学窗口装置，还可以应用于工作环境温差比较大的其他仪器仪表中，作为光学窗口。

附图说明

图1是本发明所述一种用于高低温试验箱的光学窗口装置的正视图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1所述装置的部分零件装配轴测图。

附图标记：压力表1；主镜筒2；单向阀A3；保护罩4；单向阀B5；压环A6；窗口玻璃A7；密封条A8；密封条B9；窗口玻璃B10；压环B11；中间层12；法兰13；止口14。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

需说明的是，部分附图采用非常简化的形式且未使用精准比例，仅用以方便，明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。

实施方式一：参照图1与图2说明本实施方式。本实施方式为所述一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，所述装置包括主镜筒2、窗口玻璃A7和窗口玻璃B10，其特征在于，所述装置还包括：密封条A8和密封条B9；

所述主镜筒2内壁两端分别设有止口14；

所述密封条A8和密封条B9分别固定在两个止口14的两侧；

窗口玻璃A7和窗口玻璃B10分别与密封条A8和密封条B9紧密接触，所述窗口玻璃A7和窗口玻璃B10的边缘与所述主镜筒2内侧壁之间留有间隙；

所述窗口玻璃A7和窗口玻璃B10内部中间层12的气压小于外部气压，使得所述窗口玻璃A7和窗口玻璃B10分别与对应的密封条A8和密封条B9紧密接触、不脱落。

本实施方式所述装置的窗口玻璃与主镜筒之间留有间隙并且通过中间层12与外界的压力差固定窗口玻璃于密封条上，使得窗口玻璃在预留的间隙内自由变形以减小温度对窗口玻璃面型影响，与现有技术中使用温度补偿部件降低玻璃面型的装置相比，装置结构更简单。

本实施方式中所述止口14的内径过大会导致窗口边缘接触区域过小，会影响窗口玻璃的稳定性和中间层的气密性，进而影响光学窗口的稳定工作；止口14的内径过小会导致窗口边缘接触区域过大，进而导致窗口玻璃的通光直径变小，影响测试光束的口径，一种优选方式为将止口宽度设置为窗口玻璃直径的6%。

本实施方式中所述密封条（密封条A和密封条B）为保证两个窗口玻璃之间的中间层气密性，也作为两个窗口玻璃和主镜筒2之间缓冲带，因此，密封条优选有20%-30%的变形量的材料。所述变形量=F×L/(E×A)，其中L为密封条的长度，E为密封条材料的弹性模量，A为密封条的横截面积。

实施方式二：参照图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的用于高低温试验箱的光学窗口装置的优化设计，本实施方式中所述中间层12的气压为-0.1MPa。

本实施方式中，所述中间层的压力过大时会导致密封条压缩量不足，无法实现密封。本实施方式优选为-0.1MPa，能够保证密封条的密封性能的前提下，保证两个窗口玻璃稳定的固定在密封条外部。

实施方式三：参照图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的用于高低温试验箱的光学窗口装置的优化设计，本实施方式中所述所述窗口玻璃A7和窗口玻璃B10的材料和形状均相同，窗口玻璃A7和窗口玻璃B10的边缘与所述主镜筒2内侧壁之间的间隙相同，均为L，所述L通过下述公式计算得到：

L=（α×l₀×T×1/2）+3mm；

公式中，α为窗口玻璃材料的线性膨胀系数，l₀为窗口玻璃原始直径，T为窗口玻璃端值温度的差值。

本实施方式所述装置中两个窗口玻璃（窗口玻璃A7、窗口玻璃B10）与主镜筒2内侧壁之间的间隙L过大时，会导致窗口玻璃装置组件过大，增加装置的体积和重量，当间隙过小时，会导致窗口玻璃变形至一定程度时会受到主镜筒2的应力，进而可能导致窗口玻璃破损。因此，本实施方式中，该间隙参照窗口玻璃的热变特征来设计。选择该窗口玻璃材料时，考虑其在端值为-70℃和+60℃的最大温度差下的变形特征。

实施方式四：参照图1和图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的用于高低温试验箱的光学窗口装置的优化设计，本实施方式中所述光学窗口装置还包括压环A6和压环B11，所述压环A6和压环B11的外径相同，所述外径与所述主镜筒2内径相同；所述压环A6和压环B11分别固定在所述主镜筒2的两端，所述压环A6和压环B11与临近的窗口玻璃之间留有间隙。

本实施方式所述光学窗口配置了两个压环，所述两个压环的外径可以设计为和主镜筒的内径相同，用于保护光学窗口，所述压环与窗口玻璃有一定间隙，所述窗口玻璃受温度影响热胀冷缩于纵向层面亦有变形，因此将压环与窗口玻璃之间设置一定距离，以免窗口玻璃受到压环的应力。

所述间隙的设置可以参照实施方式三的方式，参照窗口玻璃材料的热变形特征，预留出变形空间即可，此时l₀为窗口玻璃原始厚度。

所述压环与主镜筒之间可以通过螺钉固定。为了保证固定的可靠性，至少采用三个螺钉固定，所述三个螺钉沿圆周均匀分布。

为了光学窗口装置表面的平整性，所述压环上固定螺钉的位置设计成沉头孔结构，使得固定螺钉的螺帽能够嵌入内部，保证压环表面的平整、美观。

实施方式五：本实施方式是对实施方式四所述的用于高低温试验箱的光学窗口装置的优化设计，本实施方式中所述光学窗口装置还包括保护罩4，所述保护罩4为圆盘形，其直径与所述主镜筒2外径相同，所述保护罩4覆盖在压环A6上，与所述压环A6可拆卸连接。

本实施方式所述装置配置了保护罩4，保护罩4上有通孔，通过螺钉将保护罩固定到压环A6上。

所述保护罩用于减少灰尘对光学窗口的影响，减少光学窗口的清洁，光学窗口一侧安装安全罩，另一侧安装至高低温试验箱上，当需要探测温度对光电吊舱的影响时，需打开保护罩，并在高低温试验箱的外侧放置检测设备，光电吊舱通过光学窗口装置对检测设备进行成像，探究温度对光电吊舱成像的影响。

实施方式六：本实施方式是对实施方式一所述的用于高低温试验箱的光学窗口装置的优化设计，本实施方式中所述光学窗口装置还包单向阀A3和单向阀B5，一个是进气阀、一个是出气阀，所述单向阀A3和单向阀B5分别嵌入固定在所述主镜筒2外侧壁内，用于实现中间层与外部的气体流动。

本实施方式中所述装置配置了两个单向阀，一个用作进气阀，一个用作出气阀，用于连接抽气装置，以将中间层12的压力控制抽至-0.1MPa固定窗口玻璃。

实施方式七：本实施方式是对实施方式一所述的用于高低温试验箱的光学窗口装置的优化设计，本实施方式中所述光学窗口装置还包括压力表1，所述压力表(1)固定在所述主镜筒2外侧壁上，用于检测中间层12的压力。

本实施方式中所述装置配置了压力表1，用于检测中间层12的压力值。确保中间层12与窗口玻璃外的压力差足以固定窗口玻璃。

实施方式八：参照图3说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一至七任意一项实施方式所述的用于高低温试验箱的光学窗口装置的优化设计，本实施方式中所述主镜筒2外侧壁上设置有法兰13。

本实施方式所述装置配置了法兰13，通过法兰13将所述窗口玻璃固定连接于高低温试验箱上，法兰连接与现有技术如螺纹连接相比，在密封性方面更加优越，更适合本发明所述的温差环境。

上述各个实施方式是对本发明所要求保护的光学窗口装置的优选结构，还包括上述各个实施方式限定的要素的合理组合获得的光学窗口装置。

实施方式九：本实施方式为实施方式六所述的所述一种光学窗口装置的组装方法，所述组装方法包括：

在主镜筒2的止口14两侧分别粘结固定密封条A8和密封条B9；

将窗口玻璃A7与密封条A8紧密接触以及窗口玻璃B10与密封条B9紧密接触，且保证窗口玻璃A7和窗口玻璃B10与主镜筒2内侧壁之间留间隙；

关闭作为进气阀的单向阀A3，打开作为出气阀的单向阀B5，然后通过该单向阀B5抽取中间层的气体，直到所述中间层内部的压力达到-0.1MPa时，停止抽取，并关闭该单向阀B5。

本实施方式所述的组装方法将窗口玻璃通过压力固定于主镜筒上，现有技术中大多采用机械固定的方式将窗口玻璃连接固定于主镜筒上，与现有技术相比，本发明所述的固定方式具有更好的密封性，更适合本发明所述的高低温实验箱的工作环境。

实施方式十：本实施方式是对实施方式九所述的一种光学窗口装置的组装方法优化，本实施方式中所述方法还包括：在抽取中间层气体的过程中，通过设置在主镜筒2上的压力表1实现实时观测中间层的压力。

本实施方式所述为配置了压力表1的光学窗口的组装方法，配置压力表1后则可实现抽取中间层12空气的同时观察其压力，则不要求抽气装置配置压力表，不限制抽气装置的型号条件。

Claims (10)

1.一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，所述装置包括主镜筒(2)、窗口玻璃A（7）和窗口玻璃B（10），其特征在于，所述装置还包括：密封条A（8）和密封条B（9）；

所述主镜筒(2)内壁两端分别设有止口(14)；

所述密封条A（8）和密封条B（9）分别固定在止口(14)的两侧；

窗口玻璃A（7）和窗口玻璃B（10）分别与密封条A（8）和密封条B（9）紧密接触，所述窗口玻璃A（7）和窗口玻璃B（10）的边缘与所述主镜筒(2)内侧壁之间留有间隙；

所述窗口玻璃A（7）和窗口玻璃B（10）内部中间层（12）的气压小于外部气压，使得所述窗口玻璃A（7）和窗口玻璃B（10）分别与对应的密封条A（8）和密封条B（9）紧密接触、不脱落。

2.根据权利要求1所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，其特征在于，所述中间层（12）的气压为-0.1MPa。

3.根据权利要求1所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，其特征在于，所述窗口玻璃A（7）和窗口玻璃B（10）的材料和形状均相同，所述窗口玻璃A（7）和窗口玻璃B（10）的边缘与所述主镜筒(2)内侧壁之间的间隙相同，均为L，所述L通过下述公式计算得到：

L=（α×l₀×T×1/2）+3mm；

公式中，α为窗口玻璃材料的线性膨胀系数，l₀为窗口玻璃原始直径，T为窗口玻璃端值温度的差值。

4.根据权利要求1所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，其特征在于，所述光学窗口装置还包括压环A（6）和压环B（11），所述压环A（6）和压环B（11）的外径相同，所述外径与所述主镜筒(2)内径相同；所述压环A（6）和压环B（11）分别固定在所述主镜筒(2)的两端，所述压环A（6）和压环B（11）与临近的窗口玻璃之间留有间隙。

5.根据权利要求4所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，其特征在于，所述光学窗口装置还包括保护罩(4)，所述保护罩(4)为圆盘形，其直径与所述主镜筒(2)外径相同，所述保护罩(4)覆盖在压环A(6)上，与所述压环A(6)可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，其特征在于，所述光学窗口装置还包单向阀A（3）和单向阀B（5），一个是进气阀、一个是出气阀，所述单向阀A（3）和单向阀B（5）分别嵌入固定在所述主镜筒(2)外侧壁内，用于实现中间层与外部的气体流动。

7.根据权利要求1所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，其特征在于，所述光学窗口装置还包括压力表(1)，所述压力表(1)固定在所述主镜筒(2)外侧壁上，用于检测中间层(12)的压力。

8.根据权利要求1至7任意一项权利要求所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，其特征在于，所述主镜筒(2)外侧壁上设置有法兰(13)。

9.一种光学窗口装置的组装方法，其特征在于，所述光学窗口装置为权利要求6所述的一种用于高低温试验箱的光学窗口装置，所述组装方法包括：

在主镜筒(2)的止口(14)两侧分别粘结固定密封条A（8）和密封条B（9）；

将窗口玻璃A（7）与密封条A（8）紧密接触以及窗口玻璃B（10）与密封条B（9）紧密接触，且保证窗口玻璃A（7）和窗口玻璃B（10）与主镜筒(2)内侧壁之间留间隙；

关闭作为进气阀的单向阀A(3)，打开作为出气阀的单向阀B(5)，然后通过该单向阀B(5)抽取中间层的气体，直到所述中间层内部的压力达到-0.1MPa时，停止抽取，并关闭该单向阀B(5)。

10.根据权利要求9所述一种光学窗口装置的组装方法，其特征在于，所述方法还包括：在抽取中间层气体的过程中，通过设置在主镜筒(2)上的压力表(1)实现实时观测中间层的压力。