CN217085424U - 一种基于多光楔的新型光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多光楔的新型光学系统，属于光学系统设计技术领域，该装置包括光楔组和红外镜头组，其中：光楔组包括三个光楔对，多个光楔对依次安装在光楔镜筒内；红外镜头组包括五个透镜，多个透镜外依次安装在红外镜筒内。与现有技术相比，该装置可配置多个独立旋转的光楔对和红外透镜，通过优化其光学参数和布局尺寸，使其自由度和光束指向的精确控制度更高，能够防止出现大角度全反射现象，此外使用两种材料制作光楔对能够消除色差，该装置能够解决旋转双光楔造成的奇异点和盲区问题，在自由空间光通信、光互连、光电对抗、光电探测、激光武器、干涉测量等领域有着广泛的应用。

Description

一种基于多光楔的新型光学系统

技术领域

本实用新型属于光学系统设计技术领域，尤其涉及一种基于多光楔的新型光学系统。

背景技术

光楔是红外成像光学系统中用来改变出射光线方向的光学组件，通过旋转光楔，控制光楔的相对角度，改变光轴的位置，实现物方视场的快速大范围扫描。由于其结构紧凑、响应速度快、精度高、视野大、对工作环境的适应性强，使得该系统在目标搜索和定位领域有较大应用前景，可广泛应用于大规模成像与识别、生物医学观察、激光通信、基于视觉的微装配等领域。然而，光楔光学扫描装置在实际应用中会遇到多个问题，例如：光束形状畸变、色散、扫描盲区和控制奇点等。如何设计基于多光楔光学系统的光路参数和位置关系解决上述问题，成为该领域的技术难题。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种基于多光楔的新型光学系统，该装置可配置多个独立旋转的光楔对和红外透镜，通过优化其光学参数和布局尺寸，使其自由度和光束指向的精确控制度更高，能够防止出现大角度全反射现象，此外使用两种材料制作光楔对能够消除色差，该装置能够解决旋转双光楔造成的奇异点和盲区问题。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，包括光楔组和红外镜头组，其中：所述光楔组包括第一光楔对、第二光楔对和第三光楔对，所述第一光楔对、第二光楔对和第三光楔对由外向内依次安装在光楔镜筒内；所述红外镜头组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜由内向外依次安装在红外镜筒内；所述光楔镜筒和红外镜筒之间通过螺栓或螺钉可拆卸连接，光楔镜筒的外侧设置有三组旋转驱动装置，旋转驱动装置用于驱动第一光楔对、第二光楔对和第三光楔对独立、精准旋转。

优选的，所述第一光楔对、第二光楔对和第三光楔对分别由两个、三个或四个光楔组成。

优选的，所述第一光楔对、第二光楔对和第三光楔对分别由两个光楔组成：即第一光楔和第二光楔，其中：所述第一光楔的楔角范围为7°至9°，第一光楔的外表面有效光口径为76mm至80mm，第一光楔的内表面有效光口径为73mm至76mm；所述第二光楔的楔角范围为2°至4°，第二光楔的外表面有效光口径为73mm至76mm，第二光楔的内表面有效光口径为72mm至75mm；

所述第一光楔和第二光楔之间相距0.5mm至2.5mm。

优选的，所述第一透镜前表面为球面，前表面的半径范围为45mm至52mm；第一透镜后表面为球面，后表面的半径范围为-95mm至-105mm。

优选的，所述第二透镜的前表面为球面，前表面的半径范围为120mm至125mm；第二透镜的后表面为球面，后表面的半径范围为-45mm至-55mm。

优选的，所述第三透镜的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=15mm至17mm、K=0、A=0、B=-2.5e-6至-3.1e-6、C=-1.8e-8至-2.2e-8、D=8.0e-11至-8.5e-11；第三透镜的后表面为球面，后表面的半径范围为-15mm至-20mm。

优选的，所述的第四透镜的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=-8mm至-10mm 、K=0、A=0、B=-2.5e-4至-3.0e-4、C=-6.5e-7至-7.2e-7、D=-1.6e-7至-2.0e-7；第四透镜的后表面为球面，后表面的半径范围为11mm至15mm。

优选的，所述第五透镜的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=85mm至90mm、K=0、A=0、B=5.1e-6至5.2e-6、C=-2.5e-8至-3.0e-8、D=1.8e-11至2.1e-11；第五透镜的后表面为球面，后表面的半径范围为75mm至80mm。

优选的，所述第一光楔对和第二光楔对之间的距离范围为7.5mm至8.5mm；所述第二光楔对和第三光楔对之间的距离范围为7.5mm至8.5mm；所述第三光楔对和第一透镜之间的距离范围为4.5mm至7.5mm；所述第一透镜和第二透镜之间的距离范围为4.0mm至5.0mm；所述第二透镜和第三透镜之间的距离范围为52.0mm至60.0mm；所述第三透镜和第四透镜之间的距离范围为15.0mm至20.0mm；所述第四透镜和第五透镜之间的距离范围为8.0mm至10.0mm。

优选的，所述旋转驱动装置包括电机、减速机、齿轮、齿圈和编码器，其中：所述电机通过壳体可拆卸的安装在光楔镜筒的外壁上，电机的输出轴连接减速机的输入轴，减速机的输出轴套装有齿轮；光楔镜筒靠近齿轮的位置设置有传动开口，齿轮的外端能够穿过传动开口、深入光楔镜筒内部、并与套装在光楔对上的齿圈配合传动；所述编码器安装在电机上、用于检测电机位置。

本实用新型的一种基于多光楔的新型光学系统具有以下有益效果：

1）该装置可配置多个独立旋转的光楔对和红外透镜，通过优化其光学参数和布局尺寸，使其自由度和光束指向的精确控制度更高，能够防止出现大角度全反射现象，此外使用两种材料制作光楔对能够消除色差，该装置能够解决旋转双光楔造成的奇异点和盲区问题。该装置能够作为小视场红外光学镜头视场的补充，实现对红外光学镜头视场为目标的捕获

2）该装置能够通过电机精准控制光楔独立旋转，保证光学设计所要求的镜组定位精度，满足各种力学、热学等环境要求。

3）该装置的扫描跟踪场≥±35°、通光面积≥28cm²、全视场范围内包含80%能量的圆直径不大于30μm、-45°~ -60°范围内实现无热化设计，能够解决旋转双光楔造成的奇异点和盲区问题，其指向精度高、动态性能好、可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的镜片结构示意图；

图3是本实用新型的光楔对结构示意图；

图4是本实用新型的红外镜头组布局示意图。

其中，1-光楔组、101-第一光楔对、102-第二光楔对、103-第三光楔对、104-第一光楔、105-第二光楔、2-红外镜头组、201-第一透镜、202-第二透镜、203-第三透镜、204-第四透镜、205-第五透镜、3-光楔镜筒、4-红外镜筒、5-旋转驱动装置。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

实施例一

如图1和图2所示，该基于多光楔的新型光学系统包括光楔组1和红外镜头组2，其中：光楔组1包括第一光楔对101、第二光楔对102和第三光楔对103，第一光楔对101、第二光楔对102和第三光楔对103由外向内依次安装在光楔镜筒3内；红外镜头组2包括第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204和第五透镜205，第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204和第五透镜205由内向外依次安装在红外镜筒4内。

具体的，三组光楔对装配完成后，采用串联的方式，安装在镜筒内，镜筒内部的轴向长度采用隔圈调整，轴向长度公差控制在0.1mm之内，五个透镜通过压圈和环形台固定。此外，上述透镜外表面镀三防膜，可以起到防潮、防雾、防霉的作用。光学窗口和金属结构件之间采用密封圈加GD414硅橡胶填充。在高精度精密机床加工下，保证各透镜安装定位面同心度公差小于0.02，轴向公差小于±0.03。在设计过程中透镜之间安装调整修斜隔圈，以保证透镜装配过程中进一步调节，调节完成后，用压圈涂抹螺纹胶压紧固定。

图中，光楔镜筒3和红外镜筒4之间通过螺栓或螺钉、法兰可拆卸连接。光楔镜筒3的外侧设置有三组旋转驱动装置5，旋转驱动装置5用于驱动第一光楔对101、第二光楔对102和第三光楔对103独立、精准旋转。

需要说明的是，光楔镜筒3和红外镜筒4结构采用铝合金2A12制成，2A12铝合金为一种高强度硬铝合金，可以进行热处理强化，可切削性能良好。表面经过阳极氧化处理后，有较高的抗腐蚀能力。在高精度精密机床加工下，保证各透镜安装定位面同心度公差小于0.02。

实施例二

如图1所示，旋转驱动装置5包括电机、减速机、齿轮、齿圈和编码器，其中：电机通过壳体可拆卸的安装在光楔镜筒3的外壁上，电机的输出轴连接减速机的输入轴，减速机的输出轴套装有齿轮；光楔镜筒3靠近齿轮的位置设置有传动开口，齿轮的外端能够穿过传动开口、深入光楔镜筒3内部、并与套装在光楔对上的齿圈配合传动；编码器安装在电机上、用于检测电机位置。

本实施例中，三套独立电机控制系统，根据光学设计要求控制电机-减速机转动，电机减速机通过齿轮传动控制光楔在360º范围内进行转动，传动比为3.2：1。实际应用时，根据要求选取进直流无刷电机+减速机+编码器，可满足-40~+55°环境要求，减速机平均空载背隙≤1.6°。

需要说明的是，光楔对的安装座上套装有轴承，轴承采用一对等截面薄壁球轴承，材料为轴承钢，变形小。两侧有密封盖，可保证轴承长期稳定运转，里面有耐低温-40至+100℃长城润滑脂7008，不泄露，密封效果好。

实施例三

如图1至图4所示，第一光楔对101、第二光楔对102和第三光楔对103可以由两个、三个或四个光楔组成。本实施例中，第一光楔对101、第二光楔对102和第三光楔对103分别由两个光楔组成：即第一光楔104和第二光楔105，其中：第一光楔104的楔角范围为7°至9°，第一光楔104的外表面有效光口径为76mm至80mm，第一光楔104的内表面有效光口径为73mm至76mm；第二光楔105的楔角范围为2°至4°，第二光楔105的外表面有效光口径为73mm至76mm，第二光楔105的内表面有效光口径为72mm至75mm；第一光楔104和第二光楔105之间相距0.5mm至2.5mm。

本实例中，由于光楔与棱镜都具有色散的特性，当发生偏折时要考虑系统的色差，由于该问题可以用组合光楔对来减少色差的影响，即用两种不同的材料的光楔组合而成，该装置选择Si和Ge作为组合光楔对的两种材料，其中楔角大的光楔用色散小的硅材料，楔角小的用色散大的锗材料。

需要说明的是，光楔组件安装配合径向间隙控制在0~0.05mm之内。通过轴承精度保证三组光楔同轴度误差在0.05mm之内，并保证光楔组件运转的平稳、可靠。

实施例四

如图1至图4所示，第一透镜201前表面为球面，前表面的半径范围为45mm至52mm；第一透镜201后表面为球面，后表面的半径范围为-95mm至-105mm。第二透镜202的前表面为球面，前表面的半径范围为120mm至125mm；第二透镜202的后表面为球面，后表面的半径范围为-45mm至-55mm。第三透镜203的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=15mm至17mm、K=0、A=0、B=-2.5e-6至-3.1e-6、C=-1.8e-8至-2.2e-8、D=8.0e-11至-8.5e-11；第三透镜203的后表面为球面，后表面的半径范围为-15mm至-20mm。的第四透镜204的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=-8mm至-10mm 、K=0、A=0、B=-2.5e-4至-3.0e-4、C=-6.5e-7至-7.2e-7、D=-1.6e-7至-2.0e-7；第四透镜204的后表面为球面，后表面的半径范围为11mm至15mm。第五透镜205的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=85mm至90mm 、K=0、A=0、B=5.1e-6至5.2e-6、C=-2.5e-8至-3.0e-8、D=1.8e-11至2.1e-11；第五透镜205的后表面为球面，后表面的半径范围为75mm至80mm。需要说明的是，上述非球面方程中C₀=1/R。

本实施例中，第一光楔对101和第二光楔对102之间的距离L1范围为7.5mm至8.5mm；第二光楔对102和第三光楔对103之间的距离L2范围为7.5mm至8.5mm；第三光楔对103和第一透镜201之间的距离L3范围为4.5mm至7.5mm；第一透镜201和第二透镜202之间的距离L4范围为4.0mm至5.0mm；第二透镜202和第三透镜203之间的距离L5范围为52.0mm至60.0mm；第三透镜203和第四透镜204之间的距离L6范围为15.0mm至20.0mm；第四透镜204和第五透镜205之间的距离L7范围为8.0mm至10.0mm。

具体安装时，在高精度精密机床加工下，保证各透镜安装定位面同心度公差小于0.02，轴向公差小于±0.03。在设计过程中透镜之间安装调整修斜隔圈，以保证透镜装配过程中进一步调节，调节完成后，用压圈涂抹螺纹胶压紧固定。

需要说明的是，通过调整光学镜头和相机壳体之间的修切垫片的厚度来调整像面清晰度，调整完成后，进行干燥并使用硅橡胶密封，保证光学系统的密封性，即使在潮湿环境下和低气压环境中仍可以正常工作。光学窗口外表面镀三防膜，可以起到防潮、防雾、防霉的作用；光学窗口和金属结构件之间采用密封圈加GD414硅橡胶填充；所有接口处均采用GD414硅橡胶密封，以上措施可有效起到防水防潮防盐雾的作用，保证在潮湿的环境下仍然可以正常工作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，包括光楔组（1）和红外镜头组（2），其中：

所述光楔组（1）包括第一光楔对（101）、第二光楔对（102）和第三光楔对（103），所述第一光楔对（101）、第二光楔对（102）和第三光楔对（103）由外向内依次安装在光楔镜筒（3）内；

所述红外镜头组（2）包括第一透镜（201）、第二透镜（202）、第三透镜（203）、第四透镜（204）和第五透镜（205），所述第一透镜（201）、第二透镜（202）、第三透镜（203）、第四透镜（204）和第五透镜（205）由内向外依次安装在红外镜筒（4）内；

所述光楔镜筒（3）和红外镜筒（4）之间通过螺栓或螺钉可拆卸连接，光楔镜筒（3）的外侧设置有三组旋转驱动装置（5），旋转驱动装置（5）用于驱动第一光楔对（101）、第二光楔对（102）和第三光楔对（103）独立、精准旋转。

2.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，所述第一光楔对（101）、第二光楔对（102）和第三光楔对（103）分别由两个、三个或四个光楔组成。

3.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，所述第一光楔对（101）、第二光楔对（102）和第三光楔对（103）分别由两个光楔组成：即第一光楔（104）和第二光楔（105），其中：

所述第一光楔（104）的楔角范围为7°至9°，第一光楔（104）的外表面有效光口径为76mm至80mm，第一光楔（104）的内表面有效光口径为73mm至76mm；

所述第二光楔（105）的楔角范围为2°至4°，第二光楔（105）的外表面有效光口径为73mm至76mm，第二光楔（105）的内表面有效光口径为72mm至75mm；

所述第一光楔（104）和第二光楔（105）之间相距0.5mm至2.5mm。

4.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，所述第一透镜（201）前表面为球面，前表面的半径范围为45mm至52mm；第一透镜（201）后表面为球面，后表面的半径范围为-95mm至-105mm。

5.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，所述第二透镜（202）的前表面为球面，前表面的半径范围为120mm至125mm；第二透镜（202）的后表面为球面，后表面的半径范围为-45mm至-55mm。

6.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，所述第三透镜（203）的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=15mm至17mm、K=0、A=0、B=-2.5e-6至-3.1e-6、C=-1.8e-8至-2.2e-8、D=8.0e-11至-8.5e-11；第三透镜（203）的后表面为球面，后表面的半径范围为-15mm至-20mm。

7.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，所述的第四透镜（204）的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=-8mm至-10mm 、K=0、A=0、B=-2.5e-4至-3.0e-4、C=-6.5e-7至-7.2e-7、D=-1.6e-7至-2.0e-7；第四透镜（204）的后表面为球面，后表面的半径范围为11mm至15mm。

8.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，所述第五透镜（205）的前表面为非球面，前表面的非球面方程中：R=85mm至90mm 、K=0、A=0、B=5.1e-6至5.2e-6、C=-2.5e-8至-3.0e-8、D=1.8e-11至2.1e-11；第五透镜（205）的后表面为球面，后表面的半径范围为75mm至80mm。

9.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于：

所述第一光楔对（101）和第二光楔对（102）之间的距离（L1）范围为7.5mm至8.5mm；

所述第二光楔对（102）和第三光楔对（103）之间的距离（L2）范围为7.5mm至8.5mm；

所述第三光楔对（103）和第一透镜（201）之间的距离（L3）范围为4.5mm至7.5mm；

所述第一透镜（201）和第二透镜（202）之间的距离（L4）范围为4.0mm至5.0mm；

所述第二透镜（202）和第三透镜（203）之间的距离（L5）范围为52.0mm至60.0mm；

所述第三透镜（203）和第四透镜（204）之间的距离（L6）范围为15.0mm至20.0mm；

所述第四透镜（204）和第五透镜（205）之间的距离（L7）范围为8.0mm至10.0mm。

10.根据权利要求1所述的基于多光楔的新型光学系统，其特征在于，所述旋转驱动装置（5）包括电机、减速机、齿轮、齿圈和编码器，其中：

所述电机通过壳体可拆卸的安装在光楔镜筒（3）的外壁上，电机的输出轴连接减速机的输入轴，减速机的输出轴套装有齿轮；

光楔镜筒（3）靠近齿轮的位置设置有传动开口，齿轮的外端能够穿过传动开口、深入光楔镜筒（3）内部、并与套装在光楔对上的齿圈配合传动；

所述编码器安装在电机上、用于检测电机位置。

Images