RU2664765C1 - Thermomechanical drive for moving the optical components of the lens - Google Patents
Thermomechanical drive for moving the optical components of the lens Download PDFInfo
- Publication number
- RU2664765C1 RU2664765C1 RU2017110782A RU2017110782A RU2664765C1 RU 2664765 C1 RU2664765 C1 RU 2664765C1 RU 2017110782 A RU2017110782 A RU 2017110782A RU 2017110782 A RU2017110782 A RU 2017110782A RU 2664765 C1 RU2664765 C1 RU 2664765C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- lens
- stack
- plates
- cte
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
- G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
- G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
- G02B7/10—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification by relative axial movement of several lenses, e.g. of varifocal objective lens
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в тепловизорах в качестве механического привода автоматической фокусировки изображения, построенного его объективом, в рабочем диапазоне температур от минус 40°C до плюс 50°C.The invention relates to the field of instrumentation and can be used in thermal imagers as a mechanical drive for automatic focusing of the image, built by its lens, in the operating temperature range from minus 40 ° C to plus 50 ° C.
Уровень техникиState of the art
Объективы для ИК-области спектра изготавливают в основном из монокристаллического германия или кремния, а также других материалов, прозрачных в указанных областях спектра. Эти материалы, особенно германий, характеризуются значительным изменением показателя преломления от температуры, что вызывает дефокусировку изображения объектива - смещение плоскости изображения относительно плоскости фотоприемника вдоль оптической оси. Это приводит к существенному снижению качества изображения, особенно в температурном диапазоне от минус 40°C до плюс 50°C.IR lenses are made primarily from single-crystal germanium or silicon, as well as other materials that are transparent in these spectral regions. These materials, especially germanium, are characterized by a significant change in the refractive index from temperature, which causes a defocusing of the image of the lens — a shift of the image plane relative to the plane of the photodetector along the optical axis. This leads to a significant decrease in image quality, especially in the temperature range from minus 40 ° C to plus 50 ° C.
В существующих конструкциях объективов для уменьшения температурной дефокусировки изображения используются дорогостоящие материалы оправ, такие, например, как инвар и титан.Existing lens designs use expensive frame materials, such as Invar and Titanium, to reduce thermal defocusing of the image.
Наиболее близким по технической сущности решением задачи сохранения качества изображения в широком температурном диапазоне является подвижка всего объектива или его отдельных оптических компонентов с помощью электропривода, которая компенсирует температурный сдвиг плоскости изображения.The closest technical solution to the problem of preserving image quality over a wide temperature range is to move the entire lens or its individual optical components using an electric drive that compensates for the temperature shift of the image plane.
Недостатком конструкции объективов с подвижным оптическим компонентом (см. патенты РФ №2365952 и США №4479695) является осуществление подвижки компонента объектива электроприводом с батареями для его электропитания, электродвигателями, редукторами, датчиками температуры, что приводит к увеличению: массы и габаритов изделия, энергопотребления и снижению эксплуатационной оперативности.A drawback of the design of lenses with a movable optical component (see RF patents Nos. 2365952 and US Nos. 4479695) is the movement of the lens component by an electric drive with batteries for its power supply, electric motors, gearboxes, temperature sensors, which leads to an increase in: mass and dimensions of the product, power consumption and reduce operational efficiency.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является создание привода для компенсации дефокусировки изображения объектива тепловизора, работающего в широком интервале температур, основанного на эффекте линейного изменения геометрии твердых тел при изменении температуры.The objective of the invention is to provide a drive to compensate for defocusing the image of a thermal imager lens operating in a wide temperature range, based on the effect of a linear change in the geometry of solids with temperature.
Технический результат: обеспечение термокомпенсации дефокусировки изображения объектива тепловизора, работающего в температурном интервале от минус 40°C до плюс 50°C, в пределах ошибки измерения дефокусировки изображения объектива. При этом не требуется дополнительной электроэнергии, двигателей, редукторов, датчиков температуры и других компонентов электропривода.Effect: providing thermal compensation for defocusing the image of a thermal imager lens operating in the temperature range from minus 40 ° C to plus 50 ° C, within the error measurement of defocusing the image of the lens. It does not require additional electricity, motors, gearboxes, temperature sensors and other components of the electric drive.
Поставленная задача решена созданием термомеханического привода (далее - термопривода), основными деталями которого являются пластины одинаковой геометрии, состоящие из двух материалов с разными коэффициентами линейного расширения, при условии совместимости технологии их соединения. Например, это может быть ковар и нержавеющая сталь, которые хорошо свариваются между собой любым способом сварки. Ширина и толщина пластин определяются из прочностного расчета и конструкторских решений, а длина пластин - из терморасчета.The problem was solved by creating a thermomechanical drive (hereinafter referred to as the thermal drive), the main details of which are plates of the same geometry, consisting of two materials with different linear expansion coefficients, provided that the technology of their connection is compatible. For example, it can be a carpet and stainless steel, which are well welded together by any welding method. The width and thickness of the plates are determined from the strength calculation and design decisions, and the length of the plates from the thermal calculation.
Описание конструкции термоприводаThermal Drive Design Description
Пластины из разных материалов, попарно свариваются между собой, как показано на фигуре 1, где:Plates of different materials are welded together in pairs, as shown in figure 1, where:
1 - пластина из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например ковара;1 - a plate of material with a low coefficient of thermal expansion, for example Kovar;
2 - пластина из материала с большим коэффициентом температурного расширения, например нержавеющей стали,2 - plate of a material with a large coefficient of thermal expansion, for example stainless steel,
3 - место сварки,3 - place of welding,
L - длина пластины.L is the length of the plate.
Для пластин, закрепленных таким образом, как показано на фигуре 1, справедлива формула:For plates fixed in this way, as shown in figure 1, the following formula is true:
где ΔL(T) - суммарное перемещение конца второй пластины относительно неподвижного конца первой пластины при изменении температуры,where ΔL (T) is the total displacement of the end of the second plate relative to the fixed end of the first plate with a change in temperature,
L - длина пластин,L is the length of the plates,
ΔT - интервал изменения температуры,ΔT is the interval of temperature change,
α 1 и α 2 - коэффициенты линейного расширения материалов пластин. α 1 and α 2 are the linear expansion coefficients of the plate materials.
Далее пары пластин складываются в стопку из n пар пластин и также свариваются между собой таким образом, чтобы получилась стопка чередующихся пластин с меньшим и большим коэффициентами расширения, при этом крайними будут пластина с меньшим и пластина с большим коэффициентами расширения, как показано на фигуре 2.Further pairs of plates are formed by a stack of n pairs of plates and is also welded together so as to produce a stack of alternating plates with smaller and larger expansion coefficients, the extreme will insert a smaller and a plate with a large expansion coefficients, as shown in Figure 2.
Для конструкции, показанной на фигуре 2, справедлива формула:For the design shown in figure 2, the following formula is true:
где n - количество пар пластин.where n is the number of pairs of plates.
Далее конструкция термопривода поясняется фигурами 3 и 4.Next, the design of the thermal actuator is illustrated by figures 3 and 4.
К первой пластине (например, из ковара) стопки n пар пластин, как показано на фигуре 3, приваривается планка 4 (например, из нержавеющей стали). К последней пластине стопки n пар пластин (например, из нержавеющей стали) приваривается планка 5 также из нержавеющей стали. L 0 - рабочая длина первой и последней пластины.To the first plate (for example, from Kovar), a stack of n pairs of plates, as shown in Figure 3, a
Как показано на фигуре 4, планка 4 используется для закрепления стопки 6 из n пар пластин к неподвижной оправе 7, винтами 8. Оправа 7 в свою очередь крепится к неподвижной части объектива.As shown in figure 4, the
Планка 5 используется для закрепления стопки 6 из n пар пластин винтами 9 к подвижной оправе 10 (фигура 4), которая в свою очередь крепится к подвижному компоненту объектива.The
Для обеспечения параллельности перемещения подвижной оправы 10 относительно неподвижной оправы 7 применена направляющая 11 в виде стержня цилиндрической или другой формы, которая жестко крепится к неподвижной оправе 7 с помощью двух опор 12, винтами 13 и стопорными винтами 14. Две опоры 15 крепятся к подвижной оправе 10 с помощью винтов 16 и содержат сквозные отверстия 17, расположенные на одной оси, параллельной оптической оси объектива, в которых свободно перемещается направляющая 11. Форма отверстий 17 совпадает с формой сечения направляющей 11. Параллельность неподвижной 7 и подвижной 10 оправ обеспечивается настройкой опор 12 и 15 в зазорах их крепящих винтов. Для крепления термопривода к неподвижной части объектива неподвижная оправа 7 содержит, например, монтажные отверстия 18. Для крепления термопривода к подвижной части объектива подвижная оправа 10 содержит, например, паз 19.To ensure parallel movement of the
Для полученной таким образом конструкции термопривода справедлива формула:For the thermal drive structure thus obtained, the following formula is valid:
где L 0 - рабочая длина первой и последней пластин термопривода.where L 0 - working length of the first and last plates of the thermo-actuator.
Если приравнять величину суммарного перемещения планки 5 от температуры ΔL(T) к величине дефокусировки Δf изображения объектива тепловизора, работающего в широком интервале температур, то можно определить длины L всех пластин термопривода по формуле:If we equate the total displacement of the
Для образца термопривода, изготовленного по вышеизложенному описанию из пластин ковара (сталь 29НК) и нержавеющей стали (сталь 12Х18Н10Т), при величине дефокусировки Δf=0.98 мм, измеренной по факту для объектива заданной конструкции:For a thermal actuator sample made according to the above description from Kovar plates (29NK steel) and stainless steel (12X18H10T steel), with a defocus value Δ f = 0.98 mm, measured in fact for a lens of a given design:
L=80.1 мм, L = 80.1 mm
при этом:wherein:
L 0=58 мм; L 0 = 58 mm;
ΔT=90°C;Δ T = 90 ° C;
n=12 (пар пластин); n = 12 (pairs of plates);
α 1=5×10-6 K -1 (сталь 29НК); α 1 = 5 × 10 -6 K -1 (steel 29NK);
α 2=16,6×10-6 K -1 (сталь 12Х18Н10Т). α 2 = 16.6 × 10 -6 K -1 (steel 12X18H10T).
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет с помощью термопривода, работающего на эффекте линейного изменения геометрии твердых тел от температуры, обеспечить термокомпенсацию дефокусировки изображения объектива тепловизора, работающего в температурном интервале от минус 40°C до плюс 50°C в пределах ошибки измерения дефокусировки изображения объектива. При этом не требуется дополнительной электроэнергии, двигателей, редукторов, датчиков температуры и других компонентов электропривода.Thus, in comparison with the prototype, the present invention allows, using a thermal actuator operating on the effect of a linear change in the geometry of solids from temperature, to provide thermal compensation for defocusing the image of a thermal imager lens operating in the temperature range from minus 40 ° C to plus 50 ° C within the measurement error defocus lens image. It does not require additional electricity, motors, gearboxes, temperature sensors and other components of the electric drive.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Термопривод 20 (фигура 5) монтируют на объективе 21 таким образом, что его неподвижная оправа 7, например, с помощью винтов и монтажных отверстий 18, крепится к неподвижной части объектива 21, например к посадочному месту 22 на корпусе объектива 21. Подвижная оправа 10, например, с помощью паза 19 крепится к подвижному компоненту объектива 23 либо к фотоприемнику 24, содержащему соответствующий штифт 25, вставляемый в паз 19. Термопривод крепят таким образом, чтобы обеспечить прямолинейное движение подвижного компонента объектива параллельно его оптической оси при изменении температуры. Длину пластин рассчитывают по формуле (4), а ширину и толщину - из прочностных расчетов, обеспечивающих надежность конструкции.The thermal actuator 20 (figure 5) is mounted on the
Начальную настройку объектива проводят в нормальных климатических условиях (НКУ) таким образом, чтобы изображение, формируемое объективом 21, совпадало с плоскостью фотоприемника 24, то есть получалось максимально четкое изображение. Далее, при изменении температуры окружающей среды и, следовательно, объектива происходит изменение положения плоскости формируемого изображения 26 из-за изменения оптических параметров линз объектива с температурой. В итоге, плоскость изображения 26 смещается вдоль оптической оси объектива относительно плоскости фотоприемника 24, как показано на фигуре 5. В то же время происходит изменение геометрических размеров пластин, составляющих термопривод 20: подвижная оправа 10 перемещает с помощью штифта 25 подвижную часть 23 объектива 21 в положение 27, возвращая плоскость изображения 26 в плоскость фотоприемника 24. При этом направляющая 11, жестко закрепленная стопорными винтами 14 в неподвижной оправе 7, за счет перемещения в отверстиях опор 15 обеспечивает прямолинейное перемещение подвижной оправы 10 параллельно оптической оси объектива 21.The initial adjustment of the lens is carried out in normal climatic conditions (NKU) so that the image formed by the
Таким образом, формируемое изображение при любой температуре совпадает с плоскостью фотоприемника, в итоге достигается эффект термокомпенсации объектива.Thus, the image being formed at any temperature coincides with the plane of the photodetector; as a result, the effect of thermal compensation of the lens is achieved.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017110782A RU2664765C1 (en) | 2017-03-30 | 2017-03-30 | Thermomechanical drive for moving the optical components of the lens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017110782A RU2664765C1 (en) | 2017-03-30 | 2017-03-30 | Thermomechanical drive for moving the optical components of the lens |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2664765C1 true RU2664765C1 (en) | 2018-08-22 |
Family
ID=63286831
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017110782A RU2664765C1 (en) | 2017-03-30 | 2017-03-30 | Thermomechanical drive for moving the optical components of the lens |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2664765C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU65607A1 (en) * | 1938-01-17 | 1944-11-30 | К.П. Осипов | Micromanshgul tor |
SU1239516A1 (en) * | 1983-03-09 | 1986-06-23 | Предприятие П/Я Г-4671 | Device for measuring linear shifts |
US20080253001A1 (en) * | 2005-02-14 | 2008-10-16 | Sagem Defense Securite | Actuating Device Comprising Bimetal Disks |
WO2011158643A1 (en) * | 2010-06-16 | 2011-12-22 | コニカミノルタオプト株式会社 | Focal-point correction device |
US20140049849A1 (en) * | 2009-06-04 | 2014-02-20 | Nikon Corporation | Lens unit and image capturing apparatus |
US20140362280A1 (en) * | 2013-06-06 | 2014-12-11 | New Shicoh Technology Co., Ltd. | Driving member, linear driving device, camera, device and electronic device |
-
2017
- 2017-03-30 RU RU2017110782A patent/RU2664765C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU65607A1 (en) * | 1938-01-17 | 1944-11-30 | К.П. Осипов | Micromanshgul tor |
SU1239516A1 (en) * | 1983-03-09 | 1986-06-23 | Предприятие П/Я Г-4671 | Device for measuring linear shifts |
US20080253001A1 (en) * | 2005-02-14 | 2008-10-16 | Sagem Defense Securite | Actuating Device Comprising Bimetal Disks |
US20140049849A1 (en) * | 2009-06-04 | 2014-02-20 | Nikon Corporation | Lens unit and image capturing apparatus |
WO2011158643A1 (en) * | 2010-06-16 | 2011-12-22 | コニカミノルタオプト株式会社 | Focal-point correction device |
US20140362280A1 (en) * | 2013-06-06 | 2014-12-11 | New Shicoh Technology Co., Ltd. | Driving member, linear driving device, camera, device and electronic device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20090300806A1 (en) | Atomic force microscope | |
Alcock et al. | High-speed adaptive optics using bimorph deformable x-ray mirrors | |
RU2664765C1 (en) | Thermomechanical drive for moving the optical components of the lens | |
US10018508B2 (en) | Optomechanically compensated spectrometer | |
Ataman et al. | Compact Fourier transform spectrometers using FR4 platform | |
US11048047B1 (en) | Housing an etalon in a frequency reference system | |
JP2021152535A (en) | Optical component mount, device for providing temperature dependent movement of optical component, and optical device | |
CN201141934Y (en) | Computer plate-making device capable of automatic adjusting focal length of lens | |
CN206002755U (en) | A kind of multi-view-field long ripple infrared zoom optical system and thermal infrared imager | |
US9632392B1 (en) | Lens assembly with a linear guide system | |
US9638886B1 (en) | Lens assembly with a linear guide system | |
Nistea et al. | Long, elliptically bent, active X-ray mirrors with slope errors< 200 nrad | |
JP2019500655A (en) | Component shift device with shape memory alloy actuator | |
RU2683603C1 (en) | Target optical-electronic search and tracking system thermal imaging channel auto-focusing method | |
RU2343511C2 (en) | Optical system with temperature compensation of focusing | |
CN107991747B (en) | Athermalization mechanical device of optical system | |
RU2639995C1 (en) | Single-mirror off-axis lens | |
RU2811356C1 (en) | Scanning fabry-perot interferometer based on it-28-30 | |
RU152284U1 (en) | THERMOSTABILIZED SCAN CONFOCAL INTERFEROMETER | |
JP7288666B2 (en) | Cavity length adjustment device | |
US11960130B2 (en) | Method and system for stabilizing fiber grating optical parameters | |
Pott et al. | Vibration control of ELTs | |
Badami et al. | In-situ metrology for adaptive x-ray optics with an array of interferometric absolute distance measuring sensors | |
US20230160692A1 (en) | Temperature compensation for liquid lens | |
Onillon et al. | Small scanning mirror mechanism |