專(zhuān)利名稱(chēng)：一種透鏡固定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種固定裝置，尤其涉及ー種用于低溫條件下透鏡光學(xué)系統(tǒng)的固定裝置。
背景技術(shù)：
目前，在許多成像光學(xué)系統(tǒng)中，都采用了透射光學(xué)系統(tǒng)。這些光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是所用的波段在可見(jiàn)光波段，使用環(huán)境在常溫常壓下。常用的透鏡裝配方式如圖I所示，軸向預(yù)緊采用常規(guī)壓圈20，通過(guò)隔圈21將透鏡端面穩(wěn)穩(wěn)壓在鏡筒23的內(nèi)端面上，透鏡22和鏡筒23之間的間隙靠設(shè)計(jì)加工保證。如果使用的環(huán)境溫度變化比較大(從_30°C到+50°C)，一般采用無(wú)熱化設(shè)計(jì)，選用的透鏡和鏡筒材料的熱膨脹系數(shù)比較接近。但隨著科學(xué)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，要求將工作在紅外波段的透射光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用到低溫環(huán)境中，因?yàn)樵诘蜏叵驴捎行У販p小光學(xué)系統(tǒng)本身的熱輻射，有益于光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測(cè)。將透射光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用到低溫下就要解決由于降溫使透鏡和鏡筒變形不一致而產(chǎn)生的裝配應(yīng)カ問(wèn)題，同時(shí)還需保證低溫下光學(xué)系統(tǒng)的光軸方向不發(fā)生變化，光學(xué)性能沒(méi)有明顯變差
坐寸ο
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于低溫下(零下200°C左右)固定透鏡的裝置，該裝置主要克服了常規(guī)透射光學(xué)鏡筒結(jié)構(gòu)不能適用于低溫環(huán)境的缺點(diǎn)。該透鏡固定裝置主要可以解決透射光學(xué)系統(tǒng)常溫下裝配、低溫下使用的難題，保證常溫下裝配的固定透鏡結(jié)構(gòu)在低溫下不會(huì)發(fā)生破壞，使透鏡產(chǎn)生變形甚至破碎，保證光軸方向不發(fā)生變化，從而保證低溫下光學(xué)系統(tǒng)的性能。該裝置在軸向和徑向的固定方式都采用了弾性結(jié)構(gòu)。軸向固定采用彈性壓圈和墊圈，弾性壓圈通過(guò)墊圈將透鏡壓在鏡座的內(nèi)端面上。徑向固定結(jié)構(gòu)采用了在透鏡外圓下端用兩個(gè)小凸臺(tái)面支撐，上端用圓柱螺旋壓縮彈簧壓緊的方式，同時(shí)要保證透鏡外圓與鏡座內(nèi)筒之間要預(yù)留足夠的間隙。所述的徑向固定機(jī)構(gòu)包括彈簧、導(dǎo)向桿、螺帽、螺桿以及螺釘，螺桿和鏡座上的中心孔對(duì)齊，通過(guò)螺釘將螺桿固定在鏡座上；導(dǎo)向桿插入螺桿和鏡座對(duì)齊的中心孔中，底端與透鏡的外圓接觸；彈簧套在導(dǎo)向桿上，通過(guò)擰緊螺帽壓縮彈簧產(chǎn)生推力推動(dòng)導(dǎo)向桿壓緊透鏡。所用彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧，彈簧兩端需打磨平整。所述導(dǎo)向桿與透鏡接觸的頂端為半球形，半球上端與半球銜接的一小段圓柱形的端面為支撐圓柱螺旋壓縮彈簧下端，半球直徑比鏡座上端的中心孔直徑略小，為間隙配合；導(dǎo)向桿后端為套圓柱螺旋壓縮彈簧所用的圓柱形，其直徑小于圓柱螺旋壓縮彈簧的內(nèi)徑；導(dǎo)向桿的整體長(zhǎng)度應(yīng)小于螺桿上端面到透鏡外圓上端之間的距離。
用于將螺桿固定在鏡座上的螺釘由4顆圓柱頭螺釘組成。 所述的彈性壓圈由前端的多圈彈性結(jié)構(gòu)和后端的外螺紋結(jié)構(gòu)組成，每?jī)扇χg由三條筋相連，三條筋在圓周上間隔120度均勻分布，每相鄰兩圈相連的三條筋又錯(cuò)開(kāi)60度分布。透鏡外圓與鏡座內(nèi)筒在下端只有兩個(gè)小凸臺(tái)面接觸，兩小凸臺(tái)面均為圓弧面，與透鏡外徑相等，在與光軸垂直的截面內(nèi)，以透鏡中心為原點(diǎn)，對(duì)稱(chēng)分布與Y軸成45度夾角的方向上，與位于Y軸上端的導(dǎo)向桿一起形成向心穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。除了透鏡和彈簧外，其他結(jié)構(gòu)件全部由同一種金屬材料加工而成。透鏡外圓與鏡座內(nèi)筒之間的間隙大小由透鏡和鏡座兩種材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度決定。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于I)由于本發(fā)明在軸向設(shè)計(jì)使用弾性壓圈，可以吸收由于溫度變化而使透鏡與鏡座之間產(chǎn)生的裝配應(yīng)力，避免該應(yīng)カ直接作用在透鏡上，因此保證透鏡在低溫下的鏡面不會(huì)變形；2)由于本發(fā)明在徑向設(shè)計(jì)中，透鏡與鏡座內(nèi)筒之間預(yù)留足夠間隙，防止在低溫環(huán)境下鏡座內(nèi)筒將透鏡擠壓變形，甚至壓碎；3)由于本發(fā)明在徑向方向上透鏡外圓面下端與鏡座內(nèi)筒采用兩個(gè)小凸臺(tái)弧面接觸，并且兩個(gè)小凸臺(tái)弧面相對(duì)于透鏡光軸對(duì)稱(chēng)分布，透鏡外圓面頂端采用圓柱螺旋壓縮彈簧壓紫，因此保證透鏡在熱變形過(guò)程中始終結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且光軸方向保持不變。4)由于本發(fā)明所用元件數(shù)量少，因此該固定裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。
圖I所示為常溫下常規(guī)透鏡光學(xué)系統(tǒng)軸向固定剖面圖；圖2所示為本發(fā)明的低溫用透鏡光學(xué)系統(tǒng)軸向固定剖面圖；圖3所示為本發(fā)明的低溫用透鏡光學(xué)系統(tǒng)徑向固定剖面圖；圖4所示為本發(fā)明的彈性壓圈軸向及徑向剖面圖；圖5所示為本發(fā)明的彈性壓圈三維模型圖；圖6所示為本發(fā)明低溫實(shí)驗(yàn)實(shí)施光路圖；圖7所示為本發(fā)明一種實(shí)施實(shí)驗(yàn)的紅外圖像；圖8所示為本發(fā)明一種實(shí)施實(shí)驗(yàn)?zāi)芰考卸热S效果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步詳細(xì)地描述。如圖2、3所示為本發(fā)明的一種用于低溫透射光學(xué)系統(tǒng)的透鏡固定裝置，包括軸向固定透鏡8所用的彈性壓圈1，墊圈2，徑向支撐透鏡8所用的鏡座9以及徑向固定透鏡8所用的圓柱螺旋壓縮彈簧
3、導(dǎo)向桿4、螺帽5和螺桿6。在光軸方向上，弾性壓圈I通過(guò)墊圈2將透鏡8緊緊壓在鏡座9的內(nèi)端面上；在徑向，透鏡8的外圓下端與鏡座9內(nèi)筒上的兩個(gè)凸臺(tái)弧面接觸，如圖3所示，兩小凸臺(tái)分別位于第三、四象限與X軸成45度夾角的地方。螺桿6通過(guò)螺釘10固定在鏡座9上，然后將導(dǎo)向桿4放入螺桿6和鏡座9相通的內(nèi)孔中，導(dǎo)向桿4的下端與透鏡8的外圓上端面接觸，接著將圓柱螺旋壓縮彈簧3套入導(dǎo)向桿4中，導(dǎo)向桿4與透鏡8接觸的頂端為半球形，半球上端與半球銜接的一小段圓柱形的端面為支撐圓柱螺旋壓縮彈簧3下端，半球直徑比鏡座9上端的中心孔直徑略小，為間隙配合；導(dǎo)向桿4后端為套圓柱螺旋壓縮彈簧3所用的圓柱形，其直徑小于圓柱螺旋壓縮彈簧3的內(nèi)徑；導(dǎo)向桿4的整體長(zhǎng)度應(yīng)小于螺桿6上端面到透鏡8外圓上端之間的距離，最后用螺帽5向下壓圓柱螺旋壓縮彈簧3，將螺帽5擰緊在螺桿6上。該光學(xué)系統(tǒng)裝配完成后，通過(guò)螺釘7固定在光學(xué)平臺(tái)上。具體實(shí)施例首先根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度、透鏡和鏡座材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)以及徑向尺寸計(jì)算透鏡和鏡座之間在常溫裝配時(shí)徑向應(yīng)該預(yù)留的間隙。在實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度為100K，透鏡材料為鍺(Ge)，圓柱壓縮彈簧材料為炭素彈簧鋼絲，其他結(jié)構(gòu)件材料均為鋁(Al)。鍺的線(xiàn)膨脹系數(shù)為6. 00E-6m/ (m. K)，鋁的線(xiàn)膨脹系數(shù)為2. 29E_5m/ (m. K)，從常溫20°C降到低溫100K溫度變化差值為193K，實(shí)施例中透鏡的外徑為Φ 34mm，從而可計(jì)算出到低溫100K下透鏡和鏡座之間的徑向線(xiàn)性變形差值約為O. 112mm。在軸向透鏡的最大厚度為8mm，其最大線(xiàn)性變形差值約為O. 026mm。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，在徑向?qū)⑼哥R與鏡座內(nèi)筒的間隙設(shè)計(jì)為O. 2mm。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如圖3所示，以透鏡中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，將鏡座9內(nèi)筒位于第三、四象限與X軸成45夾角度方向加工成兩個(gè)小凸臺(tái)，兩小凸臺(tái)面為弧形，弧面直徑與透鏡外徑相等，寬度為4mm。如圖2所示，與透鏡8左球面接觸的墊圈2也為圓弧面，曲率半徑也與透鏡8的左球面半徑吻合。圖4為本發(fā)明所用的弾性壓圈I的具體結(jié)構(gòu)剖視圖，前端的弾性環(huán)節(jié)由四個(gè)厚度為Imm的弾性圈組成，每圈之間由寬度為5mm的三條筋相連，三條筋在圓周上間隔120度均勻分布，每相鄰兩圈相連的三條筋錯(cuò)開(kāi)60度(如圖5所示)，后端采用外螺紋，方便與鏡座內(nèi)筒配合。將常溫下裝配調(diào)好的光學(xué)系統(tǒng)裝配到低溫艙體中，進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，控制光學(xué)平臺(tái)溫度到100K達(dá)到溫度平衡。實(shí)驗(yàn)光路如圖6所示，主要由黑體61、光管62、光學(xué)系統(tǒng)63、紅外探測(cè)器65以及低溫艙體64組成。黑體61產(chǎn)生的紅外輻射通過(guò)光管62上的小孔，由光管62變?yōu)槠叫泄馊肷涞降蜏嘏擉w64中，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)63聚焦成像到紅外探測(cè)器65上，由紅外探測(cè)器65輸出的圖像如圖7所示，從圖8可以看出單像元的能量集中度達(dá)到了 70%以上。說(shuō)明系統(tǒng)像質(zhì)好，能量集中度高。該光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾輪溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有明顯變化，表明該透鏡固定裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，透鏡沒(méi)有明顯變形，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的。本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例變化，變型都將落在本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種透鏡固定裝置，包括透鏡(8)、鏡座(9)、軸向固定機(jī)構(gòu)和徑向固定機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的軸向固定機(jī)構(gòu)包括弾性壓圈(I)、墊圈(2)，弾性壓圈(I)通過(guò)墊圈(2)將透鏡(8)壓在鏡座(9)的內(nèi)端面上；所述的徑向固定機(jī)構(gòu)是ー種可彈性伸縮結(jié)構(gòu)，透鏡(8)的外圓與鏡座(9)的內(nèi)筒之間預(yù)留足夠的間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透鏡固定裝置，其特征在于所述的徑向固定機(jī)構(gòu)包括彈簧(3)、導(dǎo)向桿(4)、螺帽(5)、螺桿(6)以及螺釘(10)，螺桿(6)和鏡座(9)上的中心孔對(duì)齊，通過(guò)螺釘(10)將螺桿(6)固定在鏡座(9)上；導(dǎo)向桿(4)插入螺桿(6)和鏡座(9)對(duì)齊的中心孔中，底端與透鏡(8)的外圓接觸；彈簧(3)套在導(dǎo)向桿(4)上，通過(guò)擰緊螺帽(5)壓縮彈簧(3)產(chǎn)生推力推動(dòng)導(dǎo)向桿(4)壓緊透鏡(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透鏡固定裝置，其特征在干彈簧(3)為圓柱螺旋壓縮彈簧，彈簧兩端需打磨平整。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透鏡固定裝置，其特征在于所述導(dǎo)向桿(4)與透鏡(8)接觸的頂端為半球形，半球上端與半球銜接的一小段圓柱形的端面為支撐圓柱螺旋壓縮彈簧(3)下端，半球直徑比鏡座(9)上端的中心孔直徑略小，兩者為間隙配合；導(dǎo)向桿⑷后端為套圓柱螺旋壓縮彈簧(3)所用的圓柱形，其直徑略小于圓柱螺旋壓縮彈簧(3)的內(nèi)徑；導(dǎo)向桿(4)的整體長(zhǎng)度應(yīng)小于螺桿(6)上端面到透鏡(8)外圓上端之間的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透鏡固定裝置，其特征在于除了透鏡(8)和彈簧(3)タト，其他結(jié)構(gòu)件全部由同一種金屬材料加工而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透鏡固定裝置，其特征在干所述的彈性壓圈(I)由前端的多圈彈性結(jié)構(gòu)和后端的外螺紋結(jié)構(gòu)組成，前端的多圈彈性結(jié)構(gòu)每?jī)扇χg由三條筋相連，三條筋在圓周上間隔120度均勻分布，每相鄰兩圈相連的三條筋又錯(cuò)開(kāi)60度分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透鏡固定裝置，其特征在于透鏡⑶外圓與鏡座(9)內(nèi)筒在下端只有兩個(gè)小凸臺(tái)面接觸，兩小凸臺(tái)面均為圓弧面，與透鏡外徑相等，在與光軸垂直的截面內(nèi)，以透鏡(8)中心為原點(diǎn)，對(duì)稱(chēng)分布與Y軸成45度夾角的方向上，與位于Y軸上端的導(dǎo)向桿一起形成向心穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的透鏡固定裝置，其特征在于透鏡(8)外圓與鏡座(9)內(nèi)筒之間的間隙大小由透鏡(8)和鏡座(9)兩種材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度決定。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透鏡固定裝置，其特征在于用于將螺桿(6)固定在鏡座(9)上的螺釘由4顆圓柱頭螺釘組成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于低溫透射光學(xué)系統(tǒng)的透鏡固定裝置，在軸向和徑向都設(shè)計(jì)了具有彈性伸縮的預(yù)緊結(jié)構(gòu)。其中在軸向采用彈性壓圈結(jié)構(gòu)預(yù)緊，吸收由于溫度變化使透鏡和鏡筒之間變形不一致產(chǎn)生的裝配應(yīng)力；在徑向透鏡外圓下端與鏡筒接觸的地方采用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的小凸臺(tái)圓弧面接觸同時(shí)上端采用圓柱螺旋壓縮彈簧預(yù)緊，使透鏡和鏡筒之間保持足夠的間隙以防低溫?cái)D壓透鏡變形，同時(shí)保證該結(jié)構(gòu)向心穩(wěn)定，光軸方向不變。該固定裝置可很好地保證光學(xué)系統(tǒng)到低溫下依然具有良好的光學(xué)性能。
文檔編號(hào)G02B7/02GK102621655SQ20121010911
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者任棲峰, 廖勝, 李華, 李強(qiáng), 譚述亮, 陳為 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所