專利名稱：一種機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種紅外溫度自適應(yīng)鏡頭，尤其涉及一種機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭。
背景技術(shù)：
光學(xué)材料、機(jī)械材料的熱膨脹性以及光學(xué)材料的折射率會因溫度的變化而變化，這種材料的溫度特性會引起光學(xué)元件的變形、使光學(xué)間隔發(fā)生變化，嚴(yán)重影響紅外光學(xué)鏡頭的性能。在環(huán)境溫度改變的情況下，光學(xué)材料的折射率、厚度、光學(xué)間隔都隨之改變，從而導(dǎo)致光學(xué)鏡頭的最終成像面偏離紅外探測器焦面(即所謂離焦)，進(jìn)而導(dǎo)致紅外鏡頭成像模糊，嚴(yán)重影響其使用效率。若紅外光學(xué)鏡頭無溫度自適應(yīng)性能，則須人為干預(yù)紅外鏡頭的聚焦，例如采取手動調(diào)焦或者電動調(diào)焦等措施以達(dá)到聚焦像面的目的。研究表明，紅外光學(xué)材料的折射率隨溫度變化的量為一個(gè)固定的值，這為溫度自適應(yīng)鏡頭的實(shí)現(xiàn)提供了可能。目前，常用的紅外溫度自適應(yīng)技術(shù)一般分為三類1.光學(xué)溫度自適應(yīng)技術(shù)，采用特殊的光學(xué)材料及特殊的光學(xué)元件加工技術(shù)，利用光學(xué)材料熱特性之間的差異，合理組合不同特征材料及光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)溫度自適應(yīng)功能。2.機(jī)電溫度自適應(yīng)技術(shù)，通過可控制的伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)溫度變化時(shí)，電機(jī)驅(qū)動光學(xué)元件移動實(shí)現(xiàn)溫度自適應(yīng)功能。3.機(jī)械溫度自適應(yīng)技術(shù)，采用特殊的工程材料組合，利用不同材料的溫度膨脹特性，材料的膨脹實(shí)現(xiàn)溫度變化時(shí)自動改變光學(xué)元件的間隔，達(dá)到溫度自適應(yīng)功能。光學(xué)溫度自適應(yīng)技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是不需要人工干預(yù)，缺點(diǎn)是需使用特殊的光學(xué)材料及相應(yīng)的光學(xué)元件加工技術(shù)，設(shè)計(jì)及加工成本增加，制造成本高。機(jī)電溫度自適應(yīng)技術(shù)，需要采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)，所以裝配調(diào)試難度大，制造成本高。而機(jī)械溫度自適應(yīng)技術(shù)，由于采用一般的光學(xué)元件及工程材料即可實(shí)現(xiàn)溫度自適應(yīng)功能，制造成本低，所以在低成本的應(yīng)用領(lǐng)域，大多使用機(jī)械溫度自適應(yīng)技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭，可在-40°C +60°C的溫度變化范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償功能，保證紅外鏡頭具有良好的成像質(zhì)量。本實(shí)用新型所述的機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭，其特征在于第一透鏡安裝于內(nèi)鏡筒內(nèi)的前端，另一側(cè)用第一隔圈固定；第二透鏡安裝于內(nèi)鏡筒內(nèi)，一側(cè)緊靠第一隔圈，另外一側(cè)用第一壓圈固定；第三透鏡安裝于內(nèi)鏡筒內(nèi)的后端，另外一側(cè)用第二壓圈固定；內(nèi)鏡筒的內(nèi)壁開有通氣孔，以保證鏡筒內(nèi)部和溫度補(bǔ)償?shù)墓こ趟芰现g的溫度均衡；內(nèi)鏡筒的后端的外表面上有螺紋，與第二壓圈的內(nèi)表面螺紋進(jìn)行螺紋連接，通過螺紋可以調(diào)節(jié)第二壓圈對第三透鏡的壓緊力；內(nèi)鏡筒和第二壓圈組成的光學(xué)成像組件能在外鏡筒中作軸向移動，在內(nèi)鏡筒與外鏡筒之間由內(nèi)到外依次安裝有同軸的第一段工程塑料、鋁隔圈和第二段工程塑料；鋁隔圈的縱切面為“Z”字形，第一段工程塑料安裝在鋁隔圈的內(nèi)圈，其前端緊貼外鏡筒前端突圓的內(nèi)壁，后端與鋁隔圈后端突圓的內(nèi)壁緊貼；第二段工程塑料安裝在鋁隔圈的外圈，其前端與鋁隔圈前端突圓的內(nèi)壁緊貼，后端與安裝于內(nèi)鏡筒的第二壓圈的前端面緊貼；兩段工程塑料是不封閉的環(huán)結(jié)構(gòu)，具有切口 ；鋁隔圈的長度小于外鏡筒前端突圓的內(nèi)壁到第二壓圈的前端面的距離，鋁隔圈的前端面與外鏡筒前端突圓的內(nèi)壁之間有間隙，鋁隔圈的后端面與第二壓圈的前端面之間也有間隙；外鏡筒后端的內(nèi)表面有螺紋，與接口的外表面螺紋進(jìn)行螺紋連接；接口突圓的內(nèi)壁與第二壓圈的后端面之間安裝有彈簧隔圈。第二壓圈前端突圓的內(nèi)壁與接口的前端面之間有間隙，為內(nèi)鏡筒和第二壓圈組成的光學(xué)成像組件提供軸向移動的空間。鏡頭的三片透鏡均為紅外光學(xué)鍺玻璃，第一段工程塑料和第二段工程塑料為實(shí)現(xiàn)溫度自適應(yīng)的工程塑料，彈簧隔圈為溫度變化時(shí)控制內(nèi)鏡筒組件前后移動的彈簧墊片，其余構(gòu)件的材料為金屬鋁。本實(shí)用新型的工作原理是根據(jù)材料的熱脹冷縮原理，在常溫狀態(tài)下，工程塑料、彈簧隔圈、鏡筒、透鏡達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)，紅外鏡頭成像在探測器焦平面上，成像質(zhì)量良好、清晰。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，具有高膨脹特性的工程塑料膨脹，致使工程塑料的長度增加，工程塑料的膨脹應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈簧隔圈的壓力，于是便推動內(nèi)鏡筒向探測器焦平面方向移動。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，工程塑料收縮，工程塑料的長度減小，此時(shí)彈簧隔圈的壓力推動內(nèi)鏡筒遠(yuǎn)離探測器焦平面。于是當(dāng)環(huán)境溫度在-40°C +60°C范圍變化時(shí)，該紅外鏡頭就能實(shí)現(xiàn)溫度的自適應(yīng)，達(dá)到自動補(bǔ)償焦面的功能。本實(shí)用新型經(jīng)過實(shí)踐證明鏡頭可精準(zhǔn)控制溫度變化時(shí)的光學(xué)組件移動量，能在-40°C +60°C溫度范圍內(nèi)清晰成像，其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，成像質(zhì)量穩(wěn)定；鏡頭的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、安裝調(diào)試方便，成本低。

圖1，本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2，本實(shí)用新型內(nèi)鏡筒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3，本實(shí)用新型第二壓圈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4，本實(shí)用新型工程塑料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5，本實(shí)用新型鋁隔圈的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1是內(nèi)鏡筒，2是第一透鏡，3是第一隔圈，4是第二透鏡，5是第一壓圈，6是第二壓圈，7是第三透鏡，8是彈簧隔圈，9是接口，10是探測器窗口，11是探測器焦平面，12是第一段工程塑料，13是鋁隔圈，14是第二段工程塑料，15是外鏡筒，L是第三透鏡頂點(diǎn)到探測器焦平面的距離，Ll是溫度自適應(yīng)鏡頭到探測器焦平面的有效距離，L2是第一段工程塑料的長度，L3是鋁隔圈兩端突圓內(nèi)壁之間的距離，L4是第二段工程塑料的長度。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。如附圖1所示，本實(shí)用新型所述的機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭，其特征在于第一透鏡2安裝于內(nèi)鏡筒1內(nèi)的前端，另一側(cè)用第一隔圈3固定；第二透鏡4安裝于內(nèi)鏡筒1內(nèi)，一側(cè)緊靠第一隔圈3，另外一側(cè)用第一壓圈5固定；第三透鏡7安裝于內(nèi)鏡筒1內(nèi)
4的后端，另外一側(cè)用第二壓圈6固定；內(nèi)鏡筒1的內(nèi)壁開有通氣孔，以保證鏡筒內(nèi)部和溫度補(bǔ)償?shù)墓こ趟芰现g的溫度均衡；內(nèi)鏡筒1的后端的外表面上有螺紋，與第二壓圈6的內(nèi)表面螺紋進(jìn)行螺紋連接，通過螺紋可以調(diào)節(jié)第二壓圈6對第三透鏡7的壓緊力；內(nèi)鏡筒1和第二壓圈6組成的光學(xué)成像組件能在外鏡筒15中作軸向移動，在內(nèi)鏡筒1與外鏡筒15之間由內(nèi)到外依次安裝有同軸的第一段工程塑料12、鋁隔圈13和第二段工程塑料14 ；鋁隔圈13的縱切面為“Z”字形，如附圖5所示，第一段工程塑料12安裝在鋁隔圈13的內(nèi)圈，其前端緊貼外鏡筒15前端突圓的內(nèi)壁，后端與鋁隔圈13后端突圓的內(nèi)壁緊貼；第二段工程塑料14安裝在鋁隔圈13的外圈，其前端與鋁隔圈13前端突圓的內(nèi)壁緊貼，后端與安裝于內(nèi)鏡筒1的第二壓圈6的前端面緊貼；兩段工程塑料是不封閉的環(huán)結(jié)構(gòu)，具有切口，如附圖4所示；鋁隔圈13的長度小于外鏡筒15前端突圓的內(nèi)壁到第二壓圈6的前端面的距離，鋁隔圈13的前端面與外鏡筒15前端突圓的內(nèi)壁之間有間隙，鋁隔圈13的后端面與第二壓圈6的前端面之間也有間隙；外鏡筒15后端的內(nèi)表面有螺紋，與接口 9的外表面螺紋進(jìn)行螺紋連接；接口 9突圓的內(nèi)壁與第二壓圈6的后端面之間安裝有彈簧隔圈8。第二壓圈6前端突圓的內(nèi)壁與接口 9的前端面之間有間隙，為內(nèi)鏡筒1和第二壓圈6組成的光學(xué)成像組件提供軸向移動的空間。第一透鏡2，第二透鏡4和第三透鏡7是紅外鍺透鏡。第一段工程塑料12和第二段工程塑料14可具體采用超高沖擊型ABS，高強(qiáng)度中沖擊型ABS，尼龍1010或者聚甲醛。彈簧隔圈8為溫度變化時(shí)控制內(nèi)鏡筒組件前后移動的彈簧墊片，其余構(gòu)件的材料為金屬鋁。第一段工程塑料12和第二段工程塑料14的長度根據(jù)使用材料的不同而變化。理論設(shè)計(jì)公式如下假設(shè)溫度變化時(shí)，鏡頭后截距L，即第三透鏡頂點(diǎn)到探測器焦平面的距離，其相對
溫度的變化量為AL。ΔL為光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)隨溫度ΔT變化所需的變化值，AL值較小，一般
在-40°C +60°C范圍內(nèi)變化值在0. Imm左右，其變化量在lum/°C左右，所以溫度變化后
光學(xué)成像組件的移動是一個(gè)很精確的值，這就要求機(jī)械結(jié)構(gòu)必需能夠很精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)m
te ο(-L1X αα 工-L3X αα 工)X ΔΤ = AL (a)根據(jù)公式(a)，當(dāng)光學(xué)設(shè)計(jì)給出Δ L值以后，α工，α $通過機(jī)械工程材料手冊可以查出，選擇一個(gè)適合的機(jī)械工程材料并通過計(jì)算及優(yōu)化，即可以組合計(jì)算出確定的L2，L3，L4值。AL值的確定光學(xué)設(shè)計(jì)首先以室溫(20°C )作為理論計(jì)算值，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后保證了室溫狀態(tài)下的成像質(zhì)量。然后通過分析軟件分析-40°C狀態(tài)下的成像效果，并確定-40°C成像組所需的移動量八1^，再次分析+601狀態(tài)下的成像效果，并確定+601狀態(tài)下成像組所需的移動量AL2，最后確定AL= (AL1+Δ L2)/IOO0L2，L3，L4值確定后，通過以上的結(jié)構(gòu)保證了 _40°C +60°C溫度變化范圍內(nèi)，紅外鏡頭的精準(zhǔn)溫度補(bǔ)償功能，保證了紅外鏡頭的成像質(zhì)量。下表列出機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭在各個(gè)典型溫度下不同補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的典型值。[0029]
權(quán)利要求1.一種機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭，其特征在于第一透鏡( 安裝于內(nèi)鏡筒(1)內(nèi)的前端，另一側(cè)用第一隔圈(3)固定；第二透鏡(4)安裝于內(nèi)鏡筒(1)內(nèi)，一側(cè)緊靠第一隔圈(3)，另外一側(cè)用第一壓圈(5)固定；第三透鏡(7)安裝于內(nèi)鏡筒⑴內(nèi)的后端，另外一側(cè)用第二壓圈(6)固定；內(nèi)鏡筒(1)的內(nèi)壁開有通氣孔，以保證鏡筒內(nèi)部和溫度補(bǔ)償?shù)墓こ趟芰现g的溫度均衡；內(nèi)鏡筒(1)的后端的外表面上有螺紋，與第二壓圈(6)的內(nèi)表面螺紋進(jìn)行螺紋連接，通過螺紋可以調(diào)節(jié)第二壓圈(6)對第三透鏡(7)的壓緊力；內(nèi)鏡筒(1)和第二壓圈(6)組成的光學(xué)成像組件能在外鏡筒(1 中作軸向移動，在內(nèi)鏡筒(1)與外鏡筒(1 之間由內(nèi)到外依次安裝有同軸的第一段工程塑料(12)、鋁隔圈(1 和第二段工程塑料(14)；鋁隔圈(13)的縱切面為“Z”字形，第一段工程塑料(12)安裝在鋁隔圈(13)的內(nèi)圈，其前端緊貼外鏡筒(1 前端突圓的內(nèi)壁，后端與鋁隔圈(1 后端突圓的內(nèi)壁緊貼；第二段工程塑料(14)安裝在鋁隔圈(13)的外圈，其前端與鋁隔圈(13)前端突圓的內(nèi)壁緊貼，后端與安裝于內(nèi)鏡筒(1)的第二壓圈(6)的前端面緊貼；兩段工程塑料是不封閉的環(huán)結(jié)構(gòu)，具有切口 ；鋁隔圈(13)的長度小于外鏡筒(15)前端突圓的內(nèi)壁到第二壓圈(6)的前端面的距離，鋁隔圈(13)的前端面與外鏡筒(15)前端突圓的內(nèi)壁之間有間隙，鋁隔圈(13)的后端面與第二壓圈(6)的前端面之間也有間隙；外鏡筒(1 后端的內(nèi)表面有螺紋，與接口(9)的外表面螺紋進(jìn)行螺紋連接；接口(9)突圓的內(nèi)壁與第二壓圈(6)的后端面之間安裝有彈簧隔圈(8)，第二壓圈(6)前端突圓的內(nèi)壁與接口(9)的前端面之間有間隙，為內(nèi)鏡筒(1)和第二壓圈(6)組成的光學(xué)成像組件提供軸向移動的空間。
2.按照權(quán)利要求1所述的機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭，其特征在于第一透鏡0)，第二透鏡(4)和第三透鏡(7)是紅外鍺透鏡；第一段工程塑料(1 和第二段工程塑料(14)采用超高沖擊型ABS、高強(qiáng)度中沖擊型ABS、尼龍1010或者聚甲醛；彈簧隔圈(8)為溫度變化時(shí)控制內(nèi)鏡筒組件前后移動的彈簧墊片，其余構(gòu)件的材料為金屬鋁。
3.按照權(quán)利要求1所述的機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭，其特征在于環(huán)境溫度在-40°C +60°C范圍變化時(shí)，該紅外鏡頭后截距的變化量1299mm -0. 1273mm。
專利摘要機(jī)械補(bǔ)償式紅外溫度自適應(yīng)鏡頭，其特征在于第一透鏡，第二透鏡，第三透鏡安裝于內(nèi)鏡筒內(nèi)，內(nèi)鏡筒與第二壓圈螺紋連接而成的光學(xué)成像組件能在外鏡筒中作軸向移動，在內(nèi)鏡筒與外鏡筒之間由內(nèi)到外依次安裝有同軸的第一段工程塑料、鋁隔圈和第二段工程塑料，鋁隔圈的縱切面為“Z”字形；外鏡筒與接口螺紋連接，接口與第二壓圈之間安裝有彈簧隔圈，第二壓圈前端突圓的內(nèi)壁與接口的前端面之間有間隙，為內(nèi)鏡筒和第二壓圈組成的光學(xué)成像組件提供軸向移動的空間。本實(shí)用新型可精準(zhǔn)控制溫度變化時(shí)的光學(xué)組件移動量，能在-40℃～+60℃溫度范圍內(nèi)清晰成像，其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，成像質(zhì)量穩(wěn)定；鏡頭的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、安裝調(diào)試方便，成本低。
文檔編號G02B7/02GK202339434SQ20112034146
公開日2012年7月18日 申請日期2011年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月12日
發(fā)明者孫興, 李洪兵, 李睿, 汪興, 蔣良萍, 陳勇林, 陳驥 申請人:云南北方馳宏光電有限公司