專利名稱：一種透鏡固定裝置的制作方法
技術領域：
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系統的固定裝置。
背景技術：
目前，在許多成像光學系統中，都采用了透射光學系統。這些光學系統的特點是所用的波段在可見光波段，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，軸向預緊采用常規(guī)壓圈20，通過隔圈21將透鏡端面穩(wěn)穩(wěn)壓在鏡筒23的內端面上，透鏡22和鏡筒23之間的間隙靠設計加工保證。如果使用的環(huán)境溫度變化比較大(從_30°C到+50°C)，一般采用無熱化設計，選用的透鏡和鏡筒材料的熱膨脹系數比較接近。但隨著科學探測技術的發(fā)展，要求將工作在紅外波段的透射光學系統應用到低溫環(huán)境中，因為在低溫下可有效地減小光學系統本身的熱輻射，有益于光學系統的紅外探測。將透射光學系統應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生的裝配應カ問題，同時還需保證低溫下光學系統的光軸方向不發(fā)生變化，光學性能沒有明顯變差
坐寸ο

發(fā)明內容
為了克服現有技術的缺陷，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)透射光學鏡筒結構不能適用于低溫環(huán)境的缺點。該透鏡固定裝置主要可以解決透射光學系統常溫下裝配、低溫下使用的難題，保證常溫下裝配的固定透鏡結構在低溫下不會發(fā)生破壞，使透鏡產生變形甚至破碎，保證光軸方向不發(fā)生變化，從而保證低溫下光學系統的性能。該裝置在軸向和徑向的固定方式都采用了弾性結構。軸向固定采用彈性壓圈和墊圈，弾性壓圈通過墊圈將透鏡壓在鏡座的內端面上。徑向固定結構采用了在透鏡外圓下端用兩個小凸臺面支撐，上端用圓柱螺旋壓縮彈簧壓緊的方式，同時要保證透鏡外圓與鏡座內筒之間要預留足夠的間隙。所述的徑向固定機構包括彈簧、導向桿、螺帽、螺桿以及螺釘，螺桿和鏡座上的中心孔對齊，通過螺釘將螺桿固定在鏡座上；導向桿插入螺桿和鏡座對齊的中心孔中，底端與透鏡的外圓接觸；彈簧套在導向桿上，通過擰緊螺帽壓縮彈簧產生推力推動導向桿壓緊透鏡。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徑；導向桿的整體長度應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構和后端的外螺紋結構組成，每兩圈之間由三條筋相連，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開60度分布。透鏡外圓與鏡座內筒在下端只有兩個小凸臺面接觸，兩小凸臺面均為圓弧面，與透鏡外徑相等，在與光軸垂直的截面內，以透鏡中心為原點，對稱分布與Y軸成45度夾角的方向上，與位于Y軸上端的導向桿一起形成向心穩(wěn)定結構。除了透鏡和彈簧外，其他結構件全部由同一種金屬材料加工而成。透鏡外圓與鏡座內筒之間的間隙大小由透鏡和鏡座兩種材料的線膨脹系數和光學系統的工作溫度決定。 本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于I)由于本發(fā)明在軸向設計使用弾性壓圈，可以吸收由于溫度變化而使透鏡與鏡座之間產生的裝配應力，避免該應カ直接作用在透鏡上，因此保證透鏡在低溫下的鏡面不會變形；2)由于本發(fā)明在徑向設計中，透鏡與鏡座內筒之間預留足夠間隙，防止在低溫環(huán)境下鏡座內筒將透鏡擠壓變形，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筒采用兩個小凸臺弧面接觸，并且兩個小凸臺弧面相對于透鏡光軸對稱分布，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程中始終結構穩(wěn)定，并且光軸方向保持不變。4)由于本發(fā)明所用元件數量少，因此該固定裝置結構簡單，安裝方便。


圖I所示為常溫下常規(guī)透鏡光學系統軸向固定剖面圖；圖2所示為本發(fā)明的低溫用透鏡光學系統軸向固定剖面圖；圖3所示為本發(fā)明的低溫用透鏡光學系統徑向固定剖面圖；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)明低溫實驗實施光路圖；圖7所示為本發(fā)明一種實施實驗的紅外圖像；圖8所示為本發(fā)明一種實施實驗能量集中度三維效果圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步詳細地描述。如圖2、3所示為本發(fā)明的一種用于低溫透射光學系統的透鏡固定裝置，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、導向桿4、螺帽5和螺桿6。在光軸方向上，弾性壓圈I通過墊圈2將透鏡8緊緊壓在鏡座9的內端面上；在徑向，透鏡8的外圓下端與鏡座9內筒上的兩個凸臺弧面接觸，如圖3所示，兩小凸臺分別位于第三、四象限與X軸成45度夾角的地方。螺桿6通過螺釘10固定在鏡座9上，然后將導向桿4放入螺桿6和鏡座9相通的內孔中，導向桿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套入導向桿4中，導向桿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的內徑；導向桿4的整體長度應小于螺桿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。該光學系統裝配完成后，通過螺釘7固定在光學平臺上。具體實施例首先根據光學系統的工作溫度、透鏡和鏡座材料的線膨脹系數以及徑向尺寸計算透鏡和鏡座之間在常溫裝配時徑向應該預留的間隙。在實施例中，光學系統的工作溫度為100K，透鏡材料為鍺(Ge)，圓柱壓縮彈簧材料為炭素彈簧鋼絲，其他結構件材料均為鋁(Al)。鍺的線膨脹系數為6. 00E-6m/ (m. K)，鋁的線膨脹系數為2. 29E_5m/ (m. K)，從常溫20°C降到低溫100K溫度變化差值為193K，實施例中透鏡的外徑為Φ 34mm，從而可計算出到低溫100K下透鏡和鏡座之間的徑向線性變形差值約為O. 112mm。在軸向透鏡的最大厚度為8mm，其最大線性變形差值約為O. 026mm。為了保險起見，在徑向將透鏡與鏡座內筒的間隙設計為O. 2mm。在結構設計中，如圖3所示，以透鏡中心為坐標原點，將鏡座9內筒位于第三、四象限與X軸成45夾角度方向加工成兩個小凸臺，兩小凸臺面為弧形，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的具體結構剖視圖，前端的弾性環(huán)節(jié)由四個厚度為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開60度(如圖5所示)，后端采用外螺紋，方便與鏡座內筒配合。將常溫下裝配調好的光學系統裝配到低溫艙體中，進行降溫實驗，控制光學平臺溫度到100K達到溫度平衡。實驗光路如圖6所示，主要由黑體61、光管62、光學系統63、紅外探測器65以及低溫艙體64組成。黑體61產生的紅外輻射通過光管62上的小孔，由光管62變?yōu)槠叫泄馊肷涞降蜏嘏擉w64中，經過光學系統63聚焦成像到紅外探測器65上，由紅外探測器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到了 70%以上。說明系統像質好，能量集中度高。該光學系統經過幾輪溫度循環(huán)實驗也沒有明顯變化，表明該透鏡固定裝置結構穩(wěn)定，透鏡沒有明顯變形，結構設計是成功的。本技術領域中的普通技 術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質精神范圍內，對以上所述實施例變化，變型都將落在本發(fā)明權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種透鏡固定裝置，包括透鏡(8)、鏡座(9)、軸向固定機構和徑向固定機構，其特征在于所述的軸向固定機構包括弾性壓圈(I)、墊圈(2)，弾性壓圈(I)通過墊圈(2)將透鏡(8)壓在鏡座(9)的內端面上；所述的徑向固定機構是ー種可彈性伸縮結構，透鏡(8)的外圓與鏡座(9)的內筒之間預留足夠的間隙。
2.根據權利要求I所述的透鏡固定裝置，其特征在于所述的徑向固定機構包括彈簧(3)、導向桿(4)、螺帽(5)、螺桿(6)以及螺釘(10)，螺桿(6)和鏡座(9)上的中心孔對齊，通過螺釘(10)將螺桿(6)固定在鏡座(9)上；導向桿(4)插入螺桿(6)和鏡座(9)對齊的中心孔中，底端與透鏡(8)的外圓接觸；彈簧(3)套在導向桿(4)上，通過擰緊螺帽(5)壓縮彈簧(3)產生推力推動導向桿(4)壓緊透鏡(8)。
3.根據權利要求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.根據權利要求2所述的透鏡固定裝置，其特征在于所述導向桿(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)的內徑；導向桿(4)的整體長度應小于螺桿(6)上端面到透鏡(8)外圓上端之間的距離。
5.根據權利要求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，其他結構件全部由同一種金屬材料加工而成。
6.根據權利要求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構和后端的外螺紋結構組成，前端的多圈彈性結構每兩圈之間由三條筋相連，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開60度分布。
7.根據權利要求I所述的透鏡固定裝置，其特征在于透鏡⑶外圓與鏡座(9)內筒在下端只有兩個小凸臺面接觸，兩小凸臺面均為圓弧面，與透鏡外徑相等，在與光軸垂直的截面內，以透鏡(8)中心為原點，對稱分布與Y軸成45度夾角的方向上，與位于Y軸上端的導向桿一起形成向心穩(wěn)定結構。
8.根據權利要求I或權利要求2所述的透鏡固定裝置，其特征在于透鏡(8)外圓與鏡座(9)內筒之間的間隙大小由透鏡(8)和鏡座(9)兩種材料的線膨脹系數和光學系統的工作溫度決定。
9.根據權利要求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)明公開一種用于低溫透射光學系統的透鏡固定裝置，在軸向和徑向都設計了具有彈性伸縮的預緊結構。其中在軸向采用彈性壓圈結構預緊，吸收由于溫度變化使透鏡和鏡筒之間變形不一致產生的裝配應力；在徑向透鏡外圓下端與鏡筒接觸的地方采用兩個對稱的小凸臺圓弧面接觸同時上端采用圓柱螺旋壓縮彈簧預緊，使透鏡和鏡筒之間保持足夠的間隙以防低溫擠壓透鏡變形，同時保證該結構向心穩(wěn)定，光軸方向不變。該固定裝置可很好地保證光學系統到低溫下依然具有良好的光學性能。
文檔編號G02B7/02GK102621655SQ20121010911
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權日2012年4月13日
發(fā)明者任棲峰, 廖勝, 李華, 李強, 譚述亮, 陳為 申請人:中國科學院光電技術研究所