专利名称：一种光学仪器的被动温度补偿机构的制作方法
技术领域：
本发明属于精密光学仪器设计技术领域中涉及的一种被动温度补偿机构，具体涉 及一种应用于航空侦察的光学仪器的被动温度补偿机构。
背景技术：
光学仪器的光机系统设计是一个将多种学科技术紧密集成在一起的过程，光机工 程师的首要任务就是将光学系统中的所有光学元件固定在各自合适的位置，并在要求的温 度、压力、振动等环境条件下保持一定的位置精度和面形精度，从而使光学系统能够正常的工作。应用于航空侦察中的光学仪器，工作的温度条件非常恶劣，当温度变化范围较大 时会引起光学系统成像质量下降。为了保证环境温度变化时，光学仪器仍然能正常地工作， 就必须通过设计光学元件、镜座和结构来补偿温度的变化，从而保证光学仪器性能稳定。温度补偿有主动温度补偿和被动温度补偿两种方法。主动温度补偿是指当温度变 化时，主动控制一片或多片光学元件的位置，利用电机驱动机构改变光学元件间的间隔，从 而实现当前温度下光学系统的最佳像质。这种方法虽然效果良好，但由于需要耗费能量，结 构复杂，一般情况下不采用。被动温度补偿是指利用对温度变化有响应的机械结构自动完 成光学元件位置的改变，以消除温度变化对光学系统的不利影响。被动温度补偿由于结构 简单、无能量消耗、可靠性高、灵敏度高等优点，被广泛用于各种光学仪器的光机系统设计 中，以降低光学仪器的温度敏感性，提高光学仪器的环境适应性。与本发明最为接近的已有技术是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研 制开发的无温度补偿的变焦距镜头中的变倍组。如图1所示，包括压圈1、第一透镜2、隔圈 3、第二透镜4、镜座5。第一透镜2、隔圈3、第二透镜4按图示顺序安装在镜座5中，压圈1 压紧第一透镜2，提供一定的预载。这种结构是光学仪器中比较常见的一种光学元件固定结 构，这种设计的最大缺点是没有考虑温度补偿。由于镜座的热膨胀系数一般要大于光学元 件的热膨胀系数，当温度升高时，在相同的长度下镜座5膨胀量要比压圈1、第一透镜2、隔 圈3、第二透镜4组合膨胀量大，这样就会产生轴向间隙，这种间隙是无法控制的，当温度变 化范围较大时，这种轴向间隙会造成压圈1施加给第一透镜2的预载消失，如果光学仪器是 在振动、冲击的环境下那么就有可能导致透镜自由移动，进而影响光学系统的成像质量。当 温度降低时，同理，镜座5的收缩量要大于压圈1、第一透镜2、隔圈3、第二透镜4组合收缩 量，在这种情况下透镜和隔圈会受到挤压，当温度变化范围较大时，在透镜曲率表面处将产 生较大的轴向应力，致使光学零件的面形精度降低，进而导致成像质量下降。总之，无论温 度升高还是降低，采用这种光学结构的光学仪器的性能是不能得到保证的
发明内容
为了克服已有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种基于差动原理的被动温 度补偿机构，能够保证光学仪器在较宽的温度范围内保持良好的光学性能。
本发明要解决的技术问题是提供一种光学仪器的被动温度补偿机构。解决技术 问题的技术方案如图2所示包括压圈6、第一透镜7、第一隔圈8、第二隔圈9、第二透镜10、 镜座11。在镜座11内在光轴上从右至左依次装有第二透镜10、第二隔圈9、第一隔圈8、第 一透镜7和压圈6 ；第二隔圈9的右侧面与第二透镜10的左面接触，第一隔圈8的右侧凸环 伸进第二隔圈9左侧的凹环内，前者的凸环面与后者的凹环面接触，第一透镜7的右面与第 一隔圈8的左侧面接触，压圈6的右面压紧第一透镜7，压圈6的环边与镜座11的内径是螺 纹接触，压圈6压紧两个透镜和两个隔圈组件，提供一定的预载，组成一个差动单元结构。本发明的工作原理是当温度升高时，压圈6、第一透镜7、第一隔圈8、第二隔圈9、 第二透镜10、镜座11都要产生热膨胀，若第一隔圈8的热膨胀系数大于第二隔圈9的热膨 胀系数，则第一隔圈8的膨胀量也大，在第一隔圈8的凸环和第二隔圈9的凹环的挤压作用 下，第一隔圈8就会相对第二隔圈9向左移动，间隙δ就会变大，这样就补偿了由于镜座材 料和光学元件材料热膨胀系数差别所产生的膨胀间隙，保证了压圈6预载基本不变，进而 保证了仪器系统的光学性能。同理，当温度降低时，压圈6、第一透镜7、第一隔圈8、第二隔 圈9、第二透镜10、镜筒11都要产生收缩，由于第一隔圈8的热膨胀系数大，则收缩量也比 第二隔圈9大，在镜座收缩挤压作用下，第一隔圈8就会相对第二隔圈9向右移动，间隙δ 会变小，这样就补偿了由于镜座材料和光学元件材料膨胀系数差别所产生的收缩间隙，保 证不会产生较大的轴向应力，进而保证了光学系统的成像质量。当温度变化Δ T时，间隙δ变化量的计算公式为Δ δ = AT(CfC2)D · tana...................................................... (1)式中，Δ T—温度变化量；Ci——隔圈材料的热膨胀系数；D——两隔圈接触面中径；a—两隔圈接触面与光轴夹角；本发明的积极效果是基于差动原理的被动温度补偿机构，结构简单且可控设计 变量多，在较宽温度变化范围内能够消除温度变化所产生的不利影响，较好的保证了光学 系统的成像质量。该机构结构简单、紧凑，占用空间小，且利于装调、检测和维修，实用价值高。
图1是已有技术的结构示意2是本发明的结构示意图；图3是在升温条件下两个隔圈膨胀位移示意图；图4是在降温条件下两个隔圈收缩位移示意图；图5是本发明在具体实施方式
中各零件采用的设计变量示意图。
具体实施例方式本发明按图2所示的结构实施，包括压圈6、第一透镜7、第一隔圈8、第二隔圈9、 第二透镜10、镜座11，其中L、L3、L4、L5、C、C3、C4、C5对一个具体的光学仪器来说是已定的， 而a、CpCyLpLy D为设计变量，具体实施步骤如下
1)预定一个隔圈间楔角α (30° < α < 60° )，并根据总体结构布局给定隔圈宽 度1^、1^2和两隔圈接触中径D ；2)选择第一隔圈8和第二隔圈9材料，并且C1 > C2 ；3)计算出当温度变化ΔΤ时，由于镜座和光学元件热膨胀系数差别所产生的轴向
间隙β，计算公式为-J = L-CSi-Ct
i=\4)令Δ δ等于β，由公式(1)即可计算出楔角α ；5)若楔角α略大于第一隔圈8、第二隔圈9间的最小摩擦自锁角，则通过微调第 一隔圈8、第二隔圈9的长度Lp L2和接触中径D使楔角α小于第一隔圈8、第二隔圈9间 的最小摩擦自锁角，避免由于隔圈间自锁而无法相对运动；6)若楔角α远大于第一隔圈8、第二隔圈9间的最小摩擦自锁角，则重新选择材 料，并重复步骤幻、步骤4)设计过程，直至最终完成设计。由于该被动补偿温度机构结构简单，体积紧凑，易于实现，在用于航空侦察的光学 仪器中取得了良好的使用效果。
权利要求
1. 一种光学仪器的被动温度补偿机构，包括压圈(6)、第一透镜(7)、第二透镜(10)、镜 座(11)，其特征在于还包括第一隔圈(8)、第二隔圈(9)；在镜座(11)内在光轴上从右至左 依次装有第二透镜(10)、第二隔圈(9)、第一隔圈(8)、第一透镜(7)和压圈(6)；第二隔圈 (9)的右侧面与第二透镜(10)的左面接触，第一隔圈(8)的右侧凸环伸进第二隔圈(9)左 侧的凹环内，前者的凸环面与后者的凹环面接触，第一透镜(7)的右面与第一隔圈(8)的左 侧面接触，压圈(6)的右面压紧第一透镜(7)，压圈(6)的环边与镜座(11)的内径是螺纹接 触，压圈(6)压紧两个透镜和两个隔圈组件，组成一个差动单元结构。
全文摘要
一种光学仪器被动温度补偿机构，属于精密光机系统设计技术领域中涉及的一种机构。要解决的技术问题是提供一种光学仪器的被动温度补偿机构。技术方案包括压圈、第一透镜、第一隔圈、第二隔圈、第二透镜、镜座。在镜座内在光轴上从右至左依次装有第二透镜、第二隔圈、第一隔圈、第一透镜和压圈；第二隔圈的右侧面与第二透镜的左面接触，第一隔圈的右侧凸环伸进第二隔圈左侧的凹环内，前者的凸环面与后者的凹环面接触，第一透镜的右面与第一隔圈的左侧面接触，压圈的右面压紧第一透镜，压圈的环边与镜座的内径是螺纹接触，组成一个差动单元结构。该被动温度补偿机构结构简单，易于实现，在用于航空侦察的光学仪器中取得了良好的使用效果。
文档编号G02B7/00GK102062920SQ201010607228
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者戴明, 王平 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所