专利名称：一种机械补偿式红外温度自适应镜头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种红外温度自适应镜头，尤其涉及一种机械补偿式红外温度自适应镜头。
背景技术：
光学材料、机械材料的热膨胀性以及光学材料的折射率会因温度的变化而变化，这种材料的温度特性会引起光学元件的变形、使光学间隔发生变化，严重影响红外光学镜头的性能。在环境温度改变的情况下，光学材料的折射率、厚度、光学间隔都随之改变，从而导致光学镜头的最终成像面偏离红外探测器焦面(即所谓离焦)，进而导致红外镜头成像模糊，严重影响其使用效率。若红外光学镜头无温度自适应性能，则须人为干预红外镜头的聚焦，例如采取手动调焦或者电动调焦等措施以达到聚焦像面的目的。研究表明，红外光学材料的折射率随温度变化的量为一个固定的值，这为温度自适应镜头的实现提供了可能。目前，常用的红外温度自适应技术一般分为三类1.光学温度自适应技术，采用特殊的光学材料及特殊的光学元件加工技术，利用光学材料热特性之间的差异，合理组合不同特征材料及光学元件实现温度自适应功能。2.机电温度自适应技术，通过可控制的伺服闭环控制系统，当温度变化时，电机驱动光学元件移动实现温度自适应功能。3.机械温度自适应技术，采用特殊的工程材料组合，利用不同材料的温度膨胀特性，材料的膨胀实现温度变化时自动改变光学元件的间隔，达到温度自适应功能。光学温度自适应技术，优点是不需要人工干预，缺点是需使用特殊的光学材料及相应的光学元件加工技术，设计及加工成本增加，制造成本高。机电温度自适应技术，需要采用伺服驱动系统，所以装配调试难度大，制造成本高。而机械温度自适应技术，由于采用一般的光学元件及工程材料即可实现温度自适应功能，制造成本低，所以在低成本的应用领域，大多使用机械温度自适应技术。
发明内容本实用新型提供一种机械补偿式红外温度自适应镜头，可在-40°C +60°C的温度变化范围内，实现精准的温度补偿功能，保证红外镜头具有良好的成像质量。本实用新型所述的机械补偿式红外温度自适应镜头，其特征在于第一透镜安装于内镜筒内的前端，另一侧用第一隔圈固定；第二透镜安装于内镜筒内，一侧紧靠第一隔圈，另外一侧用第一压圈固定；第三透镜安装于内镜筒内的后端，另外一侧用第二压圈固定；内镜筒的内壁开有通气孔，以保证镜筒内部和温度补偿的工程塑料之间的温度均衡；内镜筒的后端的外表面上有螺纹，与第二压圈的内表面螺纹进行螺纹连接，通过螺纹可以调节第二压圈对第三透镜的压紧力；内镜筒和第二压圈组成的光学成像组件能在外镜筒中作轴向移动，在内镜筒与外镜筒之间由内到外依次安装有同轴的第一段工程塑料、铝隔圈和第二段工程塑料；铝隔圈的纵切面为“Z”字形，第一段工程塑料安装在铝隔圈的内圈，其前端紧贴外镜筒前端突圆的内壁，后端与铝隔圈后端突圆的内壁紧贴；第二段工程塑料安装在铝隔圈的外圈，其前端与铝隔圈前端突圆的内壁紧贴，后端与安装于内镜筒的第二压圈的前端面紧贴；两段工程塑料是不封闭的环结构，具有切口 ；铝隔圈的长度小于外镜筒前端突圆的内壁到第二压圈的前端面的距离，铝隔圈的前端面与外镜筒前端突圆的内壁之间有间隙，铝隔圈的后端面与第二压圈的前端面之间也有间隙；外镜筒后端的内表面有螺纹，与接口的外表面螺纹进行螺纹连接；接口突圆的内壁与第二压圈的后端面之间安装有弹簧隔圈。第二压圈前端突圆的内壁与接口的前端面之间有间隙，为内镜筒和第二压圈组成的光学成像组件提供轴向移动的空间。镜头的三片透镜均为红外光学锗玻璃，第一段工程塑料和第二段工程塑料为实现温度自适应的工程塑料，弹簧隔圈为温度变化时控制内镜筒组件前后移动的弹簧垫片，其余构件的材料为金属铝。本实用新型的工作原理是根据材料的热胀冷缩原理，在常温状态下，工程塑料、弹簧隔圈、镜筒、透镜达到平衡状态，此时，红外镜头成像在探测器焦平面上，成像质量良好、清晰。当环境温度升高时，具有高膨胀特性的工程塑料膨胀，致使工程塑料的长度增加，工程塑料的膨胀应力远远大于弹簧隔圈的压力，于是便推动内镜筒向探测器焦平面方向移动。当环境温度降低时，工程塑料收缩，工程塑料的长度减小，此时弹簧隔圈的压力推动内镜筒远离探测器焦平面。于是当环境温度在-40°C +60°C范围变化时，该红外镜头就能实现温度的自适应，达到自动补偿焦面的功能。本实用新型经过实践证明镜头可精准控制温度变化时的光学组件移动量，能在-40°C +60°C温度范围内清晰成像，其环境适应能力强，成像质量稳定；镜头的结构紧凑、重量轻、体积小、安装调试方便，成本低。
图1，本实用新型的结构示意图；图2，本实用新型内镜筒的结构示意图；图3，本实用新型第二压圈的结构示意图；图4，本实用新型工程塑料的结构示意图；图5，本实用新型铝隔圈的结构示意图。图中，1是内镜筒，2是第一透镜，3是第一隔圈，4是第二透镜，5是第一压圈，6是第二压圈，7是第三透镜，8是弹簧隔圈，9是接口，10是探测器窗口，11是探测器焦平面，12是第一段工程塑料，13是铝隔圈，14是第二段工程塑料，15是外镜筒，L是第三透镜顶点到探测器焦平面的距离，Ll是温度自适应镜头到探测器焦平面的有效距离，L2是第一段工程塑料的长度，L3是铝隔圈两端突圆内壁之间的距离，L4是第二段工程塑料的长度。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本实用新型进行详细描述。如附图1所示，本实用新型所述的机械补偿式红外温度自适应镜头，其特征在于第一透镜2安装于内镜筒1内的前端，另一侧用第一隔圈3固定；第二透镜4安装于内镜筒1内，一侧紧靠第一隔圈3，另外一侧用第一压圈5固定；第三透镜7安装于内镜筒1内
4的后端，另外一侧用第二压圈6固定；内镜筒1的内壁开有通气孔，以保证镜筒内部和温度补偿的工程塑料之间的温度均衡；内镜筒1的后端的外表面上有螺纹，与第二压圈6的内表面螺纹进行螺纹连接，通过螺纹可以调节第二压圈6对第三透镜7的压紧力；内镜筒1和第二压圈6组成的光学成像组件能在外镜筒15中作轴向移动，在内镜筒1与外镜筒15之间由内到外依次安装有同轴的第一段工程塑料12、铝隔圈13和第二段工程塑料14 ；铝隔圈13的纵切面为“Z”字形，如附图5所示，第一段工程塑料12安装在铝隔圈13的内圈，其前端紧贴外镜筒15前端突圆的内壁，后端与铝隔圈13后端突圆的内壁紧贴；第二段工程塑料14安装在铝隔圈13的外圈，其前端与铝隔圈13前端突圆的内壁紧贴，后端与安装于内镜筒1的第二压圈6的前端面紧贴；两段工程塑料是不封闭的环结构，具有切口，如附图4所示；铝隔圈13的长度小于外镜筒15前端突圆的内壁到第二压圈6的前端面的距离，铝隔圈13的前端面与外镜筒15前端突圆的内壁之间有间隙，铝隔圈13的后端面与第二压圈6的前端面之间也有间隙；外镜筒15后端的内表面有螺纹，与接口 9的外表面螺纹进行螺纹连接；接口 9突圆的内壁与第二压圈6的后端面之间安装有弹簧隔圈8。第二压圈6前端突圆的内壁与接口 9的前端面之间有间隙，为内镜筒1和第二压圈6组成的光学成像组件提供轴向移动的空间。第一透镜2，第二透镜4和第三透镜7是红外锗透镜。第一段工程塑料12和第二段工程塑料14可具体采用超高冲击型ABS，高强度中冲击型ABS，尼龙1010或者聚甲醛。弹簧隔圈8为温度变化时控制内镜筒组件前后移动的弹簧垫片，其余构件的材料为金属铝。第一段工程塑料12和第二段工程塑料14的长度根据使用材料的不同而变化。理论设计公式如下假设温度变化时，镜头后截距L，即第三透镜顶点到探测器焦平面的距离，其相对
温度的变化量为AL。ΔL为光学设计时随温度ΔT变化所需的变化值，AL值较小，一般
在-40°C +60°C范围内变化值在0. Imm左右，其变化量在lum/°C左右，所以温度变化后
光学成像组件的移动是一个很精确的值，这就要求机械结构必需能够很精准的实现温度补m
te ο(-L1X αα 工-L3X αα 工)X ΔΤ = AL (a)根据公式(a)，当光学设计给出Δ L值以后，α工，α $通过机械工程材料手册可以查出，选择一个适合的机械工程材料并通过计算及优化，即可以组合计算出确定的L2，L3，L4值。AL值的确定光学设计首先以室温(20°C )作为理论计算值，系统设计完成后保证了室温状态下的成像质量。然后通过分析软件分析-40°C状态下的成像效果，并确定-40°C成像组所需的移动量八1^，再次分析+601状态下的成像效果，并确定+601状态下成像组所需的移动量AL2，最后确定AL= (AL1+Δ L2)/IOO0L2，L3，L4值确定后，通过以上的结构保证了 _40°C +60°C温度变化范围内，红外镜头的精准温度补偿功能，保证了红外镜头的成像质量。下表列出机械补偿式红外温度自适应镜头在各个典型温度下不同补偿机构的典型值。[0029]
权利要求1.一种机械补偿式红外温度自适应镜头，其特征在于第一透镜( 安装于内镜筒(1)内的前端，另一侧用第一隔圈(3)固定；第二透镜(4)安装于内镜筒(1)内，一侧紧靠第一隔圈(3)，另外一侧用第一压圈(5)固定；第三透镜(7)安装于内镜筒⑴内的后端，另外一侧用第二压圈(6)固定；内镜筒(1)的内壁开有通气孔，以保证镜筒内部和温度补偿的工程塑料之间的温度均衡；内镜筒(1)的后端的外表面上有螺纹，与第二压圈(6)的内表面螺纹进行螺纹连接，通过螺纹可以调节第二压圈(6)对第三透镜(7)的压紧力；内镜筒(1)和第二压圈(6)组成的光学成像组件能在外镜筒(1 中作轴向移动，在内镜筒(1)与外镜筒(1 之间由内到外依次安装有同轴的第一段工程塑料(12)、铝隔圈(1 和第二段工程塑料(14)；铝隔圈(13)的纵切面为“Z”字形，第一段工程塑料(12)安装在铝隔圈(13)的内圈，其前端紧贴外镜筒(1 前端突圆的内壁，后端与铝隔圈(1 后端突圆的内壁紧贴；第二段工程塑料(14)安装在铝隔圈(13)的外圈，其前端与铝隔圈(13)前端突圆的内壁紧贴，后端与安装于内镜筒(1)的第二压圈(6)的前端面紧贴；两段工程塑料是不封闭的环结构，具有切口 ；铝隔圈(13)的长度小于外镜筒(15)前端突圆的内壁到第二压圈(6)的前端面的距离，铝隔圈(13)的前端面与外镜筒(15)前端突圆的内壁之间有间隙，铝隔圈(13)的后端面与第二压圈(6)的前端面之间也有间隙；外镜筒(1 后端的内表面有螺纹，与接口(9)的外表面螺纹进行螺纹连接；接口(9)突圆的内壁与第二压圈(6)的后端面之间安装有弹簧隔圈(8)，第二压圈(6)前端突圆的内壁与接口(9)的前端面之间有间隙，为内镜筒(1)和第二压圈(6)组成的光学成像组件提供轴向移动的空间。
2.按照权利要求1所述的机械补偿式红外温度自适应镜头，其特征在于第一透镜0)，第二透镜(4)和第三透镜(7)是红外锗透镜；第一段工程塑料(1 和第二段工程塑料(14)采用超高冲击型ABS、高强度中冲击型ABS、尼龙1010或者聚甲醛；弹簧隔圈(8)为温度变化时控制内镜筒组件前后移动的弹簧垫片，其余构件的材料为金属铝。
3.按照权利要求1所述的机械补偿式红外温度自适应镜头，其特征在于环境温度在-40°C +60°C范围变化时，该红外镜头后截距的变化量1299mm -0. 1273mm。
专利摘要机械补偿式红外温度自适应镜头，其特征在于第一透镜，第二透镜，第三透镜安装于内镜筒内，内镜筒与第二压圈螺纹连接而成的光学成像组件能在外镜筒中作轴向移动，在内镜筒与外镜筒之间由内到外依次安装有同轴的第一段工程塑料、铝隔圈和第二段工程塑料，铝隔圈的纵切面为“Z”字形；外镜筒与接口螺纹连接，接口与第二压圈之间安装有弹簧隔圈，第二压圈前端突圆的内壁与接口的前端面之间有间隙，为内镜筒和第二压圈组成的光学成像组件提供轴向移动的空间。本实用新型可精准控制温度变化时的光学组件移动量，能在-40℃～+60℃温度范围内清晰成像，其环境适应能力强，成像质量稳定；镜头的结构紧凑、重量轻、体积小、安装调试方便，成本低。
文档编号G02B7/02GK202339434SQ20112034146
公开日2012年7月18日 申请日期2011年9月12日 优先权日2011年9月12日
发明者孙兴, 李洪兵, 李睿, 汪兴, 蒋良萍, 陈勇林, 陈骥 申请人:云南北方驰宏光电有限公司