一种红外镜头的宽温度范围被动机械补偿防热离焦结构的制作方法

本实用新型涉及一种红外镜头无热化补偿结构，具体涉及一种红外镜头的宽温度范围被动机械补偿防热离焦结构。

背景技术：

有些镜头无法利用材料热特性之间的差异来补偿光学系统产生的热离焦，为了使红外镜头清晰成像，需要一种红外镜头被动机械补偿防热离焦结构。

常规红外被动机械补偿防热离焦构体积大，结构复杂、重量大，且温度适应范围小，补偿材料低温性能差、成本高，已无法满足现在红外镜头小型化、低成本、轻量化及宽环境温度适应性要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种红外镜头的宽温度范围被动机械补偿防热离焦结构，其体积小、重量轻、适应更宽环境温度要求范围、低成本。

一种红外镜头的宽温度范围被动机械补偿防热离焦结构，包括：第一支架、第二支架、第三支架、镜筒、镜片组、探测器，所述镜片组各镜片固定于镜筒内，探测器通过螺钉与第一支架固定，第一支架通过螺钉与第二支架固定，第二支架通过螺钉与第三支架固定，镜筒位于第三支架内部通过螺钉与第三支架固定；其中，第一支架材质为铝，第二支架选用热膨胀系数的数量等级大于10^-5的非金属材料，第三支架选用热膨胀系数的数量等级小于10^-5的材料，三个支架在镜头轴向上构成部分相互交叠的连接形式。

优选地，第一支架与第二支架二者前端相连，第二支架与第三支架二者后端相连；第一支架、第二支架、第三支架、镜筒、探测器之间采用轴向固定。

优选地，第二支架材质为工程塑料(TPEE)，第三支架材质为殷钢。

优选地，第一支架与镜筒为小间隙配合，以保证温度变化过程中探测器与镜筒同轴；第一支架与第二支架、第二支架与第三支架之间分别为间隙配合，以保证温度变化过程中轴向运动顺畅；第三支架与镜筒为小间隙配合，以保证温度变化过程中探测器与镜筒同轴。

优选地，所述第三支架为喇叭口结构形式，两端面均设有螺纹孔，前端开口为圆形结构，通过螺钉与镜筒配合固定，后端开口为方形结构，通过螺钉与第二支架固定，后端开口左右两侧面加工有让位斜角；第三支架前后端通过两加强筋连接，加强筋中间加工有减重孔。

优选地，镜筒前端为喇叭口结构，中间为方形结构，后端为圆柱形结构，中间方形结构为镜头对外接口。

优选地，所述第二支架为筒形结构，其前端为内翻边结构，前端端面加工有沉头孔，并与第一支架连接；后端上下两端面为外翻边结构，且加工有沉头孔，并与第三支架连接，后端左右两侧面加工有让位斜角。

优选地，所述第一支架为筒形结构，其前端四边为外翻边结构，前端面加工有螺纹孔，并与第二支架连接；其后端四边为内翻边结构，后端面加工有螺纹孔，并与探测器连接，第一支架后端中心孔周边加工有阶梯台，以更好地减少系统杂光。

优选地，第一支架、第二支架、第三支架的长度与其各自的热膨胀系数满足如下关系：l1×a1-l2×a2+l3×a3＝a4，

其中，l1×a1-l2×a2+l3×a3—温度变化时探测器相对常温与镜片组最后一个镜片的距离变化量；

a4—像面相对移动量；

l1—第一支架总长度；

a1—第一支架热膨胀系数；

l2—第二支架总长度；

a2—第二支架热膨胀系数；

l3—第三支架总长度；

a3—第三支架热膨胀系数。

优选地，第一支架、第二支架、第三支架均采用框架式结构。

有益效果

(1)该结构仅采用一级补偿，相比其他类似结构采用多级补偿方式，该结构更加简单、体积更小、可靠性更高、装配工艺性更好、制造成本更低。

(2)第二支架采用TPEE，第三支架采用殷钢；与常规选材相比，不仅满足低温使用要求，而且相应零件长度缩短了十几倍，使得整个结构的轻量化和小型化得以实现。

(3)三个支架采用首尾相连的方式，且三个支架之间以及与镜筒和探测器之间均采用轴向固定，从而减少轴向空间。螺纹孔加工在有效补偿长度的零件上，第三支架3与镜筒连接处预留了间隙，可用于探测器后截距调整，既可降低零件加工要求，节约了成本，还可补偿加工、装配带来误差。

(4)镜筒前端为喇叭口结构，中间为方形结构，后端为圆柱形结构，中间方形结构为镜头对外接口，外部轴系直接与镜筒固定，减少了一环框架，进行了充分的轻量化、小型化设计。

附图说明

图1为本实用新型结构的组装图。

图2为本实用新型结构的纵轴向内部剖视图。

图3为第一支架。

图4为第二支架。

图5为第三支架。

其中，1-镜筒、2-第二支架、3-第三支架、4-探测器、5-镜片组、6-第一支架。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种红外镜头的宽温度范围被动机械补偿防热离焦结构，参见附图1-2，包括：镜筒1、第二支架2、第三支架3、探测器4、镜片组5、第一支架6。

所述镜片组5各镜片固定于镜筒1内，探测器4通过螺钉与第一支架6固定，第一支架6通过螺钉与第二支架2固定，第二支架2通过螺钉与第三支架3固定，第三支架3通过螺钉与位于其内部的镜筒1固定。第一支架6材质为铝，第二支架2选用热膨胀系数大(数量等级大于10-5)的非金属材料，本实施例选用工程塑料(TPEE)，第三支架3选用热膨胀系数小(数量等级小于10-5)的材料，本实施例选用材质为殷钢，三个支架在镜头轴向上构成部分相互交叠连接，即在纵轴向剖视图上构成“Z”字形连接，即第一支架6位于第二支架2内部且二者前端相连，第二支架2位于第三支架内部且二者后端相连。该结构仅采用一级补偿，相比其他类似结构采用多级补偿方式，该结构更加简单、体积更小、可靠性更高、装配工艺性更好、制造成本更低。

第一支架6、第二支架2、第三支架3均采用框架式结构，具有更强的强度、刚度，可应用于高冲击、大振动量级环境。

其中，第一支架16与镜筒1为小间隙配合，可保证温度变化过程中探测器4与镜筒1同轴。第一支架6与第二支架2和第二支架2与第三支架3之间为间隙配合，可保证温度变化过程中轴向运动顺畅。第三支架3与镜筒1为小间隙配合，可保证温度变化过程中探测器4与镜筒1同轴。通过第一支架6、第二支架2、第三支架3的合理设计，可使高低温下机械结构伸缩量与高低温下像面移动量相同，实现红外温度变化引起成像像面位置变化的补偿。

如图3所示，第一支架6为筒形结构，前端四边为外翻边结构，端面加工有螺纹孔，与第二支架2连接，且前端开孔尺寸为加差；后端为内翻边结构，端面加工有螺纹孔，与探测器4连接，后端中心孔周围加工有阶梯台，可更好的减少系统杂光。根据系统要求，第一支架6选用常规材料，优选为铝。

如图4所示，第二支架2为筒形结构，前端为内翻边结构，端面加工有沉头孔，与第一支架6连接，且前端开孔尺寸为加差；后端上下两端面为外翻边结构，左右两侧面加工有让位斜角，上下两端面加工有沉头孔，与第三支架3连接，且后端开孔尺寸为加差。根据系统要求，第二支架2选用热膨胀系数大的非金属材料，优选为TPEE。TPEE脆点低于-70℃，高温200℃可长期使用，热膨胀系数可达180×10^-5/℃)。常规补偿材料为ABS(脆点温度-40℃，热膨胀系数10×10^-5/℃)、尼龙1010(脆点温度-60℃，热膨胀系数10.5×10^-5/℃)、聚甲醛(脆点温度-40℃，热膨胀系数11×10^-5/℃)等材料，均不满足低温使用要求，如果选用其他补偿材料，相应零件长度需增加15倍长度左右，非常不利于整个结构的轻量化和小型化设计。此外，第二支架2为满足高冲击、大振动量级环境下使用，对零件进行了结构增强，制造该零件时添加了高强度纤维，在不影响材料热膨胀系数前提下，提高了零件的强度和刚度。

如图5所示，第三支架3为喇叭口结构形式，两端开孔大，两开孔的端面均有螺纹孔，前端开口为圆形结构，且与镜筒1配合，尺寸公差为H7，通过螺钉与镜筒固定；后端开口为方形结构，尺寸加差，通过螺钉与第二支架2固定，后端开口左右两侧面加工有让位斜角；前后端通过两加强筋连接，加强筋中间加工有减重孔。经过有限元软件分析，不会影响零件强度，还可大大减轻零件重量，使整个产品更加轻量化、小型化。根据系统要求，第三支架3选用热膨胀系数小的材料，优选为殷钢。殷钢热膨胀系数1.5×10^-6/℃)，常规材料铝热膨胀系数2.3×10^-5/℃，普通钢热膨胀系数10×10^-6/℃左右，如使用常规材料，相应零件长度至少增加6倍左右，非常不利于整个结构的轻量化和小型化设计。

镜筒前端为喇叭口结构，中间为方形结构，后端为圆柱形结构，中间方形结构为镜头对外接口，这样外部转台轴系可以直接通过中间方形结构与镜筒固定，减少了一环框架，进行了充分的轻量化、小型化设计。

进一步地，镜筒、第一支架6、第二支架2、第三支架3、探测器之间采用轴向固定方式连接，为减少轴向空间，螺纹孔加工在有效补偿长度的零件上，第三支架3与镜筒连接处预留了间隙，可用于探测器后截距调整，既可降低了零件加工要求，节约了成本，还可补偿加工、装配带来误差。

其中，各支架长度与热膨胀系数满足如下关系：

l1*a1-l2*a2+l3*a3＝a4，其中：a4—像面移动量，l1—第一支架6总长度，a1—第一支架6热膨胀系数，l2—第二支架2总长度，a2—第二支架2热膨胀系数，l3—第三支架3总长度，a3—第三支架3热膨胀系数。l1、l2、l3均为零件两端面距离，零件尺寸精度及加工更容易保证，实际补偿效果更加精确，成像更加清晰。

下面对公式原理进行解释：首先，公式左侧l1*a1为第一支架6膨胀长度，l2*a2为第二支架2膨胀长度，l3*a3为第三支架3膨胀长度；另外，由于三个支架之间存在局部交叠，即“Z”字形的连接关系，因此第二支架2的膨胀长度l2*a2，其方向与第一支架6和第三支架3的膨胀长度方向相反，因此在轴向坐标上记为负值，即-l2*a2；综上，三个支架在轴向坐标上膨胀长度的总和即为l1*a1-l2*a2+l3*a3；

另外，由于镜片组与支架相对固定，因此支架膨胀长度的总和“l1*a1-l2*a2+l3*a3”即为像面相对移动量a4，由此得到上述等式：l1*a1-l2*a2+l3*a3＝a4；

在本实用新型中，通过将第二支架2的热膨胀系数a2设定的较大，而第一支架6的热膨胀系数a1与第三支架3的热膨胀系数a3设定的相对较小，通过合理配置，可使l1*a1-l2*a2+l3*a3与镜片在高低温变化时引起焦面的移动量相同，即得到“宽温度范围内被动机械补偿防热离焦”的技术效果。

本实用新型第一支架6材料为铝，第二支架2材料为TPEE，第三支架3材料为殷钢，通过合理设计结构件长度及材料选择，可实现-50℃～+70℃温度范围内清晰成像，环境适应能力更强，成像更稳定。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。