大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)及被動消熱差方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)及被動消熱差方法,包括：位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、安裝有次鏡的次鏡鏡室、連接框架、主鏡框架、安裝有主鏡的主鏡鏡室；所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與所述次鏡鏡室的底部固連，所述主鏡框架與所述主鏡鏡室固連，所述主鏡框架與所述次鏡鏡室之間由連接框架連接。本發(fā)明通過設(shè)置位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可對溫度引起的系統(tǒng)間隔進(jìn)行完全補(bǔ)償，有效的保證了系統(tǒng)的像質(zhì)不隨溫度變化的特性,并且使本系統(tǒng)安裝簡單，沒有增加原有系統(tǒng)的體積、重量和成本。
【專利說明】大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)及被動消熱差方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及反射式光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是涉及一種大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)及被動消熱差方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，復(fù)雜環(huán)境中工作的光學(xué)系統(tǒng)要經(jīng)受非常大的環(huán)境溫度變化，典型的可達(dá)-20°C到+60°C。在溫度急劇變化的環(huán)境中，光學(xué)系統(tǒng)會由于光學(xué)材料與結(jié)構(gòu)材料的熱不穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)的焦距、像面位置，以及像面質(zhì)量等發(fā)生變化。透射式的光學(xué)系統(tǒng)采用被動和主動方式消除熱效應(yīng)的技術(shù)發(fā)展的較為完善，在設(shè)備上的應(yīng)用也很廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展以及遠(yuǎn)距離作用的需要，大口徑離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)的消熱差及無熱化技術(shù)逐步受到重視。但是，受光學(xué)材料和空間體積的限制，目前國內(nèi)大口徑離軸反射光學(xué)系統(tǒng)的無熱化設(shè)計(jì)尚沒有廣泛應(yīng)用。
[0003]離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)零件個數(shù)少且材料單一，安裝固定的機(jī)械結(jié)構(gòu)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。光學(xué)被動式和機(jī)械主動式的消熱差方法，增加了原有系統(tǒng)的體積、重量和成本，機(jī)械主動式補(bǔ)償方法由于增加了溫度傳感器，還會造成滯后效應(yīng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)及被動消熱差方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)被動式和機(jī)械主動式的消熱差方法的缺點(diǎn)，增加了原有系統(tǒng)的體積、重量和成本的問題。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，一方面，本發(fā)明提供一種大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)，其包括:位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、安裝有次鏡的次鏡鏡室、連接框架、主鏡框架、安裝有主鏡的主鏡鏡室；所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與所述次鏡鏡室的底部固連，所述主鏡框架與所述主鏡鏡室固連，所述主鏡框架與所述次鏡鏡室之間由連接框架連接。
[0006]進(jìn)一步，所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)長度采用下式確定:
[0007]y XL3 = α XLl+β XL2
[0008]其中，α為連接框架的線熱膨脹系數(shù)，LI為連接框架的長度；β為主鏡框架的線熱膨脹系數(shù)，L2為主鏡框架的長度，Y為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的線熱膨脹系數(shù)，L3為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的長度。
[0009]可選的，所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)包括鋁塊、尼龍、樹脂；所述主鏡框架包括碳鋼框架、不銹鋼框架、碳錳鋼框架；所述連接框架包括銦鋼框架、鎂合金框架、鈦合金框架。
[0010]進(jìn)一步，所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)為鋁塊，所述主鏡框架為碳鋼框架，所述連接框架為銦鋼框架。
[0011]可選的，所述主鏡鏡室、所述次鏡鏡室均為碳鋼材料制備的。
[0012]可選的，所述主鏡、所述次鏡均為低膨脹系數(shù)的光學(xué)材料制備的，所述低膨脹系數(shù)的光學(xué)材料包括微晶玻璃、碳化硅和石英玻璃。
[0013]可選的，所述主鏡為橢球面主鏡，所述次鏡為拋物面次鏡。
[0014]另一方面，本發(fā)明還提供一種大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)被動消熱差方法，包括:
[0015]確定系統(tǒng)間距隨溫度變化的位移量；
[0016]在次鏡鏡室的底部設(shè)置位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，用位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)隨溫度變化的位移量補(bǔ)償系統(tǒng)間距隨溫度變化的位移量。
[0017]進(jìn)一步，采用下述公式確定系統(tǒng)間距隨溫度變化的位移量:
[0018]A1 = α XLl+β XL2
[0019]其中α為連接框架的線熱膨脹系數(shù)，LI為連接框架的長度；β為主鏡框架的線熱膨脹系數(shù)，L2為主鏡框架的長度。
[0020]進(jìn)一步，用位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)隨溫度變化的位移量補(bǔ)償系統(tǒng)間距隨溫度變化的位移量采用下式:
[0021]Y XL3 = A1
[0022]其中Y為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的線熱膨脹系數(shù)，L3為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的長度。
[0023]進(jìn)一步，所述連接框架為銦鋼框架，所述主鏡框架為碳鋼框架，所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)為招塊。
[0024]本發(fā)明有益效果如下:
[0025]本發(fā)明所述的系統(tǒng)及方法，通過設(shè)置位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可對溫度引起的系統(tǒng)間隔進(jìn)行完全補(bǔ)償，有效的保證了系統(tǒng)的像質(zhì)不隨溫度變化的特性，從而使本系統(tǒng)安裝簡單，沒有增加原有系統(tǒng)的體積、重量和成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的被動消熱差方法的補(bǔ)償計(jì)算原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029]實(shí)施例1:如圖1所示，一種大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)包括:位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)1、安裝有拋物面次鏡3的次鏡鏡室2、連接框架4、主鏡框架5、安裝有橢球面主鏡6的主鏡鏡室7 ;位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)I與次鏡鏡室2的底部(與附圖所不方向相同，次鏡鏡室2的上部安裝有次鏡3,次鏡鏡室2的底部背對次鏡鏡室2的上部)固連，主鏡框架5與主鏡鏡室7固連，主鏡框架5與次鏡鏡室2之間由連接框架4連接；拋物面次鏡3、橢球面主鏡6均采用微晶玻璃制成，主鏡框架5為碳鋼材料制成的碳鋼框架，其長度為120毫米，連接框架4為銦鋼材料制成的銦鋼框架，其長度為641毫米,位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)I為招塊制成，其長度為64毫米。
[0030]本實(shí)施例中，次鏡鏡室2的底部設(shè)置位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)I，位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)I可對溫度引起的系統(tǒng)間隔進(jìn)行完全補(bǔ)償，并且使本系統(tǒng)安裝簡單，沒有增加了原有系統(tǒng)的體積、重量和成本；光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)零件面形不隨溫度變化的特性由光學(xué)零件與光學(xué)鏡室的材料搭配和銦鋼框架、主鏡框架、鋁塊結(jié)構(gòu)保證，有效的保證了系統(tǒng)的像質(zhì)不隨溫度變化的特性，消熱差特性由上述機(jī)械被動式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，無需調(diào)焦。
[0031]對反射光學(xué)系統(tǒng)而言，溫度變化的影響表現(xiàn)在反射鏡面形和鏡間空氣間隔鏡間距的改變上。反射鏡面形的變化由光學(xué)零件和鏡室的熱膨脹引起，鏡間距的變化則由連接光學(xué)零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)引起。
[0032]針對反射鏡面形因?yàn)闇囟茸兓l(fā)生的改變，本實(shí)施例采用以下方案進(jìn)行克服:
[0033]橢球面主鏡與拋物面次鏡采用微晶玻璃，主鏡室和次鏡室采用碳鋼材料。當(dāng)反射鏡和鏡室以這兩種材料組合時，系統(tǒng)高斯像面隨溫度的變化值列在I。
[0034]表I
[0035]


像面漂移量(mm)
反射鏡材料鏡室材料-----

-20。。 (TC 20°C 40°C 60°C
微晶玻璃0.0243 0.0078 O -0.0102-0.0245
[0036]根據(jù)表I的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)溫度在_20°C?+60°C之間變化時，像面的變化均小于系統(tǒng)1/4 λ波相差，由瑞利判據(jù)，可以認(rèn)為系統(tǒng)隨著溫度變化基本無像差。橢球面主鏡與拋物面次鏡除了采用微晶玻璃，還可以采用其他低膨脹系數(shù)的光學(xué)材料，此類光學(xué)材料還包括碳化硅和石英玻璃。與普通光學(xué)材料(Κ9玻璃)相比，此類材料的熱膨脹系數(shù)要低一個數(shù)量級，所以稱之為低膨脹系數(shù)的光學(xué)材料，現(xiàn)將這3種材料的線熱膨脹系數(shù)列出Κ9:3.3X1(T6 ?C1 ;石英玻璃:0.6X1(T6 ?C1 ；SiC:0.7X1(T6 ?C1 ;微晶玻璃:0.5X1(T6.C'
[0037]針對鏡間空氣間隔鏡間距因?yàn)闇囟茸兓l(fā)生的改變，本實(shí)施例采用以下方案進(jìn)行克服:
[0038]如圖2所示，主次鏡之間通過主鏡框架5和連接框架4定位。401為連接框架4隨溫度變化的位移變化方向，連接框架4采用銦鋼材料，銦鋼材料的線熱膨脹系數(shù)為α =5Χ 10_7/°C，長Llmm ；501為主鏡框架5隨溫度變化的位移變化方向，主鏡框架采用碳鋼材料，長L2mm，線熱膨脹系數(shù)為β = 100X10_7/°C。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，已經(jīng)確定了主鏡框架和銦鋼框架的長度，所以依據(jù)下述公式計(jì)算系統(tǒng)間距隨溫度變化的情況A1,
[0039]A1= α XLl+β XL2
[0040]在次鏡端采用位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)I進(jìn)一步補(bǔ)償系統(tǒng)間距變化，圖中101為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)I隨溫度變化的位移變化方向。位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)I為鋁塊制備的，鋁塊材料長L3，線熱膨脹系數(shù)為Y = 236X10_V°C。計(jì)算鋁塊引起的系統(tǒng)間距變化八2，
[0041]Δ2=γ XL3
[0042]令A(yù)1 = A2，則系統(tǒng)的間隔變化可完全補(bǔ)償。即
[0043]α XLl+β XL2 = y XL3
[0044]以下表2示出上述方法的一優(yōu)選實(shí)例:
[0045]表2
[0046]

【權(quán)利要求】
1.一種大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括:位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、安裝有次鏡的次鏡鏡室、連接框架、主鏡框架、安裝有主鏡的主鏡鏡室；所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與所述次鏡鏡室的底部固連，所述主鏡框架與所述主鏡鏡室固連，所述主鏡框架與所述次鏡鏡室之間由連接框架連接。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)長度采用下式確定: YXL3 = α XLl+β XL2 其中，α為連接框架的熱膨脹系數(shù)，LI為連接框架的長度；β為主鏡框架的熱膨脹系數(shù)，L2為主鏡框架的長度；Y為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的線熱膨脹系數(shù)，L3為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的長度。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)包括鋁塊、尼龍、樹脂；所述主鏡框架包括碳鋼框架、不銹鋼框架、碳錳鋼框架；所述連接框架包括銦鋼框架、鎂合金框架、鈦合金框架。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主鏡鏡室、所述次鏡鏡室均為碳鋼材料制備的。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主鏡、所述次鏡均為低膨脹系數(shù)的光學(xué)材料制備的。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主鏡為橢球面主鏡，所述次鏡為拋物面次鏡。
7.一種大口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)的被動消熱差方法，其特征在于，包括: 確定系統(tǒng)間距隨溫度變化的位移量； 在次鏡鏡室的底部設(shè)置位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，用位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)隨溫度變化的位移量補(bǔ)償系統(tǒng)間距隨溫度變化的位移量。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，采用下述公式確定系統(tǒng)間距隨溫度變化的位移量: A1= α XLl+β XL2 其中α為連接框架的線熱膨脹系數(shù)，LI為連接框架的長度；β為主鏡框架的線熱膨脹系數(shù)，L2為主鏡框架的長度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，用位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)隨溫度變化的位移量補(bǔ)償系統(tǒng)間距隨溫度變化的位移量采用下式: YXL3 = A1 其中Y為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的線熱膨脹系數(shù)，L3為位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的長度。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述連接框架為銦鋼框架，所述主鏡框架為碳鋼框架，所述位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)為鋁塊。
【文檔編號】G02B7/182GK104166217SQ201410421626
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】劉琳, 李松山, 張海武, 王岳, 張文海 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所