專利名稱：一種光學儀器的被動消熱機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密光機系統(tǒng)設計領域，涉及一種光學儀器的被動消熱機構，用于 精密控制兩光學元件間的間隔。
背景技術：
光學儀器的光機系統(tǒng)設計是一個將多種學科技術緊密集成在一起的過程，光機 工程師的首要任務就是將光學系統(tǒng)中的所有光學元件固定在各自合適的位置，并在要求 的溫度、壓力、振動等環(huán)境條件下保持一定的位置精度，使光學系統(tǒng)能夠正常的工作。光學儀器工作的環(huán)境溫度很少能保持于實驗室這樣可控的環(huán)境中，特別是對于 航空、航天光學儀器，溫度條件就更惡劣了。為了保證環(huán)境溫度變化時，光學儀器仍然 能正常地工作，就必須通過消熱化設計保證各光學元件在不同溫度下的位置精度和面型 精度保持在允許范圍內。消熱化設計有主動消熱化設計和被動消熱化設計兩種方法。主動消熱化設計指 當溫度變化時，利用某種機械裝置來調整光學元件的位置，實現光學元件位置的精密控 制，當前光學儀器常用的調焦機構就是這種主動消熱化設計的典型機構；被動消熱化設 計指利用對溫度變化有響應的機械結構自動完成光學元件位置的改變，以滿足各自的位 置精度要求。被動消熱化設計由于結構簡單、無能量消耗、可靠性高、靈敏度高等優(yōu) 點，被廣泛用于各種光學儀器的光機結構設計中，以降低光學儀器的溫度敏感性，提高 光學儀器的環(huán)境適應性。如圖1所示，由機械工業(yè)出版社2008年出版的PaulR.Yoder，Jr編著的《光機系
統(tǒng)設計》公開一種消熱機構，該機構包括透鏡組件1、鏡座2、鏡筒3和補償器4。透鏡 組件1安裝在鏡座2中，鏡座2安裝在鏡筒3的一側，補償器4安裝在鏡筒3的另一側， 通過合理設計鏡座3和補償器4的長度和材料，利用鏡筒3和補償器4的熱膨脹系數差實 現焦距f的精密控制。這種基于差動原理的間隔控制方法就是一種被動消熱化設計，具有 無能量消耗、可靠性高、靈敏度高等優(yōu)點，已被廣泛應用于精密光學儀器的設計中；但 這種設計的最大缺點是結構復雜，在多個透鏡間隔需要控制時，整個結構將變成多層嵌 套的復雜結構，這在重量、剛度等方面都遇到較大的挑戰(zhàn)，不能滿足光學儀器小型化、 輕量化的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種光學儀器的被動消熱機構，滿足光學儀器中兩個光學 元件在較寬的溫度范圍內保持較高位置精度的要求。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下一種光學儀器的被動消熱機構，用于精密控制共軸的第一光學元件和第二光學 元件之間的間隔，該機構包括壓圈、橡膠墊、第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈，第一隔 圈、第二隔圈和第三隔圈依次置于兩個光學元件之間，第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈的中心線與兩個光學元件的光軸重合，橡膠墊位于壓圈和第一光學元件之間，壓圈依次 壓緊橡膠墊、第一光學元件、第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈和第二光學元件。上述第一隔圈和第三隔圈由熱膨脹系數相同的材料制成，第二隔圈與第一隔圈 材料的熱膨脹系數不相同。本發(fā)明的工作原理是當溫度升高時，第一隔圈、橡膠墊、第一光學元件、第 一隔圈、第二隔圈、第三隔圈、第二光學元件、光學元件座都要產生熱膨脹，若第二隔 圈的熱膨脹系數大于第一隔圈、第三隔圈，則第二隔圈徑向膨脹大于第一隔圈、第三隔 圈，在第二隔圈與第一隔圈、第三隔圈接觸的斜面上將產生間隙δ ；在壓圈、橡膠墊回 彈力的作用下，第一光學元件將推動第一隔圈使第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈靠緊。 此時，由第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈控制的透鏡安裝基面間的間隔將由1縮短為Γ ； 同理，如果需要第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈控制的透鏡安裝基面間的間隔隨著溫度 的升高而增大，則選擇第二隔圈的熱膨脹系數小于第一隔圈、第三隔圈即可。本發(fā)明的有益效果是基于差動原理的被動消熱機構，結構簡單且可控設計 變量多，能夠滿足光學儀器中兩個光學元件在較寬的溫度范圍內較高的位置控制精度要 求。


圖1是現有被動消熱機構的結構示意圖。圖2是本發(fā)明光學儀器的被動消熱機構的結構示意圖。圖3是本發(fā)明溫升條件下隔圈膨脹位移示意圖。圖4是本發(fā)明隔圈間隙消除后的間隔變化示意圖。圖5是本發(fā)明實施例中實施方法的示意圖。圖中1、透鏡組件，2、鏡座，3、鏡筒，4、補償器，5、壓圈，6、橡膠墊，
7、第一光學元件，8、第一隔圈，9、第二隔圈，10、第三隔圈，11、第二光學元件， 12、光學元件座。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖2所示，本發(fā)明光學儀器的被動消熱機構，用于精密控制共軸的第一光學 元件7和第二光學元件11之間的間隔，圖2中的第一光學元件7和第二光學元件11均是 透鏡，兩個透鏡固定在光學元件座12內；該被動消熱機構包括壓圈5、橡膠墊6、第一隔 圈8、第二隔圈9和第三隔圈10，第一隔圈8、第二隔圈9和第三隔圈10按照圖2順序依 次置于兩個光學元件之間，第一隔圈8、第二隔圈9和第三隔圈10的中心線與兩個光學元 件的光軸重合，橡膠墊6位于壓圈5和第一光學元件7之間起緩沖作用，壓圈5依次壓緊 橡膠墊6、第一光學元件7、第一隔圈8、第二隔圈9、第三隔圈10和第二光學元件11提 供預載。第一隔圈8和第三隔圈10選用同一種材料，第二隔圈9選用熱膨脹系數不同于 第一隔圈8、第三隔圈10的材料，第一隔圈8、第二隔圈9、第三隔圈10組成一個差動單 元結構。如圖3至圖5所示，隨著溫度的變化，影響第一光學元件7和第二光學元件11間隔的參數為隔圈熱膨脹系數C、隔圈寬度L、隔圈半徑R以及隔圈間楔角α。通過選 擇合適的隔圈熱膨脹系數C、隔圈寬度L、隔圈半徑R以及隔圈間楔角α，即可滿足一定 溫度條件下第一光學元件7和第二光學元件11間隔的精密控制，計算公式如下La = Δ T[ (L^L3) C^L2C2]...........................(1)
權利要求
1.一種光學儀器的被動消熱機構，用于精密控制共軸的第一光學元件(7)和第二光學 元件(11)之間的間隔，其特征在于，該機構包括壓圈(5)、橡膠墊(6)、第一隔圈(8)、 第二隔圈(9)和第三隔圈(10)，第一隔圈(8)、第二隔圈(9)和第三隔圈(10)依次置于 兩個光學元件之間，第一隔圈(8)、第二隔圈(9)和第三隔圈(10)的中心線與兩個光學元 件的光軸重合，橡膠墊(6)位于壓圈(5)和第一光學元件(7)之間，壓圈(5)依次壓緊橡 膠墊(6)、第一光學元件(7)、第一隔圈(8)、第二隔圈(9)、第三隔圈(10)和第二光學 元件(11)。
2.根據權利要求1所述的一種光學儀器的被動消熱機構，其特征在于，所述第一隔圈 ⑶和第三隔圈(10)由熱膨脹系數相同的材料制成，所述第二隔圈(9)與第一隔圈⑶材 料的熱膨脹系數不同，通過選擇合適的隔圈熱膨脹系數、隔圈寬度、隔圈半徑以及隔圈 間楔角，精密控制共軸的第一光學元件(7)和第二光學元件(11)之間的間隔。
全文摘要
一種光學儀器的被動消熱機構屬于精密光機系統(tǒng)設計領域，該機構用于精密控制共軸的第一光學元件和第二光學元件之間的間隔，其包括壓圈、橡膠墊、第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈，第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈依次置于兩個光學元件之間，第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈的中心線與兩個光學元件的光軸重合，橡膠墊位于壓圈和第一光學元件之間，壓圈依次壓緊橡膠墊、第一光學元件、第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈和第二光學元件。本發(fā)明的有益效果是結構簡單且可控設計變量多，能夠滿足光學儀器中兩個光學元件在較寬的溫度范圍內較高的位置控制精度要求。
文檔編號G02B7/02GK102012550SQ201010529518
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權日2010年11月3日
發(fā)明者張軍強, 顏昌翔 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所