【发明授权】用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置以及大口径透镜组件_中国科学院长春光学精密机械与物理研究所_201811138863.X 

申请/专利权人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

申请日:2018-09-28

发明/设计人:高雁;许博谦;于夫男;王帅会;张春悦

公开(公告)日:2020-05-19

代理机构:深圳市科进知识产权代理事务所(普通合伙)

公开(公告)号:CN109239881B

代理人:曹卫良

主分类号:G02B7/02(20060101)

地址:130033 吉林省长春市经济技术开发区东南湖大路3888号

分类号:G02B7/02(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.05.19#授权;2019.02.19#实质审查的生效;2019.01.18#公开

摘要:本发明公开了一种用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,包括:镜筒,镜框,径向调节件,以及压圈;所述镜筒上在内周璧上设置有轴向定位台阶;所述镜框设置在所述轴向定位台阶上;所述径向调节件设置在所述镜筒上并一端抵顶所述镜框,用于调节所述镜框与所述镜筒内周璧的间隙;所述压圈设置所述镜框上并使所述镜框压紧在所述镜筒的轴向定位台阶上。本发明实施例还提供了一种大口径透镜组件。本发明提供的柔性支撑装置和大口径透镜组件可以同时消除光学透镜自重与温差的影响。

主权项:1.一种用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,包括:镜筒,镜框,径向调节件,以及压圈;所述镜筒上在内周璧上设置有轴向定位台阶;所述镜框设置在所述轴向定位台阶上;其中,所述镜框为圆筒状,其一端开口处设置有定位凸台,另一端的端面处设置有狭缝,所述狭缝贯穿所述镜框;所述镜框的内璧还设置有注胶孔,所述注胶孔的位置与所述定位凸台的位置对应;所述径向调节件设置在所述镜筒上并一端抵顶所述镜框,用于调节所述镜框与所述镜筒内周璧的间隙;所述压圈设置所述镜框上并使所述镜框压紧在所述镜筒的轴向定位台阶上。

全文数据:用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置以及大口径透镜组件技术领域本发明涉及光学仪器技术领域,特别是涉及一种用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置以及大口径透镜组件。背景技术透镜是组成各种光学系统的基本元件,通过将各类透镜组合可以构成功能各异的光学系统,因此,透镜的面形精度和安装精度是影响整个光学系统的关键因素。随着对光学系统视场、分辨率和成像质量等性能要求的提高,光学元件的口径越来越大,对系统中单个透镜的位置精度和面形精度的要求也越来越高。而且透镜不可以进行背部支撑,口径越大质量也越大。并且在实际使用过程中,透镜透镜组经常在运动过程中完成对目标的成像,使用环境的温度变化范围也比较大,所以对透镜的支撑结构不仅要满足静力学要求,而且还需要满足动力学要求并具有良好的温度适应性。因此传统的主要用于小透镜支撑的采用压块或压圈固定的安装方式很难满足大口径透镜的支撑系统要求。光学元件的面形精度决定了光学系统性能,而光学元件的安装和定位结构又是保证面形精度的关键因素。透镜是透射式光学系统的关键光学元件,透镜的面形精度和安装精度是影响整个光学系统性能的关键因素。随着对光学系统视场角、分辨率和像差等性能要求的提高,光学元件的口径越来越大,且对光学元件面形精度的要求越来越高,需要对重力、温度载荷等引起的镜片面形进行严格控制。传统的多透镜光学系统多设计为镜筒结构,采用压圈和隔圈结合的方式对透镜进行固定,这种结构的优点是加工相对简单,通过保证镜筒与透镜处的配合公差、隔圈厚度以及镜筒各安装内孔的同轴度来保证整个系统的性能。但是,在有温度变化的情况下,若压圈和镜筒与透镜材料的线膨胀系数不一致,透镜与周围支撑结构的变形量不一致将会导致透镜内部产生热应力,从而影响镜面面形甚至导致内部出现裂纹。对于小口径的透镜,可以选择与透镜线膨胀系数相近的金属材料制作压圈和隔圈,从而减少温度变化对透镜的影响。但是,当透镜口径较大时,透镜随温度变化的变形量会增大,同时支撑结构的重量也会随之增大,自重和温度对镜面面形的影响都不可以忽略。现有技术中的透镜支撑结构的柔性支撑结构的柔性主要体现在轴向柔性,减小自重对透镜面形的影响,对温度的影响消除较少,由于轴向柔性较大,若在大轴向冲击载荷的作用下,透镜可能会发生轴向移动,并且该结构零件较多,加工和装配复杂。发明内容本发明旨在克服现有技术存在的缺陷,本发明采用以下技术方案:一方面,本发明提供了一种用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,所述用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置包括:镜筒,镜框,径向调节件,以及压圈;所述镜筒上在内周璧上设置有轴向定位台阶;所述镜框设置在所述轴向定位台阶上;所述径向调节件设置在所述镜筒上并一端抵顶所述镜框,用于调节所述镜框与所述镜筒内周璧的间隙;所述压圈设置所述镜框上并使所述镜框压紧在所述镜筒的轴向定位台阶上。在一些实施例中,所述镜框为圆筒状,其一端开口处设置有定位凸台,另一端的端面处设置有狭缝,所述狭缝贯穿所述镜框。在一些实施例中,所述镜框的内璧还设置有注胶孔,所述注胶孔的位置与所述定位凸台的位置对应。在一些实施例中,所述定位凸台为8个,并均匀分布。在一些实施例中,所述狭缝为8个,并均匀分布。在一些实施例中,所述狭缝圆弧形狭缝,所述狭缝的间距为1-3mm。在一些实施例中,所述径向调节件为调节顶丝。在一些实施例中,所述镜框为多个,所述镜筒对应设置有多个轴向定位台阶用于所述多个所述镜框进行轴向定位。另一方面,本发明实施例还提供了一种大口径透镜组件。所述大口径透镜组件包括光学透镜以及如前所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,所述光学透镜设置在所述镜框内。在一些实施例中,所述镜框的材料热膨胀系数与所述光学透镜材料热膨胀系数一致。本发明的有益效果在于:本发明实施例提供的一种用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置和大口径透镜组件通过在镜筒上在内周璧上设置有轴向定位台阶,将镜框设置在所述轴向定位台阶上,将径向调节件设置在所述镜筒上并一端抵顶所述镜框,用于调节所述透镜与系统光轴的偏心量,透镜镜框在径向和轴向都具有一定挠度,通过仅对镜框的轴向和径向进行调节可以同时消除光学透镜自重与温差的影响,同时减小了加工与装调的复杂性。附图说明图1是根据本发明一个实施例的一种大口径透镜组件的结构示意图;图2是根据本发明一个实施例的第一光学透镜与第一镜框一体的结构示意图;图3是图2中A-A的剖视图;图4是图3中B部分的放大示意图;图5是本发明一个实施例的第一镜框的示意图。本发明实施例涉及的附图标记如下所示:第一光学透镜7,第一镜框8,第二光学透镜9,第二镜框10,第三光学透镜11,第三镜框12,压圈13,径向调节件15,镜筒17;轴向定位台阶171,定位凸台81,狭缝82,注胶孔83;大口径透镜组件1000。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,而不构成对本发明的限制。需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和或它们的组合。参考图1-图5所示,是本发明实施例提供的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置的结构示意图。本发明实施例提供了一种用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,所述用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置包括:镜筒17,镜框,径向调节件15,以及压圈13;所述镜筒17上在内周璧上设置有轴向定位台阶171;所述镜框设置在所述轴向定位台阶171上;所述径向调节件15设置在所述镜筒17上并一端抵顶所述镜框,用于调节所述镜框与所述镜筒17内周璧的间隙,具体的,用于调节所述透镜与系统光轴的偏心量;所述压圈13设置所述镜框上并使所述镜框压紧在所述镜筒17的轴向定位台阶171上。如图1所示,所述用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置用于支撑三个光学透镜,分别为第一光学透镜7,第二光学透镜9,第三光学透镜11,对应的支撑镜框分别为第一镜框8,第二镜框10,第三镜框12。其中,第一光学透镜7安装在第一镜框8内,第二光学透镜9安装在第二镜框10内,第三光学透镜11安装在第三镜框12内。在一些实施例中,所述镜框为圆筒状,其一端开口处设置有定位凸台81,另一端的端面处设置有狭缝82,所述狭缝82贯穿所述镜框。在一些实施例中,所述镜框的内璧还设置有注胶孔83,所述注胶孔83的位置与所述定位凸台81的位置对应。在一些实施例中,所述定位凸台81为8个,并均匀分布。在一些实施例中,所述狭缝82为8个,并均匀分布。在一些实施例中,所述狭缝82圆弧形狭缝82,所述狭缝82的间距为1-3mm。狭缝的作用在于使与光学透镜接触的镜框部位形成一个薄金属片,从而具有一定的挠度,形成挠性支撑结构。如图5所示,所述镜框为第一镜框8,其一端开口处设置有定位凸台81,另一端的端面处设置有狭缝82,所述狭缝82贯穿所述第一镜框8。所述第一镜框8的内璧还设置有注胶孔83,所述注胶孔83的位置与所述定位凸台81的位置对应。所述定位凸台81为8个,并均匀分布,所述狭缝82为8个,并均匀分布。所述狭缝82圆弧形狭缝82,所述狭缝82的间距为1-3mm。在一些实施例中,所述径向调节件15为调节顶丝。径向调节件15的个数与所述镜框的数量相对应,一般地,一个镜框可对应四个径向调节件15,其在镜筒17的周向上均匀分布。或者,四个径向调节件15也可以为三个。径向调节件可以调节透镜与系统光轴的偏心量。在一些实施例中,所述镜框为多个,所述镜筒17对应设置有多个轴向定位台阶用于所述多个所述镜框进行轴向定位。如图1所示,所述镜框包括:第一镜框8,第二镜框10,第三镜框12。所述定位台阶171为对对应的三个。另一方面,本发明实施例还提供了一种大口径透镜组件1000。所述大口径透镜组件1000包括光学透镜以及如前所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,所述光学透镜设置在所述镜框内。如图1所示,所述用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置用于支撑三个光学透镜,分别为第一光学透镜7,第二光学透镜9,第三光学透镜11,对应的支撑镜框分别为第一镜框8,第二镜框10,第三镜框12。其中,第一光学透镜7安装在第一镜框8内,第二光学透镜9安装在第二镜框10内,第三光学透镜11安装在第三镜框12内。光学透镜外边缘与镜框之间用低应力胶D04粘接并充分释放应力,使光学透镜与镜框成为一体组成独立的光学透镜单元。在一些实施例中,所述镜框的材料热膨胀系数与所述光学透镜材料热膨胀系数一致。镜框材料的膨胀系数与光学透镜相一致,能够保证镜片因热载荷膨胀收缩时镜框能够顺应性地膨胀收缩,保证光学透镜组高精度的面形要求。如图1所示的实施例中,本发明实施例还提供了一种大口径透镜组件由第一光学透镜7、第一镜框8、第二光学透镜9、第二镜框10、第三光学透镜11、第三镜框12、压圈13、径向调节件15和镜筒17等组成。具体结构关系是:第一光学透镜7安装在第一镜框8内,第二光学透镜9安装在第二镜框10内,第三光学透镜11安装在第三镜框12内,然后通过镜框周边的注胶孔83用低应力胶D04粘接光学透镜并充分释放应力,形成三个独立的光学透镜单元。三个光学透镜单元从下到上依次安装在镜筒17内的不同轴向定位台阶171上,首先将第三光学透镜11单元放置在镜筒17下面的轴向定位台阶171上,第三镜框12外径与镜筒17内径之间保留一定间隙,通过圆周均匀的径向调节件15调整第三光学透镜11光轴与系统统一,绕轴旋转光学透镜单元并校准其相位,使轴上像有最佳的对称性,通过精密研磨第三镜框12的底面,调整各光学透镜之间的空气间隔和倾斜误差,调整完毕后,通过镜筒17上周边的注胶孔用D04胶固定第三光学透镜11单元的周边,最后用压圈13压紧。然后将第二光学透镜9单元放置在镜筒17中间的台阶上,第三光学透镜11单元放置在镜筒17上面的轴向定位台阶171上,根据上面的步骤调整完毕后胶结,最后用压圈13压紧。第一光学透镜7单元的支撑结构如图2-4所示,由第一光学透镜7和具有柔性支撑结构的第一镜框8组成。三组光学透镜柔性支撑结构相同。第一镜框8采用八点柔性支撑,第一光学透镜7安装在第一镜框8中的定位凸台81上,第一镜框8周向均匀分布八个注胶孔83,通过注胶孔83将第一光学透镜7外边缘与第一镜框8之间用D04胶粘接。第一镜框8底部加工出宽为1mm,高0.5mm的环带接触面,用于调节各光学透镜之间的空气间隔和倾斜误差,多点均匀支撑第一镜框8。在一些实施例中,第一光学透镜7、第二光学透镜9和第三光学透镜11材料均采用肖特N-BK7玻璃,直径171mm,上下表面镀减反膜。一镜框8、第二镜框10和第三镜框12的材料采用具有与光学透镜相近线胀系数的不锈钢Y1Cr13,采用数控加工镜框整体结构。采用线切割加工出狭缝,狭缝是圆弧形,两圆弧间距1-3mm,深度为上下贯穿镜框,角度为34°。压圈13的材料采用切削性能好的不锈钢Y1Cr13;镜筒17材料为钛合金TC4;径向调节件15材料采用不锈钢,端部采用球头,螺纹精密加工,螺距M0.5,与镜筒17上的螺纹孔紧密配合。本发明的有益效果在于:本发明实施例提供的一种用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置和大口径透镜组件1000通过在镜筒17上在内周璧上设置有轴向定位台阶171,将镜框设置在所述轴向定位台阶171上,将径向调节件15设置在所述镜筒17上并一端抵顶所述镜框,用于调节所述镜框与所述镜筒17内周璧的间隙,透镜镜框在径向和轴向都具有一定挠度,通过仅对镜框的轴向和径向进行调节可以同时消除光学透镜自重与温差的影响,同时减小了加工与装调的复杂性。用于支撑大口径光学透镜的柔性支撑装置在结构整体上径向柔性较好,镜框材料的膨胀系数与光学透镜相一致,能够保证镜片因热载荷膨胀收缩时镜框能够顺应性地膨胀收缩,保证光学透镜组高精度的面形要求。支撑结构在轴向的柔性较小,所以镜框组件受冲击和振动时,可以保证支撑块在其弹性形变范围内顺应性变化,保持光学镜片的初始位置。本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器RAM、内存、只读存储器ROM、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

权利要求:1.一种用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,包括:镜筒,镜框,径向调节件,以及压圈;所述镜筒上在内周璧上设置有轴向定位台阶;所述镜框设置在所述轴向定位台阶上;所述径向调节件设置在所述镜筒上并一端抵顶所述镜框,用于调节所述镜框与所述镜筒内周璧的间隙;所述压圈设置所述镜框上并使所述镜框压紧在所述镜筒的轴向定位台阶上。2.根据权利要求1所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,所述镜框为圆筒状,其一端开口处设置有定位凸台,另一端的端面处设置有狭缝,所述狭缝贯穿所述镜框。3.根据权利要求2所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,所述镜框的内璧还设置有注胶孔,所述注胶孔的位置与所述定位凸台的位置对应。4.根据权利要求2所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,所述定位凸台为8个,并均匀分布。5.根据权利要求2所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,所述狭缝为8个,并均匀分布。6.根据权利要求5所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,所述狭缝圆弧形狭缝,所述狭缝的间距为1-3mm。7.根据权利要求1所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,所述径向调节件为调节顶丝。8.根据权利要求1所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,其特征在于,所述镜框为多个,所述镜筒对应设置有多个轴向定位台阶用于所述多个所述镜框进行轴向定位。9.一种大口径透镜组件,其特征在于,包括光学透镜以及如权利要求1-8任一项所述的用于支撑大口径透镜的柔性支撑装置,所述光学透镜设置在所述镜框内。10.根据权利要求9所述的大口径透镜组件,其特征在于,所述镜框的材料热膨胀系数与所述光学透镜材料热膨胀系数一致。

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