一种低温光学系统的调焦装置

1.本发明属于光学成像领域，涉及一种低温光学系统的调焦装置。


背景技术：

2.在对观测目标进行中波红外及长波红外成像时，为抑制背景热噪声对成像目标信号的干扰，获取高信噪比的目标红外信息，在成像系统设计时，除成像器件采用制冷型探测器外，还进行冷光学系统设计，即对光学成像系统进行低温制冷，尤其对信号比较弱的目标进行高质量红外数据采集时，对光学成像系统的制冷温度及稳定性要求则变得更高。
3.目前采用的光学系统制冷方案主要是将制冷型探测器外置，并将整个光学系统置于一个真空密闭箱体中，通过外置制冷机、冷链及杜瓦对光学系统进行制冷及低温保持。由于光学系统的装调是在常温常压下完成，而实际数据的采集是在真空低温下进行，在低温真空下，受光学折射率、光机件低温状态等因素的影响，光学系统的像面位置与常温常压状态下相比，会有一定的偏移，且偏移量往往会超出光学系统本身的焦深，此时即出现了离焦情况，为使探测器感光面与光学系统像面位置重合，必须对探测器及光学系统相对位置进行调整。
4.由于光学系统被置于密闭真空箱体中无法调整，故只能调整探测器与光学系统的相对位置，但由于真空箱体内外存在大气压差，受大气压力影响，探测器的调整难度也很大，且调整精度也大大受限。基于此目前探测器与光学系统的相对位置调整所采用的方法主要是通过分析计算，得到光学系统像面在真空低温环境下的偏移量，将探测器位置进行提前预置，但是此方法无法做到实时性及准确性；受分析计算精度影响，此方法单次无法完全准确的对探测器位置进行预置，需要根据测试结果对预置量进行多次修正，这就需要对系统进行多次抽真空及制冷，这严重影响了系统的调试效率及精度，同时增加了设备的损耗。


技术实现要素：

5.为了解决低温光学系统通过探测器位置预置无法满足实时、高精度调焦的问题，本发明提出了一种低温光学系统的调焦装置，最终可实现光学系统在真空低温下的实时、高精度调焦。
6.本发明的具体技术方案是：
7.一种低温光学系统的调焦装置，用于对安装在真空低温箱体内的光学系统进行调焦，包括固定座组件、移动筒组件、平移台、驱动组件以及测量元件；
8.固定座组件安装在真空低温箱体外表面；
9.移动筒组件一部分穿过真空低温箱体后位于真空低温箱体内部，另一部分位于所述真空低温箱体外部；
10.移动筒组件位于真空低温箱体外部的部分与固定座组件通过平移台连接；
11.移动筒组件上安装探测器；
12.驱动组件用于驱动移动筒组件沿着探测器光轴的方向移动；
13.测量元件固定安装于固定座组件上，用于多次测量移动筒组件在驱动组件驱动下沿探测器光轴方向的位移量，之后结合探测器测试的离焦数据来获取准确的调焦数据，提供给驱动组件进行最终调焦。
14.进一步地，上述移动筒组件包括端板、筒体、支撑座体以及波纹管；
15.筒体的前端伸入所述真空低温箱体内，筒体的后端设置外螺纹与所述大齿圈的内螺纹配合；
16.端板固定安装筒体的前端，且端板中心开设有探测窗口；
17.支撑座体一端固定于所述端板上，且另一端延伸出筒体外部，其上安装探测器；
18.波纹管套设于筒体外部，波纹管一端与端板连接，另一端穿过真空低温箱体后与所述固定座组件连接。
19.进一步地，上述固定座组件包括连接法兰盘以及水平固定座；
20.连接法兰盘安装于真空低温箱体上；水平固定座一端与连接法兰盘固连，另一端通过平移台与所述支撑座体延伸出筒体外的部分连接。
21.进一步地，上述驱动组件包括相互啮合的大齿圈和小齿轮；大齿圈同轴设置于筒体外部，大齿圈的内螺纹与筒体后端的外螺纹配合；大齿圈和连接法兰盘之间设置有保持器，保持器上安装多个钢珠；
22.小齿轮旋转带动大齿圈转动，大齿圈的旋转运动转换为移动筒组件沿着探测器光轴方向的前后移动。
23.进一步地，上述调焦装置还包括安全盖板；安全盖板一端通过螺纹连接的方式旋入筒体内，另一端为折弯。
24.进一步地，上述驱动组件还包括驱动杆及中空的固定座；固定座安装于连接法兰盘上，驱动杆穿过固定座，其一端与连接法兰盘连接，另一端位于固定座外部作为驱动端；小齿轮安装在所述驱动杆上，其位于固定座内部。
25.进一步地，上述大齿圈的内螺纹和筒体后端的外螺纹均为小螺距细牙螺纹。
26.进一步地，上述驱动端连接有旋转手柄或者电机。
27.进一步地，上述水平固定座上设有多个减重孔。
28.进一步地，上述测量元件为伸缩式测量杆。
29.本发明的有益效果是：
30.1、本发明采用固定座组件、移动筒组件、平移台、驱动组件以及测量元件构成的调焦装置，测量元件多次测量移动筒组件在驱动组件驱动下沿探测器光轴方向的位移量，结合探测器实时测试的光学系统离焦数据来获取准确的调焦数据，并提供给驱动组件进行最终的精确调焦，相比现有探测器预置的方式，调焦精度更加准确，调焦效率提升，并且满足了实时调焦的需求。
31.2、本发明的驱动组件采用小齿轮和大齿圈的高减速比齿轮组、保持器和钢珠构成的滑动体、大齿圈和筒体采用小螺距的细牙螺纹配合，即便是在外部环境和真空低温箱体内环境之间具有大的压差的影响下，采用该驱动组件进行调焦时，各零件的移动或转动都很灵活，使得调节过程比较省力，同时也进一步的提升了调焦的精度。
32.3、本发明加入了安全盖板设计，预防大齿圈与筒体在连接失效时，对探测器造成
损伤的问题，提高了调焦过程的安全性。
33.4、本发明结构简单、紧凑，并且安装方便易实现，可作为低温光学系统实时调焦的通用组件。
附图说明
34.图1为调焦组件的结构示意图。
35.图2为固定座组件和活动座组件的装配图。
36.图3为驱动组件、固定座组件和活动座组件装配的局部示意图。
37.附图标记如下：
38.1-端板、2-筒体、3-支撑座体、4-波纹管、5-连接法兰盘、6-水平固定座、7-平移台、8-大齿圈、9-小齿轮、10-伸缩式测量杆、11-安装孔、12-探测窗口、13-探测器、14-减重孔、15-保持器、16-钢珠、17-安全盖板、18-驱动杆、19-固定座。
具体实施方式
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
40.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
41.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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。
42.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.本发明提供了一种低温光学系统的调焦装置，用于对安装在真空低温箱体内的光学系统进行调焦，该装置的基本实现原理为：
44.固定座组件安装在真空低温箱体外表面；移动筒组件一部分穿过真空低温箱体后位于真空低温箱体内部，另一部分位于所述真空低温箱体外部；移动筒组件位于真空低温箱体外部的部分与固定座组件通过平移台连接；移动筒组件上安装探测器；驱动组件用于驱动移动筒组件带动探测器沿着探测器光轴的方向移动；测量元件固定安装于固定座组件上，用于多次测量探测器在驱动组件驱动下沿自身光轴方向的位移量，同时结合探测器测试的光学系统离焦数据来获取准确的调焦数据，提供给驱动组件进行最终调焦。
45.如图1-3所示，该调焦装置的具体实施结构包括端板1、筒体2、支撑座体3、波纹管4、连接法兰盘5、水平固定座6、平移台7、大齿圈8、小齿轮9以及伸缩式测量杆10；
46.设有光学系统01的真空低温箱体02上设有一个安装孔11；
47.端板1、筒体2、支撑座体3、波纹管4组成移动座组件；筒体2的前端穿过所述安装孔11，筒体2的后端设置有外螺纹；端板1固定安装在筒体2的前端，且端板1中心开设有探测窗口12；支撑座体3一端固定于所述端板1上，且另一端延伸出筒体2外部，其上安装探测器13；
48.连接法兰盘5、水平固定座6组成固定座组件；连接法兰盘5与真空低温箱体02通过螺钉连接固定，并且与安装孔11保持同轴；水平固定座6一端与连接法兰盘5固连，另一端通过平移台7与所述支撑座体3延伸出筒体2外的部分连接；本实施例中水平固定座6上设有多个减重孔14；
49.波纹管4套设于筒体2外部，波纹管4一端与端板1连接，另一端穿过真空低温箱体02后与连接法兰盘5连接，由于受到大气压力，在波纹管4的作用下，设有探测窗口的端板1会受到一个指向真空低温箱体02内部的轴向力，此力可使得筒体2、连接法兰盘5等各个零件保持稳定的紧配合状态；
50.大齿圈8和小齿轮9构成驱动组件，本实施例采用的驱动组件结构简单易于操作，其目的是能够调整探测器与光学系统之间的位置，当然直接采用电缸驱动亦可，但是结构比较复杂；该驱动组件具体为：大齿圈8和小齿轮9相互啮合，大齿圈8同轴设置与筒体2外，大齿圈8的内螺纹与筒体2后端的外螺纹配合(图3中a处所示)，同时大齿圈8和连接法兰盘5之间安装保持器15，保持器15上安装多个钢珠16；通过外力驱动小齿轮9旋转带动大齿圈8转动，由于大齿圈8和筒体2之间为螺纹连接，并且大齿圈8仅仅只有旋转运动一个自由度，因此大齿圈8的旋转运动会驱使筒体2沿着探测器13光轴方向前后移动，在筒体2的带动下探测器13沿自身光轴方向移动；从何实现探测器13与光学系统01的相对位置的调整，此时，探测器13的位移量被安装在水平固定座6上的伸缩测量杆10所记录。
51.另外，该本实施例提供的调焦装置还具有以下优化设计：
52.1、如图1和图3所示，该装置还包括安全盖板17；安全盖板17一端通过螺纹连接的方式旋入筒体2内(图3中b处所示)，另一端为折弯171，该折弯171用于防止大齿圈8与筒体2在连接失效时，由于受大气压力作用，筒体2会带着探测器沿光轴方向向光学系统方向移动，探测器有可能与光学系统发生撞击，造成探测器及光学系统的损坏，但由于增设了安全盖板17，其上设置的折弯171会限制筒体2朝向光学系统一侧移动，确保了调焦过程的安全性。
53.2、如图2和图3所示，为了结构更加合理，驱动组件包括驱动杆18及中空的固定座19；固定座19安装于连接法兰盘5上，驱动杆18穿过固定座19，其一端与连接法兰盘5旋转连接，另一端位于固定座19外部作为驱动端；小齿轮9安装在所述驱动杆18上，其位于固定座19内部，并与大齿圈8保持啮合，驱动端可设置手柄或者电机从而驱动小齿轮旋转。
54.3、为了进一步地提高驱动组件的调节轻便性，大齿圈的内螺纹和筒体后端的外螺纹均为小螺距细牙螺纹。
55.该调焦组件的具体工作过程如下：
56.首先，通过理论分析计算获取光学系统在真空低温环境下由于结构变形及光学折射率变化所带来的离焦数据；
57.然后，通过多次使用驱动组件带动探测器沿自身光轴方向移动，获取探测器在光学系统最佳焦面位置前和后的多组数据，记录探测器位置数据，以及探测器在不同位置下
光学系统的传函数据；其中，探测器位置数据由伸缩式测量杆获得，传函数据由探测器所测数据计算所得；
58.之后，通过对多组探测器位置数据和光学系统的传函数据进行二次曲线拟合，从而获得最佳传函下的探测器位置数据，此位置即为最佳焦面位置；
59.最后，驱动组件驱动探测器移动到最佳焦面位置，完成光学系统的调焦。