Оптическая система с температурной компенсацией фокусировки

Оптическая система с температурной компенсацией фокусировки

Реферат

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в устройствах приема и фокусировки оптического излучения в условиях больших изменений температуры окружающей среды.

Известна оптическая система (патент Японии № 271957, М. кл. G02B 7/10, опубл. 25.09.1995 г.) с подвижными линзами, содержащая приводы для перемещения линз, детекторы для определения положения линз, память для хранения данных о положениях линз и систему управления, которая на основе результатов детектирования положения линз, данных памяти и результатов измерения температуры сохраняет наилучшую фокусировку системы.

Недостатком этого устройства является то, что точность отработки алгоритма системы управления, т.е. выставление положения линз, обеспечивающих наилучшую фокусировку оптической системы, зависит от точности измерений положения линз и температуры, а также заложенных в алгоритм температурных зависимостей свойств системы. Эта точность может оказаться недостаточной для прецизионных систем, работающих в широком диапазоне изменений температуры окружающей среды. К тому же устройство сложно в реализации.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является оптическая система (патент США № 6631040, М. кл. G02В 7/02, опубл. 07.10.2003 г.), содержащая, по крайней мере одну линзу с оправой, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса оптической системы, и узел температурной компенсации, включающий компенсационный элемент, изготовленный из материала с существенно отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения и установленный параллельно оптической оси, который одним концом жестко закреплен на оправе, а другим концом упруго сопряжен с корпусом.

Вследствие изменения температуры окружающей среды из-за разности величин линейного расширения материалов корпуса и компенсационного элемента происходит перемещение линзы с оправой относительно корпуса. Материал компенсационного элемента выбирается таким образом, чтобы величина перемещения линзы компенсировала влияние температуры окружающей среды на величину фокусного расстояния оптической системы. Этим достигается независимость качества фокусировки оптического излучения от температуры окружающей среды.

Однако указанное устройство имеет существенный недостаток. Оно применимо только для тех случаев, когда перемещение линзы с оправой, необходимое для компенсации изменения фокусного расстояния оптической системы вследствие линейного расширения материалов корпуса и других составляющих оптической системы, а также изменений радиусов кривизны и показателя преломления линзы в оправе при изменении температуры окружающей среды, имеет незначительные величины. В случаях более сильной расфокусировки оптической системы при изменении температуры, когда необходимы большие значения перемещения линзы с оправой для компенсации расфокусировки, не удается подобрать соответствующий материал для изготовления компенсационного элемента.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение значения возможного перемещения линзы с оправой с целью обеспечения температурной компенсации при более сильной расфокусировке оптической системы.

Поставленная задача решается тем, что в оптической системе с температурной компенсацией фокусировки, содержащей по крайней мере одну линзу с оправой, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса, и упруго закрепленный между оправой и корпусом узел температурной компенсации, содержащий компенсационный элемент, изготовленный из материала с отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения и установленный параллельно оптической оси, узел температурной компенсации выполнен в виде шарнирного механизма, содержащего коромысло, упругий элемент и прижим, при этом компенсационный элемент жестко соединен одним концом с корпусом, а другим концом шарнирно соединен с первым плечом коромысла, которое установлено с возможностью качения относительно первого кулачка, выполненного на корпусе, второе плечо коромысла состыковано с помощью прижима со вторым кулачком, выполненным на оправе и расположенным диаметрально противоположно первому, и соединено через упругий элемент с корпусом.

А также тем, что положение кулачков определяется из соотношения

ΔX=(ΔL₁-ΔL₂)·у₂/у₁,

где ΔХ - величина перемещения оправы относительно корпуса при изменении температуры;

ΔL₁ и ΔL₂ - соответственно величины изменения длины компенсационного элемента и части корпуса от точки крепления к нему компенсационного элемента до вершины первого кулачка при изменении температуры;

у₁ и у₂ - соответственно проекции минимальных отрезков, соединяющих ось шарнирного соединения с вершинами первого и второго кулачков на плоскость, ортогональную оптической оси.

А также тем, что компенсационный элемент изготовлен из материала с меньшим коэффициентом линейного расширения, чем у материала корпуса.

А также тем, что компенсационный элемент изготовлен из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала корпуса.

На чертеже представлена оптическая система с температурной компенсацией фокусировки, где линза 1 в оправе 2 установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси 0-0¹ относительно корпуса 3. Параллельно оптической оси 0-0¹ вдоль корпуса 3 установлен компенсационный элемент 4, который одним концом жестко соединен с корпусом 3, а вторым концом шарнирно соединен с первым плечом коромысла 5, которое установлено с возможностью качения относительно кулачка 6, выполненного на корпусе 3. Второе плечо коромысла с помощью прижима 7 состыковано с кулачком 8, выполненным на оправе 2 и расположенным диаметрально противоположно кулачку 6. Упругий элемент 9 соединяет корпус 3 с вторым плечом коромысла 5. Положение кулачков 6 и 8 определяется из соотношения

ΔX=(ΔL₁-ΔL₂)·у₂/у₁,

где ΔX - величина перемещения оправы 2 относительно корпуса 3 при изменении температуры;

ΔL₁ и ΔL₂ - соответственно величины изменения длины компенсационного элемента 4 и части корпуса 3 от точки крепления к нему компенсационного элемента 4 до вершины первого кулачка 6 при изменении температуры;

у₁ и у₂ - соответственно проекции минимальных отрезков, соединяющих ось шарнирного соединения с вершинами первого 6 и второго 8 кулачков на плоскость, ортогональную оптической оси.

Компенсационный элемент 4 может быть изготовлен из материала с меньшим коэффициентом линейного расширения, чем у материала корпуса 3, или из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала корпуса 3.

Устройство работает следующим образом.

При изменении температуры окружающего воздуха изменяются линейные размеры, радиусы кривизны оптических поверхностей и показатель преломления материала линзы 1. При этом также происходит изменение длины корпуса 3 вдоль оптической оси 0-0¹. В связи с этим изменяется воздушный промежуток между линзой 1 и фокальной плоскостью F, на которую фокусируется оптическое излучение, а при наличии в оптической системе кроме линзы 1 еще нескольких линз (на чертеже не показаны), изменяются также воздушные промежутки между линзами. Вследствие перечисленных причин происходит расфокусировка системы.

При изменении температуры также изменяется длина компенсационного элемента 4 и под действием молекулярных сил, вследствие разности коэффициентов линейного расширения материалов корпуса 3 и компенсационного элемента 4 происходит изменение взаимного положения кулачка 6 и первого плеча коромысла 5 таким образом, что точка их соприкосновения перемещается параллельно оптической оси на расстояние

ΔX₁=(ΔL₁-ΔL₂),

где ΔL₁ и ΔL₂ - соответственно величины изменения длины компенсационного элемента 4 и части корпуса 3 от точки крепления к нему компенсационного элемента 3 до вершины кулачка 6 при изменении температуры.

При увеличении температуры коромысло 5 поворачивается относительно оси шарнирного соединения или по часовой стрелке (если коэффициент линейного расширения материала компенсационного элемента 4 меньше аналогичного коэффициента материала корпуса 3), или против часовой стрелки (если коэффициент линейного расширения материала компенсационного элемента 4 больше аналогичного коэффициента материала корпуса 3). Угловое отклонение коромысла 5 тем больше, чем больше разница коэффициентов линейного расширения материалов корпуса 3 и компенсационного элемента 4.

При повороте коромысла 5 оно перемещает линзу 1 с оправой 2 вдоль оптической оси 0-0¹. Упругий прижим 7 и упругий элемент 9 (выполненный, например, в виде пружины) обеспечивают постоянный упругий контакт между кулачком 8 на оправе 2 и вторым плечом коромысла 5.

Таким образом значение перемещения ΔХ линзы 1 в оправе 2 относительно корпуса 3 так же, как в прототипе, зависит от разности изменения длин компенсационного элемента 4 и соответствующей части корпуса 3. Но в заявляемой оптической системе оно зависит и от того, насколько кулачок 8 по сравнению с кулачком 6 установлен дальше от оси шарнирного соединения.

Для варианта исполнения оптической системы, представленной на чертеже, в котором вершины кулачков 6 и 8 и ось шарнирного соединения находятся в одной ортогональной оптической оси плоскости, справедливо выражение

ΔX=(ΔL₁-ΔL₂)·у₂/у₁=·ΔХ₁·у₂/у₁,

где у₁ и у₂ - соответственно проекции минимальных отрезков, соединяющих ось шарнирного соединения с вершинами кулачка 6 и кулачка 8 на плоскость, ортогональную оптической оси.

Выбирая положение кулачков 6 и 8, можно значительно расширить возможность перемещения линзы 1 в оправе 2 относительно корпуса 3. При этом увеличение диапазона перемещения линзы 1 равно отношению у₂/у₁.

Например, для оптической системы, работающей в ИК-области спектра, при изменении температуры в диапазоне от T_min=-50°С до Т_max=50°С необходима подвижка последней линзы с оправой на величину 1,69 мм (определяется расчетным путем в каждом конкретном случае). Допустим, что в оптической системе-прототипе и в заявляемой оптической системе корпус и компенсационный элемент соответственно выполнены из алюминиевого сплава Д16 и инвара с коэффициентами линейного расширения α₁=22,3·10^-6 и α₂=0,9·10^-6 (град^-1), а длина компенсационного элемента 4 равна L=100 мм. В этом случае в оптической системе-прототипе при изменении температуры в указанных пределах значение перемещения линзы 1 в оправе 2 не превышает ΔX₁=(α₁-α₂)·(Т_max-T_min)·L=(22,3·10^-6-0,9·10^-6)·100·100 мм=0,214 мм, что значительно меньше необходимого и не обеспечивает компенсацию температурной расфокусировки.

В заявляемой же оптической системе при расположении кулачка 6 на корпусе 3 и кулачка 8 на оправе 2 с соблюдением условия у₂/у₁=1,69/0,214≅7,90 (например, у₁=5,0 мм и у₂=39,5 мм) достигается перемещение линзы 1 в оправе 2 параллельно оптической оси 0-0¹ относительно корпуса 3 до значения ΔХ=ΔХ₁·у₂/у₁=0,214·7,9=1,69 мм, что обеспечивает компенсацию расфокусировки оптической системы при изменении температуры в диапазоне от -50 до +50°С.

1. Оптическая система с температурной компенсацией фокусировки, содержащая по крайней мере одну линзу с оправой, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса, и упруго закрепленный между оправой и корпусом узел температурной компенсации, содержащий компенсационный элемент, изготовленный из материала с отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения и установленный параллельно оптической оси, отличающаяся тем, что узел температурной компенсации выполнен в виде шарнирного механизма, содержащего коромысло, упругий элемент и прижим, при этом компенсационный элемент жестко соединен одним концом с корпусом, а другим концом шарнирно соединен с первым плечом коромысла, которое установлено с возможностью качения относительно первого кулачка, выполненного на корпусе, второе плечо коромысла состыковано с помощью прижима со вторым кулачком, выполненным на оправе и расположенным диаметрально противоположно первому, и соединено через упругий элемент с корпусом.

2. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что положение кулачков определяется из соотношения

ΔX=(ΔL₁-ΔL₂)·у₂/у₁,

где ΔХ - величина перемещения оправы относительно корпуса при изменении температуры;

ΔL₁ и ΔL₂ - соответственно величины изменения длины компенсационного элемента и части корпуса от точки крепления к нему компенсационного элемента до вершины первого кулачка при изменении температуры;

у₁ и у₂ - соответственно проекции минимальных отрезков, соединяющих ось шарнирного соединения с вершинами первого и второго кулачков на плоскость, ортогональную оптической оси.

3. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что компенсационный элемент изготовлен из материала с меньшим коэффициентом линейного расширения, чем у материала корпуса.

4. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что компенсационный элемент изготовлен из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала корпуса.