ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ОБЪЕКТИВА
THERMOMECHANICAL DRIVE FOR MOVING THE OPTICAL COMPONENTS OF THE LENS

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в тепловизорах в качестве механического привода автоматической фокусировки изображения, построенного его объективом, в рабочем диапазоне температур от минус 40°C до плюс 50°C.
Уровень техники
Объективы для ИК-области спектра изготавливают в основном из монокристаллического германия или кремния, а также других материалов, прозрачных в указанных областях спектра. Эти материалы, особенно германий, характеризуются значительным изменением показателя преломления от температуры, что вызывает дефокусировку изображения объектива - смещение плоскости изображения относительно плоскости фотоприемника вдоль оптической оси. Это приводит к существенному снижению качества изображения, особенно в температурном диапазоне от минус 40°C до плюс 50°C.
В существующих конструкциях объективов для уменьшения температурной дефокусировки изображения используются дорогостоящие материалы оправ, такие, например, как инвар и титан.
Наиболее близким по технической сущности решением задачи сохранения качества изображения в широком температурном диапазоне является подвижка всего объектива или его отдельных оптических компонентов с помощью электропривода, которая компенсирует температурный сдвиг плоскости изображения.
Недостатком конструкции объективов с подвижным оптическим компонентом (см. патенты РФ №2365952 и США №4479695) является осуществление подвижки компонента объектива электроприводом с батареями для его электропитания, электродвигателями, редукторами, датчиками температуры, что приводит к увеличению: массы и габаритов изделия, энергопотребления и снижению эксплуатационной оперативности.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание привода для компенсации дефокусировки изображения объектива тепловизора, работающего в широком интервале температур, основанного на эффекте линейного изменения геометрии твердых тел при изменении температуры.
Технический результат: обеспечение термокомпенсации дефокусировки изображения объектива тепловизора, работающего в температурном интервале от минус 40°C до плюс 50°C, в пределах ошибки измерения дефокусировки изображения объектива. При этом не требуется дополнительной электроэнергии, двигателей, редукторов, датчиков температуры и других компонентов электропривода.
Поставленная задача решена созданием термомеханического привода (далее - термопривода), основными деталями которого являются пластины одинаковой геометрии, состоящие из двух материалов с разными коэффициентами линейного расширения, при условии совместимости технологии их соединения. Например, это может быть ковар и нержавеющая сталь, которые хорошо свариваются между собой любым способом сварки. Ширина и толщина пластин определяются из прочностного расчета и конструкторских решений, а длина пластин - из терморасчета.
Описание конструкции термопривода
Пластины из разных материалов, попарно свариваются между собой, как показано на фигуре 1, где:
1 - пластина из материала с малым коэффициентом температурного расширения, например ковара;
2 - пластина из материала с большим коэффициентом температурного расширения, например нержавеющей стали,
3 - место сварки,
L - длина пластины.
Для пластин, закрепленных таким образом, как показано на фигуре 1, справедлива формула:
где ΔL(T) - суммарное перемещение конца второй пластины относительно неподвижного конца первой пластины при изменении температуры,
L - длина пластин,
ΔT - интервал изменения температуры,
α
α
1
2
и  - коэффициенты линейного расширения материалов пластин.
n
Далее пары пластин складываются в стопку из  пар пластин и также свариваются между собой таким образом, чтобы получилась стопка чередующихся пластин с меньшим и большим коэффициентами расширения, при этом крайними будут пластина с меньшим и пластина с большим коэффициентами расширения, как показано на фигуре 2.
Для конструкции, показанной на фигуре 2, справедлива формула:
n
где  - количество пар пластин.
Далее конструкция термопривода поясняется фигурами 3 и 4.
n
n
L
0
К первой пластине (например, из ковара) стопки  пар пластин, как показано на фигуре 3, приваривается планка 4 (например, из нержавеющей стали). К последней пластине стопки  пар пластин (например, из нержавеющей стали) приваривается планка 5 также из нержавеющей стали.  - рабочая длина первой и последней пластины.
n
Как показано на фигуре 4, планка 4 используется для закрепления стопки 6 из  пар пластин к неподвижной оправе 7, винтами 8. Оправа 7 в свою очередь крепится к неподвижной части объектива.
n
Планка 5 используется для закрепления стопки 6 из  пар пластин винтами 9 к подвижной оправе 10 (фигура 4), которая в свою очередь крепится к подвижному компоненту объектива.
Для обеспечения параллельности перемещения подвижной оправы 10 относительно неподвижной оправы 7 применена направляющая 11 в виде стержня цилиндрической или другой формы, которая жестко крепится к неподвижной оправе 7 с помощью двух опор 12, винтами 13 и стопорными винтами 14. Две опоры 15 крепятся к подвижной оправе 10 с помощью винтов 16 и содержат сквозные отверстия 17, расположенные на одной оси, параллельной оптической оси объектива, в которых свободно перемещается направляющая 11. Форма отверстий 17 совпадает с формой сечения направляющей 11. Параллельность неподвижной 7 и подвижной 10 оправ обеспечивается настройкой опор 12 и 15 в зазорах их крепящих винтов. Для крепления термопривода к неподвижной части объектива неподвижная оправа 7 содержит, например, монтажные отверстия 18. Для крепления термопривода к подвижной части объектива подвижная оправа 10 содержит, например, паз 19.
Для полученной таким образом конструкции термопривода справедлива формула:
L
0
где  - рабочая длина первой и последней пластин термопривода.
L(T)
f
L
Если приравнять величину суммарного перемещения планки 5 от температуры Δ к величине дефокусировки Δ изображения объектива тепловизора, работающего в широком интервале температур, то можно определить длины  всех пластин термопривода по формуле:
f
Для образца термопривода, изготовленного по вышеизложенному описанию из пластин ковара (сталь 29НК) и нержавеющей стали (сталь 12Х18Н10Т), при величине дефокусировки Δ=0.98 мм, измеренной по факту для объектива заданной конструкции:
L
=80.1 мм,
при этом:
L
0
=58 мм;
T
Δ=90°C;
n
=12 (пар пластин);
α
K
1
-6
-1
=5×10 (сталь 29НК);
α
K
2
-6
-1
=16,6×10 (сталь 12Х18Н10Т).
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет с помощью термопривода, работающего на эффекте линейного изменения геометрии твердых тел от температуры, обеспечить термокомпенсацию дефокусировки изображения объектива тепловизора, работающего в температурном интервале от минус 40°C до плюс 50°C в пределах ошибки измерения дефокусировки изображения объектива. При этом не требуется дополнительной электроэнергии, двигателей, редукторов, датчиков температуры и других компонентов электропривода.
Устройство работает следующим образом.
Термопривод 20 (фигура 5) монтируют на объективе 21 таким образом, что его неподвижная оправа 7, например, с помощью винтов и монтажных отверстий 18, крепится к неподвижной части объектива 21, например к посадочному месту 22 на корпусе объектива 21. Подвижная оправа 10, например, с помощью паза 19 крепится к подвижному компоненту объектива 23 либо к фотоприемнику 24, содержащему соответствующий штифт 25, вставляемый в паз 19. Термопривод крепят таким образом, чтобы обеспечить прямолинейное движение подвижного компонента объектива параллельно его оптической оси при изменении температуры. Длину пластин рассчитывают по формуле (4), а ширину и толщину - из прочностных расчетов, обеспечивающих надежность конструкции.
Начальную настройку объектива проводят в нормальных климатических условиях (НКУ) таким образом, чтобы изображение, формируемое объективом 21, совпадало с плоскостью фотоприемника 24, то есть получалось максимально четкое изображение. Далее, при изменении температуры окружающей среды и, следовательно, объектива происходит изменение положения плоскости формируемого изображения 26 из-за изменения оптических параметров линз объектива с температурой. В итоге, плоскость изображения 26 смещается вдоль оптической оси объектива относительно плоскости фотоприемника 24, как показано на фигуре 5. В то же время происходит изменение геометрических размеров пластин, составляющих термопривод 20: подвижная оправа 10 перемещает с помощью штифта 25 подвижную часть 23 объектива 21 в положение 27, возвращая плоскость изображения 26 в плоскость фотоприемника 24. При этом направляющая 11, жестко закрепленная стопорными винтами 14 в неподвижной оправе 7, за счет перемещения в отверстиях опор 15 обеспечивает прямолинейное перемещение подвижной оправы 10 параллельно оптической оси объектива 21.
Таким образом, формируемое изображение при любой температуре совпадает с плоскостью фотоприемника, в итоге достигается эффект термокомпенсации объектива.