一種紅外成像鏡頭結構設計及分析

費國標

（1、武昌理工學院，湖北 武漢430065 2、武漢三生精機科技有限公司，湖北 武漢430223）

紅外成像是通過透鏡組匯聚被探測的光信號到探測器上，再由探測器及其后道進行光信號到電信號的轉換[1]。紅外鏡頭的設計，需要根據探測器的像元和尺寸、具體運用的場合，還有性價比等因素來綜合考慮進行設計[2]。一個好的鏡頭設計，需要綜合考慮光機配合的效果，缺一不可[3]。

隨著國內紅外光學技術蓬勃發展，其對與之匹配的鏡頭機械結構的設計、裝調要求越來越高，可以說，機械設計非常重要[4]，但紅外光學精密鏡頭結構設計有它獨有的特點和規律，因此在設計時需綜合考慮其設計原則、公差匹配等，以滿足高品質成像要求[5]。本文通過分析紅外成像鏡頭結構設計特點，對其基本組件如鏡片安裝座、壓圈、螺紋要素等關鍵參數分別進行設計分析。同時總結各結構尺寸參數設計原則，為紅外成像鏡頭結構工程師提供切實可行的設計參考依據。

1 紅外光學鏡片的安裝座設計

紅外光學鏡片安裝座結構設計見圖1。

圖1 鏡片安裝方案設計

設計時一般遵循如下基本原則：（1）紅外鏡片安裝孔孔徑D比鏡片外徑d 大0.4mm，以便在0.4mm 間隙中間涂覆硅膠保護鏡片安全。（2）紅外鏡片安裝孔孔徑D 尺寸公差按H8 給出。公差H8 表明孔的重要性，裝配時利于調節光軸。（3）鏡片安裝孔軸向尺寸T1≥2/3 鏡片外徑寬T2。（4）鏡片第一面頂點與鏡筒端面A 一般要有2～3mm 距離，保護鏡片安全，這點對第一透鏡就顯得特別重要。（5）固定鏡片的結構件內徑必須小于光學設計透光孔徑，即不能擋光。（6）透光孔徑公差按H10 給出。（7）鏡片安裝孔同軸度和端面跳動公差按尺寸段按7 級查表給出。（8）固定鏡片的結構件內徑必須小于光學設計透光孔徑，即不能擋光。（9）鏡片安裝孔同軸度和端面跳動公差按尺寸段按7 級查表給出。（10）軸向光學鏡片結構件間隔尺寸H 公差一般取光學間隔公差的1/3～1/2，公差值大的取1/3, 公差值小的取1/2，總之，既要保證光學間隔公差，又要使設計的構件(包括工裝)能經濟地做出來。

2 紅外光學鏡片的壓圈設計

紅外光學鏡片外螺紋壓圈結構設計見圖2。

圖2 外螺紋壓圈尺寸參數

紅外光學鏡片外螺紋壓圈尺寸參數見表1。

表1 外螺紋壓圈尺寸參數（毫米）

設計時一般遵循如下基本原則：（1）圖2 中參數D2 值是由所壓鏡片的通光口徑確定的，同時公差以H10 給出。（2）設計的壓圈，能保證足夠的強度和剛度。（3）內圈加消光齒，避免雜光影響光學成像質量。消光齒紋節距P 有0.35、0.5、0.75 三種，如無特殊說明，取0.5。（4）倒角方便螺紋旋入。（5）外螺紋直徑與螺距系列的選擇原則:a.直徑與螺距按JB/T9313《光學儀器特種細牙螺紋》選取，優先選用第一系列直徑，其次選用第二系列直徑，最后再選用第三系列直徑；b.光學儀器結件用材多為鋁、鎂合金，在可選的規格內，盡量選取大的螺距值，而少用0.5 的螺距值，小螺距螺紋裝調容易卡死，裝配效率也較低。c.光學儀器結構設計受光學設計的制約，如壓圈受通光口徑的制約，又受重量、壁厚的限制即使選到第三系列直徑也不容易，根椐結構設計需要，盡量取整數就可以了。

3 紅外鏡頭螺紋要素的設計

3.1 螺紋公差帶選用

a.公差帶位置的選用：內螺紋取H，外螺紋取g。

b.旋合長度盡量取中等（N）旋合長度。

c.內螺紋公差等級的選取：內螺紋小徑D1、中徑D2 共有4、5、6、7、8 五個公差等級，4、5 為精密級，6 為中等級，7、8 為粗糙級。用于配壓圈的內螺紋取6 級即6H。

d.外螺紋公差等級的選取：外螺紋大徑d、共有4、6、8 三個公差等級，中徑d 2 共有3、4、5、6、7、8、9 七個等級，3、4、5 為精密級、6 為中等精度,7、8、9 為粗糙級。壓圈的外螺紋取6 級即6g。

3.2 螺紋的標注

a.螺紋特征代號按GB/T197-2003 用字母M表示。

b.按GB/T197-2003 規定，中等精度在螺紋標注時可以不標公差等級，但根據光學精密結構件的情況，還是標出為好。

4 紅外鏡頭結構件公差等級選用

4.1 尺寸公差等級選用

a.光學鏡片安裝孔的公差等級選8 級；b.一般精密度配合的徑向尺寸公差等級孔選7 級，軸選6 級，一般精度的軸向尺寸選7 級；c.高精密度配合的徑向尺寸公差等級孔選6 級,軸選5 級，軸向尺寸選6 級。選用高精密度配合要和工藝工程師評審。

4.2 形狀和位置公差等級選用

a.限定條件：被選用的位置公差值要小于尺寸公差值；被選用的形狀公差值要小于位置公差值。b.形狀和位置公差等級可在6、7、8、9 四個等級中選用，選用的公差值要滿足限定條件。在保證要素功能的前提下盡可能選用大的公差值以滿足加工工藝要求。

結束語

紅外成像鏡頭的結構設計需要考慮精確定位，以防止產生過大應力及變形，保證在各種環境及條件下光學系統的穩定性[6]。本文通過對紅外鏡頭結構設計特點進行分析，分析了鏡座、壓圈、螺紋特征、結構與鏡片匹配公差等諸多參數特點，為行業內一線設計師提供了切實可行的參數依據，有利保障了鏡頭光學成像質量，大大提高了鏡頭可靠性。