一种红外成像镜头结构设计及分析

费国标

（1、武昌理工学院，湖北 武汉430065 2、武汉三生精机科技有限公司，湖北 武汉430223）

红外成像是通过透镜组汇聚被探测的光信号到探测器上，再由探测器及其后道进行光信号到电信号的转换[1]。红外镜头的设计，需要根据探测器的像元和尺寸、具体运用的场合，还有性价比等因素来综合考虑进行设计[2]。一个好的镜头设计，需要综合考虑光机配合的效果，缺一不可[3]。

随着国内红外光学技术蓬勃发展，其对与之匹配的镜头机械结构的设计、装调要求越来越高，可以说，机械设计非常重要[4]，但红外光学精密镜头结构设计有它独有的特点和规律，因此在设计时需综合考虑其设计原则、公差匹配等，以满足高品质成像要求[5]。本文通过分析红外成像镜头结构设计特点，对其基本组件如镜片安装座、压圈、螺纹要素等关键参数分别进行设计分析。同时总结各结构尺寸参数设计原则，为红外成像镜头结构工程师提供切实可行的设计参考依据。

1 红外光学镜片的安装座设计

红外光学镜片安装座结构设计见图1。

图1 镜片安装方案设计

设计时一般遵循如下基本原则：（1）红外镜片安装孔孔径D比镜片外径d 大0.4mm，以便在0.4mm 间隙中间涂覆硅胶保护镜片安全。（2）红外镜片安装孔孔径D 尺寸公差按H8 给出。公差H8 表明孔的重要性，装配时利于调节光轴。（3）镜片安装孔轴向尺寸T1≥2/3 镜片外径宽T2。（4）镜片第一面顶点与镜筒端面A 一般要有2～3mm 距离，保护镜片安全，这点对第一透镜就显得特别重要。（5）固定镜片的结构件内径必须小于光学设计透光孔径，即不能挡光。（6）透光孔径公差按H10 给出。（7）镜片安装孔同轴度和端面跳动公差按尺寸段按7 级查表给出。（8）固定镜片的结构件内径必须小于光学设计透光孔径，即不能挡光。（9）镜片安装孔同轴度和端面跳动公差按尺寸段按7 级查表给出。（10）轴向光学镜片结构件间隔尺寸H 公差一般取光学间隔公差的1/3～1/2，公差值大的取1/3, 公差值小的取1/2，总之，既要保证光学间隔公差，又要使设计的构件(包括工装)能经济地做出来。

2 红外光学镜片的压圈设计

红外光学镜片外螺纹压圈结构设计见图2。

图2 外螺纹压圈尺寸参数

红外光学镜片外螺纹压圈尺寸参数见表1。

表1 外螺纹压圈尺寸参数（毫米）

设计时一般遵循如下基本原则：（1）图2 中参数D2 值是由所压镜片的通光口径确定的，同时公差以H10 给出。（2）设计的压圈，能保证足够的强度和刚度。（3）内圈加消光齿，避免杂光影响光学成像质量。消光齿纹节距P 有0.35、0.5、0.75 三种，如无特殊说明，取0.5。（4）倒角方便螺纹旋入。（5）外螺纹直径与螺距系列的选择原则:a.直径与螺距按JB/T9313《光学仪器特种细牙螺纹》选取，优先选用第一系列直径，其次选用第二系列直径，最后再选用第三系列直径；b.光学仪器结件用材多为铝、镁合金，在可选的规格内，尽量选取大的螺距值，而少用0.5 的螺距值，小螺距螺纹装调容易卡死，装配效率也较低。c.光学仪器结构设计受光学设计的制约，如压圈受通光口径的制约，又受重量、壁厚的限制即使选到第三系列直径也不容易，根椐结构设计需要，尽量取整数就可以了。

3 红外镜头螺纹要素的设计

3.1 螺纹公差带选用

a.公差带位置的选用：内螺纹取H，外螺纹取g。

b.旋合长度尽量取中等（N）旋合长度。

c.内螺纹公差等级的选取：内螺纹小径D1、中径D2 共有4、5、6、7、8 五个公差等级，4、5 为精密级，6 为中等级，7、8 为粗糙级。用于配压圈的内螺纹取6 级即6H。

d.外螺纹公差等级的选取：外螺纹大径d、共有4、6、8 三个公差等级，中径d 2 共有3、4、5、6、7、8、9 七个等级，3、4、5 为精密级、6 为中等精度,7、8、9 为粗糙级。压圈的外螺纹取6 级即6g。

3.2 螺纹的标注

a.螺纹特征代号按GB/T197-2003 用字母M表示。

b.按GB/T197-2003 规定，中等精度在螺纹标注时可以不标公差等级，但根据光学精密结构件的情况，还是标出为好。

4 红外镜头结构件公差等级选用

4.1 尺寸公差等级选用

a.光学镜片安装孔的公差等级选8 级；b.一般精密度配合的径向尺寸公差等级孔选7 级，轴选6 级，一般精度的轴向尺寸选7 级；c.高精密度配合的径向尺寸公差等级孔选6 级,轴选5 级，轴向尺寸选6 级。选用高精密度配合要和工艺工程师评审。

4.2 形状和位置公差等级选用

a.限定条件：被选用的位置公差值要小于尺寸公差值；被选用的形状公差值要小于位置公差值。b.形状和位置公差等级可在6、7、8、9 四个等级中选用，选用的公差值要满足限定条件。在保证要素功能的前提下尽可能选用大的公差值以满足加工工艺要求。

结束语

红外成像镜头的结构设计需要考虑精确定位，以防止产生过大应力及变形，保证在各种环境及条件下光学系统的稳定性[6]。本文通过对红外镜头结构设计特点进行分析，分析了镜座、压圈、螺纹特征、结构与镜片匹配公差等诸多参数特点，为行业内一线设计师提供了切实可行的参数依据，有利保障了镜头光学成像质量，大大提高了镜头可靠性。