CN101297225A - 光学对准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对准系统(100)，其包括具有接收第一光学元件(14)的基部(10)、具有接收偏心组件(22)的通孔(20)的第一偏心组件(18)，偏心组件(22)包括第二偏心元件(26)，第二偏心元件(26)具有接收第二光学元件(30)的特征，并经由第二安装装置(32)安装到第二光学元件(30)，其中，所述第一偏心元件(18)经由第一安装装置(24)与所述基部(10)配合，通过旋转调节偏心元件(18，26)中至少一者来实现第一光学元件(14)的光学轴线和第二光学元件(30)的光学轴线之间的轴向对准。本发明还提供制造和使用本对准系统(100)的方法。

Description

光学对准系统和方法

技术领域

本发明意在用作一种用于将一组部件对准并将其保持在对准状态下的机构。具体地，本发明意在提供一种用于将至少两个光学部件的轴线对准(诸如在光学纤维和激光二极管、两个光学纤维等之间的稳定对准)的方法。

背景技术

通常将光学纤维与激光二极管对准的方法涉及具有尺寸加大的孔的单个基部单元，该孔在一侧接收激光二极管，在另一侧接收纤维光学套圈。经常使用诸如夹持、胶合、焊接等的方法将纤维套圈附着到基部。通过在尺寸加大的孔中四处移动激光二极管，通常伴随XY扫描运动，直到已经满足适合的对准条件，来实现对准。然后使用诸如胶合、焊接、激光焊接等技术将激光二极管附着在适合的位置中。

在其它的改动中，通过首先将激光二极管附着在适合的位置中，改变纤维的位置，直到获得适合的对准来实现对准。可以使用各种套管来辅助支撑纤维，并提供增大的表面积以辅助接合/附着步骤。在一些应用中，使用微定位设备将裸纤维与裸激光二极管管心(diode die)对准，然后用激光使焊料滴熔化，然后使其冷却和硬化，以试图在精确的对准状态下捕获纤维。

大多数传统的技术是永久性的，意思是将其拆卸的努力可以会对一些部件造成永久性的损害。它们还可能要求昂贵的高精度定位设备和工具以进行对准。最后，尽管许多传统的技术可以产生良好对准的组件，它们经常由于焊接或者接合部件的有限的物理重叠而强度有限。普遍使用粘合剂将部件一起接合在对准的组件中。然而，在固化过程中，排气现象会损害部件，并且固化时许多粘合剂收缩，对高精度对准造成潜在的毁坏。粘合剂还具有许多潜在的耐久性问题。湿度和温度的影响会造成隆起、强度的蠕变或者损失，造成接合失效或者对准失败。使用焊接作为接合方法避免了粘合剂的一些问题，但是会造成危险地加热部件，要求复杂和有时冗长的程序以避免造成损害。焊接与诸如单模纤维对准的很高精度的应用不很兼容，因为焊接处理的加热会引起物理偏差足以毁坏精确的对准。在接合中使用的焊接技术避免了粘合剂的一些问题，但是也有熔化的焊料冷却和固化所需的时间比较长的缺陷。在焊料冷却处理过程中高精度对准会漂移或者偏移。

发明内容

本发明克服以上所述的传统的对准技术的缺点。本发明具有与诸如螺钉的物理夹持技术组装以允许稳定组件但是还能为了重装。测试或者升级而拆卸的独特能力。它一般不要求昂贵的高精度的定位设备和工具来进行对准过程。本发明不要求焊接或者接合的部件的有限的物理重叠和其相关的问题。相反，本发明提供机械夹持选择以及提供足以远离关键对准结构以允许焊接的有用的接合位置以被用来在无需毁坏部件对准的情况下制成永久的组件。机械的刚性和部件中大量的物理重叠允许焊料在没有机械漂移的情况下冷却并形成坚固的物理组件。

本发明是对准系统，其包括：基部，具有接收第一光学元件的特征；以及第一偏心元件，其具有接收偏心组件的通孔，所述偏心组件包括第二偏心元件，所述第二偏心元件包括第二光学元件并经由第二安装装置安装到所述第二光学元件；其中，所述第一偏心元件经由第一安装装置与所述基部配合，并且通过相对于所述基部旋转调节所述偏心元件中至少一者来实现所述第一光学元件的光学轴线和所述第二光学元件的光学轴线之间的轴向对准。

本发明还是一种对准系统，其包括：基部，其具有接收第一光学元件的第一通孔；第一偏心元件，其具有接收偏心组件的第二通孔，偏心组件包括具有第三通孔的第二偏心元件，所述第三通孔接收第二光学元件，第二偏心元件经由第二安装装置安装到第二光学元件，其中，第一偏心元件经由第一安装装置与基部配合，并且通过相对于基部旋转地调节偏心元件中至少一者来实现第一光学元件的光学轴线和第二光学元件的光学轴线之间的轴向对准。

一旦系统的部件对准，则系统100提供将所有部件刚性地锁定在它们对准位置处能力，从而形成长期稳定和刚性的组件。当涉及激光二极管对纤维光学元件对准时，组件的类型通常在商业上称为带尾组件。此锁定能力通过将第一安装装置向下紧固或者夹持到基部来提供。夹持动作还使第一偏心元件中的特征可靠地与第二偏心元件中的特征配合，以允许所有部件紧固在适合的位置处。

本发明的目的是以亚微米的精度将各组物体对准。然而，本发明可以不要求亚微米金属来对准各组物体。

本发明的另一目的是提供即使当伴随有物理冲击和粗暴处理时部件之间的物理牢固的对准。

本发明的另一目的是提供一种可以在大范围的环境条件下，尤其是在温度范围下得到维持的稳定的对准。

本发明的另一目的是减小对准所需的时间。

本发明的另一目的是使用降档和容易获得的工具(例如，裸手指、扳手等)允许操作者调节对准。

本发明的另一目的是允许简单的自动设备以完成对准过程。

本发明的实施例的其它特征和优点将从以下更详细的描述中，并结合附图而变得明显，附图以示例的方式示出了本发明可行的实施例的至少一者的原理。

附图说明

附图图示了本发明的最佳实施例的至少一者。在此附图中：

图1是根据本发明的原理的光学对准系统的示例性实施例的分解视图；

图2是图1所示的光学对准系统的横截面视图；

图3是图1所示的光学对准系统的另一横截面视图；

图4是图1中所示的基部的横截面视图；

图5是图1中所示的第一偏心元件的横截面视图；

图6是图1中所示的偏心组件的横截面视图；

图7是图1中所示的第二偏心元件的横截面视图；

图8是根据本发明原理具有一个自由度的概念性系统的轴测图；

图9是图8中所示的概念性系统的顶视图；

图10是根据本发明的原理具有两个自由度的另一概念性系统的轴测图；

图11-13是图10中所示的概念性系统的顶视图；以及

图14是根据本发明原理的光学对准系统的另一示例性实施例的横截面视图。

具体实施方式

以上所述的附图以至少一个优选的最佳实施例图示了本发明，该实施例进一步在以下描述中被详细地限定。本技术领域的一般技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行替换和修改。因而，必须理解到，图示的实施例仅仅出于示例的目的来阐述的，它们不应该被认为是将本发明限制为在下文中所限定的。

对准系统

参照图1-7，本发明提供一种对准系统100，其包括以下部件：具有接收第一光学元件14的特征(例如，如图1-7所示的第一通孔12)的基部10；具有接收偏心组件22的第二通孔20的第一偏心元件18，第一偏心元件18经由第一安装装置24与基部10配合。偏心组件22包括第二偏心元件26，第二偏心元件26具有接收第二光学元件30的特征(例如，如图1-7所示的第三通孔28)的特征，并经由第二安装装置32安装到第二光学元件30。通过相对于基部10可旋转地调节偏心元件(18，26)中至少一者来实现第一光学元件14的光学轴线和第二光学元件30的光学轴线之间的轴向对准。一旦实现对准，使用第一安装装置24固定调节位置。以下是对系统10的部件的更详细的描述。

第一光学元件：第一光学元件14可以是任何适合的现有技术所公开的光学元件，诸如激光二极管、光学纤维、透镜、镜子、光学传感器芯片、全息光学元件等。激光二极管示出为图1-3中的第一光学元件14。

基部：基部10用作用于系统100的部件的整个组件的刚性平台。通常，它可以具有允许其附着到其它结构部件的特征。这些特征可以包括但不限于用于夹持的凸缘、允许螺栓通过的通孔或者接收螺栓的螺纹孔。参照图2-4，基部10在接收第一光学元件14的一侧上具有适合的现有技术所公开的特征(例如，诸如在图2-4中所示的第一通孔12、凹部、空洞等)。该特征(例如，通孔12)允许来自第一光学元件14的光与系统100内的其它部件交换。

第一光学元件14应该通过包括但不限于夹持、螺栓接合、焊接或者胶合的技术附着进入基部10中。在基部10中可以有辅助安装第一光学元件14的特征，诸如但不限于用于注入胶合剂的孔、辅助与胶合剂接合的粗糙表面或者用于夹持螺栓的抽头孔。再参照图2-4，在基部10的远离第一光学元件14的另一侧上，优选地设置凸起的轴环16。凸起的轴环16的外径是与第一偏心元件18配合的特征。优选地，各种特征的公差应该充分紧，以确保第一光学元件14的光学轴线将安装在凸起的轴环16的外表面的轴线的0.100mm内。通过调节第一偏心元件18和第二偏心元件26的偏心量可以设计较松的公差。

优选地，基部10还具有与第一安装装置24配合并用来将第一偏心元件18牢固地夹持或者安装到基部10的特征。优选地，基部10具有凸起外唇缘11，使得安装装置24在基部10的外边缘上与基部10配合，在第一偏心元件18的内边缘与第一偏心元件18配合，且之间没有未被支撑的区域。基部10优选地具有使用包括但不限于夹持、螺栓连接、软焊、焊接或者胶合允许使安装装置24刚性地向下附着的特征。优选地，抽头孔(即，通孔)设置成可以使用穿过安装装置24的螺栓以在安装装置24上施加夹持压力，由此向下夹持第一偏心元件18。

应该注意，特定的第一光学元件14可以要求温度控制。因而，基部10可以优选地具有诸如安装温度传感器的孔的特征。此外，还可以优选地为允许有效地连接到冷却或者加热机构(诸如热电冷却器)的诸如大的平坦的刻面的安装特征。如果期望温度控制，则用导热性高的温度稳定材料构建基部10可以是优选的。

第一安装装置：安装装置24与基部10和第一偏心元件18两者配合。在图1-3所示的优选实施例中，具有两个通孔34的夹持垫片形成安装装置24的一部分。通孔34设置成允许夹持螺栓(未示出)穿过夹持垫片进入基部10中。当拧紧螺栓时，向下的压力用来将第一偏心元件18牢固地坚持在适合的位置中。为了辅助产生此夹持压力，优选地，设置夹持垫片的外边缘和内边缘之间的未被支撑区域。优选地，夹持垫片的略杯状凹陷将形成轻微的弹簧以沿着其内外边缘提供附加的夹持压力和更好的配合。此弹簧效果还在对准处理过程拉中有帮助。夹持螺栓可以略被拉紧，提供足够的夹持力以阻止第一偏心元件18自由旋转，同时如果使用足够的旋转力还允许旋转。尽管许多不同类型的材料可以用来形成安装装置24，优选地用抗腐蚀弹簧钢合金来构造它。

尽管系统100的图1-2所示的优选实施例利用夹持螺栓(未示出)来使夹持垫片向下附着，但是可以使用其它方法来完成安装装置24，诸如向下胶合、向下焊接、向下软焊以及即使可能使用压配合部件和诸如矫正机的施压工具等。还可以沿着外边缘螺纹连接夹持垫片，并将其配合进入基部10的相应的螺纹中。于是，当夹持垫片旋转时，其朝着基部10行进，并将夹持压力提供到第一偏心元件18。

如果在对准过程中利用外调节机构，则还可以使用现有技术公开的诸如第一安装装置24的外机构。外机构必须将整个系统100保持在对准状态下，并将夹持压力提供到第一偏心元件18，同时使用诸如焊接、软焊或者胶合的附着技术使得这些部件固定不动。

第一偏心元件：参照图1-3和5，具有第二通孔20的第一偏心元件18包含以机械的方式与基部10和偏心组件22两者配合的特征。还优选地，第一偏心元件18具有当其被第一安装装置24向下锁定时允许其向下锁定偏心组件22的位置的特征。如以下所详细论述的，第一偏心元件18提供所要求的偏心偏差中的一者以及对准处理所需的旋转轴线中一者。优选地，第二通孔20具有台阶，并在第一部分36上具有与基部10上的凸起轴环16的外径配合的内径。在凸起的轴环16和第一部分36之间存在充分的机械重叠以形成物理耦合。公差使得第一偏心元件18可以在没有显著的横向偏移(抖动)的情况下在凸起的轴环16上自由旋转。第一偏心元件18的一端37的外表面具有向外的唇缘38，其向提供与第一安装装置24配合的特征。优选地，第一偏心元件18的另一端39的外表面40在其上具有平坦的刻面(如图1所示)以便于用手指或者扳手夹住。可选地，外表面40可以具有各种表面处理，包括但不限于滚花、喷沙或者聚合体覆盖材料(例如，硅橡胶等)。第二部分42的内径与偏心组件22的外圆柱表面配合。公差使得偏心组件22在没有显著横向偏移的情况下自由旋转。第二部分42的轴线相对于第一部分36的轴线偏心。此偏心偏差可以是任何期望的范围。优选地，此偏心偏差在约0.025mm至约1mm之间，更具体地，约0.050mm。在第二通孔20的内表面唇缘44设置与第二部分42同心并具有允许偏心组件22的一端穿过的自由间隙的直径的部分。但第一偏心元件18沿着其轴线朝向基部10平移时(例如，通过由第一安装装置24形成的夹持压力)，内表面唇缘44与偏心组件22上的特征配合，传递夹持压力。请注意，但施加夹持压力时，物理公差使得内表面唇缘44在端部37降至最低到基部10上之前牢固地与偏心组件22配合。以此方式，系统100的所有的部件被单个夹持机构夹持。如果允许端部37降至最低到基部10上，则偏心组件22不会被牢固地附着，并会机械地漂移而失准。

偏心组件：参照图1-3和6，偏心组件22包括具有接收第二光学元件30的适合的现有技术公开的特征(例如，诸如图1-3和6所示的第三通孔28、凹部、空洞等)的第二偏心元件26，并经由第二安装装置32安装到第二光学元件30。第二安装装置32可以是任何适合的现有技术公开的用于安装的装置，包括但不限于图1-3和6所示的螺母。优选地，偏心组件22还包含位于第三孔28内并被固定弹簧48固定在那儿的球状透镜46。球状透镜46可选地被包括以促进校正从第一光学元件14发出的光，并将其再次成像到第二光学元件30中。当存在球状透镜46时，偏心组件22的光学轴线由第二光学元件30的光学轴线在其已经被球状透镜46折射之后确定。没有球状透镜46，偏心组件22的光学轴线仅仅由第二光学元件30确定。然而，在任何一种情况下，一旦安装(例如，向下夹持等)第二安装装置32，整个偏心组件22将具有一个固定的光学轴线。

第二偏心元件：如以下所论述，第二偏心元件26具有与第一偏心元件18和第二光学元件30机械地配合的特征。第二偏心元件26提供所要求的偏心偏差中一者以及对准处理所需的旋转轴线中一者。可选地，第二偏心元件26具有当通过第一偏心元件18施加夹持压力时允许其降至最低并与基部10配合的特征。优选地，第二偏心元件26具有允许第二安装装置32牢固地将第二光学元件30固定在适合位置的特征。第二偏心元件26还允许球状透镜46牢固地安装在第三通孔28中。

参照图2-3和7，在第二偏心元件26的一端上是直径减小的部分(以下称为鼻部50)，其装配在基部10的第一通孔12内。公差使得在对准过程中最大横向偏差将不会使鼻部50碰撞第一通孔12的一侧。当第一偏心元件18施加夹持压力时，鼻部50与基部10牢固地配合。可选地，可以在第二偏心元件26和基部10中任一者或者两者的配合表面上设置粗糙表面以提供增大的表面摩擦，从而提高物理夹持处理的安全性。优选地，鼻部50内的第三通孔28的面积具有宽度足以接收球状透镜46的直径。还优选地，减小第三通孔28的直径，以形成与球状透镜46配合的内唇缘52。被永久地压配合进入第三通孔28中的固定圈48与球状透镜46的另一侧配合，并抵靠内唇缘52将球状透镜46牢固地夹持。第二偏心元件26的外表面的第一部分54具有与第二部分42配合的直径。公差使得第二偏心元件26在没有显著横向偏差的情况下在第一偏心元件18内自由旋转。第一偏心元件18和第二偏心元件26之间长的配合长度有助于在夹持时形成物理上强的和稳定的组件。

再参照图2-3和7，在第二偏心元件26的另一端上是具有减小的直径，并穿过第二通孔20的减小部分56。减小部分56包括当施加夹持压力时与内表面唇缘44牢固配合的表面。可选地，可以在第一偏心元件18和/或者第二偏心元件26上设置粗糙的配合表面以提供增大的表面摩擦，从而提供了物理夹持处理的安全性。减小部分56的轴线相对于第一部分54的轴线偏心。该偏心偏差可以是任何范围。优选地，此偏心偏差是约0.025mm至约1mm，更具体地为0.050mm。优选地，第二偏心元件26具有辅助安装第二安装装置32的特征(例如，螺纹等)。

参照图6-7，第三通孔28延伸穿过第二偏心元件26的中心。在优选实施例中第二通孔28的中心部分58的轴线相对于第一部分54的轴线偏心。偏心偏差可以是任何期望的范围。第三通孔28具有可以接收第二光学元件30的直径。优选地，第三通孔28的端部分(以下称为端唇缘60)具有略微增大的直径，以形成接收第二光学元件30的凸缘62的凹部。唇缘60具有当第二安装装置23施加夹持压力时与凸缘62配合的表面。

第二光学元件：参照图2-3和7，第二光学元件30优选地包括光学纤维(未示出)粘附在适合位置中的纤维套圈64。然而，第二光学元件可以是任何适合的现有技术公开的光学元件，诸如激光二极管、光纤纤维、LED、透镜、镜子、光学传感器芯片、全息光学元件等。光学纤维在纤维套圈64的面处被抛光。纤维套圈64具有长鼻部，其具有装配进入第三通孔28的直径。纤维套圈64还具有与第三通孔28配合的凸缘62。凸缘62形成基准表面，使得纤维套圈64可以被抛光到精确控制的长度。以此方式，光学纤维的一端68可以位于距球状透镜46正确的距离以确保用于耦合来自第一光学元件14的光的最佳条件。

可选地，纤维套圈64可以是具有任何标准商业种类，诸如但不受限制地ST、FC、SMA或者甚至惯例形式因素。建议纤维套圈64牢固地附着到第二偏心元件26，光学纤维设定在距离球状透镜46正确的距离处，并且第一偏心元件18和第二偏心元件26的偏心偏差的组合充分地大到足以成功地将光学纤维的轴线与第一光学元件18的轴线对准。

第二安装装置：第二安装装置32可以是任何适合的现有技术公开的用于安装的装置，包括但不限于图7所示的螺母。在优选实施例中，参照图1-3和6，螺母与第二偏心元件26的外径上的螺纹配合，然后牢固地将第二光学元件30夹持在适合的位置处。螺母还具有允许螺母放置在两端有纤维套圈的接插线上的分开部分。螺母的外表面具有滚花表面光洁度，以便于用手指握持/转动。可选地，外表面可以具有各种表面处理，包括但不限于用于扳手的刻面、喷沙或者聚合体覆盖材料(例如，硅橡胶等)。不要求在螺母中具有分开部分，只要在纤维套圈粘附在光学纤维接插线上之前将螺母放置在光学纤维接插线上。

各种材料可以用来制造基部10、第一偏心元件18和/或者第二偏心元件26。对于强度、长期稳定性和机械加工到紧的机械公差的能力，诸优选诸如钢合金的金属。然而，没有限制，也可以使用其它材料，诸如陶瓷、填充有环氧树脂的玻璃、塑料和诸如铝和黄铜的较软金属合金。而且，通过利用高体积低成本的制造方法(诸如模制和CNC技术)，可以将制造部件的成本保持较低。

系统100的适合的对准允许来自第一光学元件14的最大量的光耦合通过球状透镜46，并进入到第二光学元件30。

对准系统的概念基础

为了理解一对偏心元件如何一起工作以允许在系统100实现高精度对准，有益地，首先考察仅仅具有一个自由度的概念性系统的限制。图8-9示出了具有两个薄层(基层和层A)的系统。尽管为了清楚示出为分开，这些层可以认为实际是共面的。目标(点T)在基层上。任何形状的形状A(示出为圆圈)在层A上。形状A具有旋转中心(示出为形状A的中心Xa)。与点Xa不重合的点A位于形状A上的某处。我们想将点A与点T对准。允许的自由度允许形状A绕点Xa旋转某角度qA。使qA掠过(sweep)360°将使点A扫过可能位置的轨迹限定以点Xa为中心半径为R_A的圆的圆周的路径。如果点T落在点A扫过的路径上，则可以对准系统。否则，如图10所示，需要另一自由度完成对准。注意，如果点A与点Xa重合，则可能位置的轨迹从圆退化成单个点，并且通过旋转形状A不能实现对点A位置的调节。

具有相同的两个系统100具有的自由度的概念性系统在图10-13中示出在图10-13中。系统100可以被认为由三层(基层、层A和层B)组成。为了清楚起见，该三层示出为分开，但是可以认为共面。基层具有目标(点T)，并且层A具有任意形状，旋转中心为Xa(示出为形状A的中心)的形状A(示出为圆)。由于之前论述的相同的原因，层A具有与点Xa不重合的点A。第三层层B还包含任何形状，形状B(也示出为圆)。在某处有形状为B的点B，我们想将点B与点T对准。由于之前论述的相同的原因，形状B具有与点B不重合的旋转中心Xb(示出为形状B的中心)。有一个附加的约束，形状B附着形状A，使得通过点Xb的旋转轴线必须通过点A。这意味着如果形状A旋转，则点Xb将跟随点A。然而，形状B绕点Xb独立地自由旋转。

如图10-11所示，当形状A绕点Xa旋转时，点A将位于由以点Xa为中心半径RA等于从点Xa到点A的距离的圆所限定的路径上。对于点A的任何位置，旋转形状B导致点N位于由以Xb为中心半径RB等于从Xb到点B的距离的圆的圆周所限定的路径。因而可以通过针对由形状A的旋转产生的点A的所有可能位置使点B掠过由形状B的旋转所产生的所有可能位置来产生点B的所有可能的位置的完整的轨迹。

如图12-13所示，可以使用矢量R_A和R_B相加来预测点B的最终合成位置。对于点B的可能位置的最大范围是当点A和点B落在直线上，如示为A^#和B^#。于是对于点B的可能位置的轨迹示出为以点Xa为中心半径R_LOCUS＝R_A+R_B的圆的阴影面积。有若干个用于预测点B如何相对于旋转中心点Xa紧紧定位的特定条件。当R_A＝R_B时，可以将点B布置成与点Xa重合。这表示由于连接A^#和B^#的矢量的矢量相减，造成矢量长度为零。如所示，当R_A＞R_B时，存在以点Xa为中心半径R_Missing＝R_A-R_B的中央区域，其限定点B不能达到的位置的轨迹。然而，当R_A＜R_B时，没有中央Missing区域，因为点B可以有效地定位在点Xa远离点A的一侧上。这样的一个实施是至少存在一个用于点A和点B的位置的组合以对应于轨迹区域中的每个位置，但是对于许多位置，存在点A和点B位置的多余组合，使得允许成功的对准。

前述示例概念性示出了由本发明提供的两个旋转轴线如何提供对准两个共面点所需的两个自由度。注意，当对准光学部件时，经常需要对准各种部件的光学轴线。图10-11示出了层不必共面以供本发明用来允许对准各组部件的光学轴线。图10-11中示出的概念以下述方式直接表示在图1-7所示的系统100中：

·基部10由基层表示；

·第一偏心元件18由层A表示；

·第二偏心元件26由层B表示；

·第一光学元件14的光学轴线相当于通过目标点T的轴线；

·第二通孔20的与基部10配合的部分的中心轴线由点Xa表示；

·第二通孔20的与第二偏心元件26配合的部分的偏移中心轴线由点A表示；

·第二偏心元件26的与第一偏心元件18配合的部分的中心轴线由点Xb表示；以及

·光学纤维的偏移中心轴线由通过点B的轴线表示。

因而，第一偏心元件18和基部10之间的旋转调节与第二偏心元件26和第一偏心元件18之间的旋转调节相组合，以允许系统100用来将光学纤维的光学轴线与第一光学元件14的光学轴线对准。第一偏心元件18中两个轴线之间偏差偏移量与第二偏心元件26中的两个轴线之间的偏差偏移量相组合以确定系统100能够进行多少调节。

对准系统的操作

有多种用于对准以上所述的系统100的技术。例如，优选的处理以这样开始：刚性安装系统100，且将第二安装装置32牢固地向下锁定，仅仅非常轻的夹持压力在第一安装装置24上。光学纤维的另一端连接到测光计，并对第一光学元件14供以能量。第二安装装置32用一只手的一对手指握持，第一偏心元件18用第二只手握持。将第二安装装置32保持成不允许偏心组件22旋转，并且第一偏心组件18旋转直到获得通过光学纤维的最大能量。于是，第一偏心元件18在没有旋转的情况下被保持，同时第二安装装置32用来使偏心组件22旋转直到获得通过光学纤维的新的最大能量。从这点，首先一直沿着增大通过光学纤维的能量的方向对其中的偏心元件(18或者26)进行非常小的旋转调节，然后对另一偏心元件(18或者26)。这将允许操作者实现对准，从而仅仅使用非常简单的工具在非常短的时间段产生最大的通过光学纤维的总能量。一旦已经实现最佳对准，由第一安装装置24(例如，通过夹持垫片向下扭转螺栓)将对准向下锁定。

本发明的可选实施例

本发明还可以用来对准多于两组部件。例如参照图14，本发明提供另一对准系统200，其中两个光学纤维(202，204)用它们之间的球状透镜210对准。球状透镜206附着到基部208，光学组件210附着到基部208的各端以将光学纤维(202，204)对准。光学组件210的构造方式与以上描述的系统100相同，除了没有第一光学元件14。

本领域的一般技术人员在将本发明保持在本发明的范围内的同时可以修改本发明的其它方面。一个可行的修改是改变用来提供旋转运动的同心配合表面的类型。例如，在图1-3所示的系统100中，第一偏心元件18的唇缘38放置在基部10中的凸起轴环16上。此设计的一个可行的备选方案是具有第一偏心元件18以包括装配到基部10的第一通孔12中的鼻部。这实现了相同的对准机构，方式略不同于以上所示的系统100，但是仍然在本发明的范围内。

其它配合表面在保持在本发明的范围的同时还可以以类似的方式被互换。另一示例可以修改系统100，使得第二偏心元件26在第一偏心元件18的外侧而不是内侧上配合。此工作与图1-3所示的优选实施例相同，尤其是如果基部10被修改成球状透镜46被附着到基部10。

本发明还可以用于当部件的光学轴线不是完全平行时。如果球状透镜46相对于系统100中的第二光学元件30略偏离中心，则从球状透镜46出来的新的光学轴线不会精确地平行于第一光学元件14的轴线。但是，本发明还允许部件对准，使得来自第一光学元件14的最大能量耦合进入第二光学元件30中。此能力可以应用这样的对准系统中，其中以倾斜的方式有意安装一个或者多个元件以使得往回进入到光学路径中的回射最小化。

如果以与以上所示的优选实施例的不同的顺序利用不同的元件或者相同的元件，则它也在本发明的范围内。例如，可以将第二光学元件30牢固地附着在基部10中，并通过将第一光学元件14安装在第二偏心元件26中来调节第一光学元件14的位置。或者，检测器可以是第一元件14，来代替图1-3所示的激光二极管，以使纤维光学接收器组件代替激光到光学纤维耦合器组件。现有技术所列的长表的可选部件和布置是本发明可以利用的不同应用的所有示例。

此外，在将本发明保持在本发明的范围的同时可以对系统100中的一些部件进行修改。例如，可以将第二偏心元件26修改成提供用于安装扳手并类似于第一偏心元件18上的刻面。这允许操作者使用一对扳手而不是使用手指来对准组件。在一些情况下，在将发明保持在本发明的范围的同时可以省略系统100中的一些部件。如以上所述，可以在没有用作第一安装装置24的情况下构造系统100，只要使用外部对准工具并使用接合或者焊接处理以将部件锁定在一起作为第一安装装置24。还可以通过形成其中内设第二光学元件30的第二偏心元件，形成用作整个偏心组件22的单个部件。还可以修改部件的特征以使它们与使机器进行对准并向下锁定处理的要求兼容。所有这些修改在本发明的范围内是清楚的。

本发明的应用

本发明可以用在广泛范围的用于一起对准和附着许多类型的部件的不同应用中。除了如图1所示将多模光学纤维对准激光二极管，本发明还还可以用来将单模光学纤维与激光二极管对准，将光学纤维与光学纤维对准等。本发明的其它实施例可以用在许多其它类型的通常的光学和机械对准应用中。本发明还可以用来对准和/或者附着其它光学元件，诸如LED、激光、灯泡、透镜、传感器、全息光学元件、衍射光学器件、孔径等。此外，有这样的情况，许多不同类型的检测器可以要求与诸如线性阵列、区域阵列、位置灵敏检测器、单元件检测器等的光学系统对准。此发明具有将许多不同光学组件对准，诸如将纤维与透镜、将纤维与传感器、将透镜与传感器对准等的用途。

此外，本发明的用途不限于光学领域。机械领域提供了各种情况的附加示例，其中可以使用本发明将各部件对准。例如，当将轴编码器耦合到旋转轴时，两个部件之间的轴向失准会造成周期性的读取误差。本发明可以用来将编码器精确地与轴对准，然后将两者刚性地锁定在一起。

结论

认为以上详细描述的实施例相对于所公开的现有技术具有新颖性，并认为对本发明的一个最佳实施例的至少一个方面的操作和实现以上所述的目的是关键的。在描述本实施例的说明书中所使用的用语可以不仅在普通限定的意义上理解，而且可以由本说明书中特定的定义包括超过普通限定的意义的范围的结构、材料或者动作。因而，如果元件在本说明书中上下文中可以理解为包括多余那一个意义，则其使用可以理解为适用于由说明书或者对元件进行的描述所支持所有可能的意义。

此处描述的发明的各实施例和其没有描述的有关实施例的元件或者用语的定义因而在本发明书中限定以不仅包括用文字阐述的元件的组合，而且包括用于以大致相同的方式执行大致相同功能以获得大致相同效果的所有等同结构、材料或者动作。在此意义上，因而可以想到针对本发明和其各种实施例的任何一个元件进行两个或者多个元件的等同替换，或者可以将权利要求中的两个或者更多个元件替换成单个元件。

本领域的一般技术人员所观察到的要求保护的发明主题的改变不管现在知道还是以后想到都明确地想到是在本发明和其各种实施例的范围内的等同物。因而，本领域的一般技术人员现在或者以后知道的各种替换被限定在所限定的元件的范围内。因而，本发明和各种实施例可以理解成包括以上所具体图示和描述的、概念性等同的、可以被明显替换的、还有基本上包括本发明基本思想的。

尽管已经参照至少一个优选实施例描述了本发明，本领域的一般技术人员可以明显理解到不限于此。而且，本发明的范围仅仅结合权利要求进行理解，并在此处使发明者相信所发明主题是本发明变得明显。

Claims (27)

1.一种对准系统，包括：

基部，具有接收第一光学元件的特征；以及

第一偏心元件，其具有接收偏心组件的通孔，所述偏心组件包括第二偏心元件，所述第二偏心元件具有接收第二光学元件的特征，并经由第二安装装置安装到所述第二光学元件；

其中，所述第一偏心元件经由第一安装装置与所述基部配合，并且通过相对于所述基部旋转调节所述偏心元件中至少一者来实现所述第一光学元件的光学轴线和所述第二光学元件的光学轴线之间的轴向对准。

2.根据权利要求1所述的对准系统，其中，所述第一光学元件是光学纤维，所述第二光学元件是激光二极管。

3.根据权利要求1所述的对准系统，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件选自由以下各项组成的组：光学纤维、激光二极管、包含光学纤维的纤维套圈、LED、透镜、镜子、光学传感器芯片、全息光学元件和其组合。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的对准系统，其中，所述基部特征和所述第二偏心元件选自由以下各项组成的组：通孔、镜子、光学传感器芯片、全息光学检测器和其组合。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的对准系统，其中，所述基部还包括温度传感器。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的对准系统，其中，所述基部还包括热电冷却器。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的对准系统，其中，所述基部、所述第一偏心元件和所述偏心组件都由单个夹持机构紧固。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的对准系统，其中，所述第一安装装置是将所述对准系统保持在对准状态下并将夹持压力提供到所述第一偏心元件的外部机构。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的对准系统，其中，一旦将所述对准系统对准，所述基部、所述第一光学元件、所述第一偏心元件和所述偏心组件都被刚性地锁定在它们对准的位置中，形成带尾的组件。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的对准系统，其中，所述第一安装装置选自由以下各项组成的组：夹持、胶合、焊接、软焊、按压和其组合。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的对准系统，其中，所述基部、所述第一偏心元件、第二偏心元件由选自以下各项组成的组的材料构造：金属、钢合金、铝、黄铜、陶瓷、填充有环氧树脂的玻璃、塑料和其组合。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的对准系统，其中，所述第一偏心元件和所述第二偏心元件包括选自由以下各项组成的组的握持装置：滚花加工面、喷沙覆层、用于扳手的刻面、聚合体覆层和其组合。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的对准系统，其中，所述第二安装装置是螺母，其中，所述螺母与所述第二偏心元件的外径上的螺纹配合。

14.根据权利要求13所述的对准系统，其中，所述螺母包括允许所述螺母放置在两端具有纤维套圈的接插线上的分开部分。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的对准系统，其中，所述第二偏心元件包括通孔，所述偏心组件还包括球状透镜，所述球状透镜由固定环固定在所述第二偏心元件通孔内。

16.根据权利要求15所述的对准系统，其中，所述第二偏心元件通孔包括与所述球状透镜配合的直径减小部分。

17.一种对准系统，包括：

基部，其具有接收第一光学元件的第一通孔；

第一偏心元件，其具有接收偏心组件的第二通孔，所述偏心组件包括第二偏心元件，所述偏心元件具有接收第二光学元件的第三通孔，其中

所述第一偏心元件包括向外的唇缘和内表面唇缘；

所述第二通孔包括第一部分、第二部分、第三部分；

所述第三部分的轴线相对于所述第二部分的轴线偏心；

所述第二部分的轴线相对于所述第一部分的轴线偏心；

所述第一偏心元件经由第一安装装置与所述基部配合

包括：

在所述基部上的凸起轴环和凸起外唇缘，其中，所述第一部分与所述凸起轴环配合，

夹持垫片，其具有至少两个通孔，其中，所述夹持垫片的外边缘与所述凸起的外唇缘配合，所述夹持垫片的内边缘与所述外唇缘配合，其中，所述夹持垫片包括所述外边缘和所述内边缘之间未被支撑的区域，以及

夹持螺栓，其延伸穿过所述夹持垫片的通孔，以将夹持压力施加在所述夹持垫片上，使所述第一偏心元件安装到所述基部，

所述第一部分具有与所述凸起轴环的外径配合的内径，并且在所述凸起轴环和所述第一部分之间存在足以形成物理耦合的机械重叠，

所述第二部分具有与所述偏心组件的外表面配合的内径；

所述第三部分具有允许所述偏心组件的一部分穿过的内径；

所述偏心组件经由螺母安装到所述第二光学元件，其中，所述螺母与所述第二偏心元件的外径上的螺纹配合；

所述第二偏心元件还包括装配在内部并与所述第一通孔配合的鼻部、外径与所述第二部分配合的部分；和外径穿过所述第二通孔并与所述内表面唇缘配合的另一部分；以及

通过相对于所述基部旋转地调节所述偏心元件中至少一者来实现所述第一光学元件的光学轴线和所述第二光学元件的光学轴线之间的轴向对准。

18.根据权利要求17所述的对准系统，其中，所述凸起轴环和所述外边缘都包括彼此配合的螺纹。

19.根据权利要求17或18所述的对准系统，其中，在对准处理期间最大的横向偏差将不使所述鼻部碰撞所述第一通孔的侧面。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的对准系统，其中，所述第一偏心元件和所述第二偏心元件在不抖动的情况下在所述凸起轴环上自由旋转。

21.根据权利要求17-20中任一项所述的对准系统，其中，所述偏心组件还包括球状透镜，并且所述球状透镜由固定环固定在所述第三通孔内。

22.根据权利要求12所述的对准系统，其中，所述第三通孔包括与所述球状透镜配合的直径减小部分。

23.一种对准系统，包括：

球状透镜；

基部，其安装到所述球状透镜；

第一光学组件，其安装到所述基部的一端；

第二光学组件，其安装到所述基部的另一端，其中

所述第一光学组件和所述第二光学组件各包括：

第一偏心元件，其具有接收偏心组件的通孔，所述偏心组件包括第二偏心元件，所述第二偏心元件具有接收光学元件的特征并经由第二安装装置安装到所述第二光学元件；并且

所述第一偏心元件经由第一安装装置与所述基部配合，

其中，通过相对于所述基部旋转调节所述偏心元件中至少一者来实现所述第一光学元件的光学轴线和所述第二光学元件的光学轴线之间的轴向对准。

24.一种用于对准一组部件的方法，包括：

提供对准系统，所述对准系统包括：

基部，其具有接收第一光学元件的特征；以及

第一偏心元件，其具有接收偏心组件的通孔，所述偏心组件包括第二偏心元件，所述第二偏心元件包括第二光学元件，并经由第二安装装置安装到所述第二光学元件；其中，所述第一偏心元件经由第一安装装置与所述基部配合，并且

通过相对于所述基部旋转调节所述偏心元件中至少一者来对准所述对准系统。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述方法用来对准选自以下各项组成组的部件：单模光学纤维、多模光学纤维、激光二极管、LED、灯泡、透镜、传感器、全息光学元件、衍射光学器件、衍射孔径、线性阵列、区域阵列、位置灵敏检测器、单元件检测器和其组合。

26.根据权利要求24所述的方法，所述方法用来将轴编码器与轴对准。

27.一种制造权利要求1所述的对准系统的方法，包括：

提供基部、第一光学元件、第二光学元件和偏心组件，其中，所述基部包括接收所述第一光学元件的特征；所述第一偏心元件包括接收所述偏心组件的通孔；所述偏心组件包括第二偏心元件，所述第二偏心元件具有接收所述第二光学元件的特征；

经由第一安装装置将所述基部安装到所述第一偏心元件；

经由第二安装装置将所述偏心组件安装到所述第二光学元件；以及

将所述第一偏心元件连接到所述偏心组件，其中

通过相对于所述基部旋转调节所述偏心元件中至少一者来实现所述第一光学元件的光学轴线和所述第二光学元件的光学轴线之间的轴向对准。

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