CN101464552A - 安装调整电子光学装置的方法和按此安装调整的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及安装和调整电子光学装置用的方法以及按照这样一种方法安装和调整的测量装置。本发明涉及在两个以上的轴上调整和固定光学组件用的装置，特别是调整半导体激光器用的准直透镜用的装置。按照本发明建议，为了避免空间大的粘结狭缝和粘结材料硬化时因这些粘结狭缝相联系的迟延，采用多零件的承载结构来进行多轴调整，其中承载结构的每个零件都可以定位在空间一个至三个轴上定位。

Description

安装调整电子光学装置的方法和按此安装调整的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于在多个轴上对光学组件进行立体定位的装置。

现有技术

例如在多透镜镜头中或还有在调整准直镜组时，调整两个或者多个光学组件在一个以上的轴上的相对定位，是一个特殊的挑战。这时在本申请书的意义上光学组件是，例如，孔的遮光装置、光检测器、衍射组件、反射镜、滤光镜、荧光屏，特别是透镜和光发射器。

这些光学组件一般本身没有安装用的装置，诸如螺丝连接用的螺纹、拧入螺丝用的孔等。因此，它们一般用适当的携带装置抓住，使整个光学系统的装配成为可能。

当各个组件(光学组件或支架)制造不能以合理的成本达到允差，使调整变得多余时，组件的调整总是需要的。为此目的一般承载件连接用的机械组件的可调整，例如其中两个承载件的距离可以用细纹螺丝加以改变。在这种情况下这种机械结构包括活动机件。

为了进行调整，已知有大量精密机械结构原理。所有这些方法共同点是：与没有活动部件的结构相比，在震动、对粉尘的敏感程度、温度漂移和一般的稳定性方面较差。

即使当可用的结构空间很少时，精确地调整光学组件，也是一个特殊的挑战。一般整个系统的位置需求大部分受到移动的调整和支持部件的限制，而只有小部分受到放置光学部件限制。对于成本大部分不是光学部件引起，更确切地说，是由机械的支持和调整部件引起的，这时一样的。

当调整在一个或者两个空间方向上仍旧比较简单地实现时三轴或多轴调整一般以多级机械为先决条件。若要例如，在空间上调整一个反射镜的角度和位置，一般便要使用角度调整装置，它本身坐落在定位雪橇上。

为了能够价格合适地并在非常小的结构空间上进行多级调整，现在已有一些已知的方法，它建立在这样的基础上，即光学组件用可焊接覆层完成，不言自喻它们是可焊接的，用焊锡固定在第二个部件上。然后根据调整位置用或多或少的焊锡连接。这个方法的优点在于，可以进行真正三维的定位。用焊锡桥接的凹槽越大，这时，可进行调整的位置窗口就越大。这时，调整这样地进行，各个光学组件首先用辅助装置，例如通过机器人或者移动雪橇，定位保持空间中的最优位置上，留待在下一步骤用焊锡稳固地加以固定。该辅助装置在焊接处硬化以后移开。这时挑战在于，在焊接过程开始之前找到的最优位置不能进行再次调整。若例如借助于辅助装置把一个激光二极管保持在金属或者金属基板上一个确定的高度上，并焊接在该位置上，则其出发点是，该位置只要仍旧保持不变，就可以引入液体焊锡。金属液体对两个要连接的物体不发生机械力。把温度降至凝固点，调整便得以达到最优。然而若再进一步降低温度，坚硬的连接焊锡便拉到一起，对要连接的一对光学组件产生机械力。因此前提必须是，原来最优地进行的调整在焊接处冷却下来时明显地恶化。这时，对于失调整的量度的一些重要的参数是，一方面是焊点的膨胀系数、该合金的凝固温度和用焊锡桥接的狭缝长度。特别是在小的焊锡凹槽下在同样的相对收缩时只有小的绝对长度变化。因此，采用这样方法时，要允许折衷。一方面从热力学失调整的角度看，希望狭缝尽可能薄，另一方面，在裂缝薄时，要达到很小的构件允差。

作为用焊接进行立体定位的替代方案，还已知这样的方法，多轴立体定位通过用辅助装置夹持的光学部件进行定位来实现。接着，给出的空气缝隙用填充狭缝的粘胶材料填充。在理想的情况下仍旧可以在粘结剂硬化时用该辅助装置进行调整。然而实际上考虑到收缩过程，根据粘结材料仍可能导致显著长度相对变化。亦即，类似于焊接定位的情况，必须考虑的是，该粘结材料硬化过程中对要连接的一对光学组件发生机械力，并从而在粘结剂硬化之前使调整对最优的一对会再次失调整。因为该收缩过程会导致长度的相对变化，这种作用可以通过尽可能减小粘结狭缝来减到最小。

两个光学组件的相对位置必须以特别高的精度调整的一种应用是激光二极管的准直。激光二极管和准直镜组这样的结合，例如在电子光学测量装置，例如激光测距仪应用中遇到。这时任务在于，半导体激光器在大的角度范围内发射的光要汇集成近似平行的光束。为此构件(激光器/准直透镜对)要调整得使发出的激光准确地与一般为非球面的准直透镜的焦点一致。为此相对位置特别需要调整到数量级5μm的精确度。准直透镜光学轴相对于激光出口的横向偏移，会导致以某个角度偏差离开透镜的光束。其后果是，该透镜不在该要求的方向上发射激光。因而，对于所描述的应用“半导体激光器的准直”，希望和需要对激光器和透镜相对位置进行三维调整。该调整围绕三个轴(1：焦点，2：X轴上的横向偏移，3：Y轴上的横向偏移)进行，在给定情况下还希望加上围绕接收透镜的角度取向(2个轴)。

在大批量生产的条件下，实现在3/5轴上的这种调整是一个很大的挑战。已知的解决方案在于，把透镜固定在支架例如，圆柱形铝制的准直器套筒中，把激光二极管进一步推入这个支架，直至光出口处在该透镜的焦平面上。这时，这样的装置只有允许在一个空间方向(焦点)上调整。在这种情况下，激光离开该透镜的方向的修正只能通过应用附加的调整装置实现。例如首先把出射该透镜的光引导到两个轴上可调整的平面转向镜上。通过改变这个平面转向镜的入射角就出现一种可能性，对角度误差作出反应，以此引起半导体激光器出射镜和该准直透镜的光轴彼此不一致。

作为替代方案，有人建议，首先把准直透镜固定在一个装置上，并在下一步借助于焊接把激光二极管调整在该透镜的焦点上。这时，在微米范围内定位精度的实现提出了高要求，特别是考虑到上述焊点从熔点冷却到室温时不可避免的作用。

发明内容

本发明的主题是一种安装和调整构思或方法，它允许首先在大批量生产的条件下定位光学部件，特别是定位激光二极管和准直透镜，其次可以不用诸如焊接过程所需要的高温，第三把粘结材料硬化时可能出现的问题减到最小。

本发明的优点

本发明涉及在两个以上的轴上调整和固定光学组件用的装置，特别是调整半导体激光器用准直透镜的装置。按照本发明，为了避免空间大的粘结狭缝和粘结材料硬化时与这些粘结狭缝相联系的迟延，在多轴调整时使用多零件的承载结构，其中该承载结构的每个零件可以在空间一个至三个轴定位。

在这种安装时，相对于第二构件，例如成像光学装置，调整第一构件，例如光源。这时，要调整的构件用相应的承载件固定。

另外，本发明还涉及按照这样一种方法安装和调整的电子光学测量装置。

在按照本发明的安装和调整电子光学装置的方法中，例如相对第二构件在三个轴上使第一构件如此取向，使得第一位置上的第一构件首先固定在第一承载件，并把第二位置上的第二构件固定在第二承载件上。然后，第二承载件与第三承载件连接，接着，相对于第一承载件定位和固定第三承载件。

这样可以通过调整和安装承载件对构件进行精确的调整。该安装流程和由此得到的组件彼此间的结构具有这样的优点，亦即由此可以实现构件，例如光学部件的多轴的和精确的调整。

第一承载件，例如印刷电路板优选具有凹槽，第二承载件，例如准直镜组支架至少部分地可以穿过凹槽而被固定。此后，第二承载件与第三承载件焊接或者粘结。

第一构件，例如激光二极管，优选与第一承载件，例如印刷电路板这样地焊接，使得不仅二极管的引腿接触，而且还可以保证二极管管壳的散热。

安装时用安装和调整板而形成的第三承载件，布置在第一承载件背离第一构件的一侧。以此使机械手容易伸到。

为了固定承载件，第三承载件，例如通过粘结过程固定在第一承载件上。

为此优选采用一种或多种光硬化的粘结材料。为此承载件优选可以做成光学透明的，以便要硬化的粘结材料可以通过透过第三承载件照射。相对于第二承载件的大小，在第一和第三承载件中相应地确定凹槽尺寸，以避免空间大的粘结狭缝，并避免粘结材料硬化时组件与这样粘结狭缝相连接的迟延。

本发明的原理用激光器的准直示例举例说明，特别是对于激光测距仪或者建筑激光器的使用，这个示例是重要的，因为在那里同时要求低成本，高精度，而且在占有面积方面极有限。然而，按照本发明的方法，通过适当的中间件减少粘结狭缝的大小，优选还可以转用于必须达到可比较的精确度的其他光学系统。

采用按照本发明的方法，可以在工业大批量生产的条件下对电子光学测量装置，诸如激光测距仪或者激光水准仪进行非常精确的调整。

下面参照附图及其相应的描述给出按照本发明的方法的其他优点和用此方法调整的电子光学装置。

附图说明

在附图中显示按照本发明的装置的实施例。这些描述、相应的附图以及权利要求书包含了结合在一起的很多特征。专业人员将会对这些特征，特别是还有不同实施例的特征，进行单独地考虑和将其结合成其它有意义的组合。附图中：

图1是电子光学测距仪的透视简图；

图2是第一构件(激光二极管)相对于第二构件(准直透镜)的相对调整用的装置一个实施例的示意俯视图(零件分解图)；

图3是按照图2布置的透视图；

图4是类似于图1的按照本发明的结构安装成品通过光轴的剖面图；而

图5是按照本发明的安装完成时类似于图4结构的透视图。

具体实施方式

图1表示设计成测距仪10的电子光学测量装置。它有外壳12、用于开关测距仪10以及开始或配置测量过程的操作件14。在操作件14旁边，测量装置10还有采取显示器形式的显示测量结果以及表示有关仪器状态的数据用的输出装置16。在测量装置10外壳12内部，在一个承载件，例如印刷电路板18上，布置了制成激光二极管的产生光学发送测量信号用的发射单元20，以及数据处理单元的电子组件。电子支持件18通过固定装置，例如螺丝固定在光学承载件上。此外，光学承载件还有光通道22、折射单元24以及接收镜组，用以把测量信号集束在接收元件上。在图1中只示意地画出了发射单元20、光通道22、参照路径34用的折射单元24以及接收单元26。

为了用测距仪10测量远处对象的距离，在测量装置运行时，从发射单元20沿着一个发射路径28发射一个发送测量信号。发送测量光束通过准直镜组形成在更加平行的光束，通过仪器10外壳12的一个窗口30离开测量装置。从远处待测对象的表面反射或散射的测量信号通过接收路径29再次回到测量装置10，并通过外壳中窗32耦合到一个元件。借助于一个在图1未示出的接收镜组，使接收测量信号集束或聚焦，并被接收元件26，例如光敏二极管，特别APD(雪崩效应光电二极管(Lawineneffekt-Photodiode))检测。在这种类型的测量装置的替代实施方式中，测量装置的入射窗和接收镜组也可以集成一体。

同时，这样的电子光学测距仪电子光学要在商业上大批量制造。这种仪器的性能最终还要取决于光学组件的精确调整，诸如激光器、透镜和检测器彼此间的调整。这时，特别是这种主要是手持式仪器结构空间有限，以及大批量生产的要求限制了调整的可能性。

按照本发明的方法能够用上的电子光学装置不限于的替代实施方式，是例如，但不限于所谓建筑激光器，其中主要同样通过激光器产生的光学标记，用来指示和进行水准测量。

图2-5表明按照本发明的电子光学装置两个组件彼此间的调整和固定。该原理方法和为此所需要的安装组件和步骤用半导体激光器102的准直举例说明，然而不限于这些组件。这时，彼此间必须调整在一个光轴100上的光学有源组件，以图1的激光测距仪的半导体激光二极管102和准直透镜104作为示例。

图2和3用零件分解图表示装配前要安装的元件和组件。

图4和5表示安装好的元件和组件的相对布置。

半导体激光器102安装在金属外壳内，它具有多个接触引腿106，要使激光二极管运行必须使这些引腿电气接触接。为此，半导体激光器102的触点106要插入印刷电路板相应的孔或凹槽内，并不经进一步调整过程，焊接在那里。

准直透镜104固定在准直支架110上，优选不经进一步调整过程即可使用。这里一个有利的解决方案是，例如把透镜104压入准直支架110的前端114设有变形肋112的圆柱形插入物中。作为替代方案，可以用粘结过程连接准直透镜104与支架110。

准直支架110优选在内部空间116具有遮光结构，它使激光在达到准直透镜104背面118之前能够进行立体滤波。借助于这种结构，可能优化从透镜104射出的激光束轮廓。

为此，在一个有利的实施例中，准直支架110用黑色的材料制造，在内部空间116优选有一种抑制镜反射的表面结构。为此目的把准直支架110制成多个部分的，而且在内部空间116中例如插入适当的套筒，这可能是合理的。

准直支架110有一个或者多个固定腿120，在图2至5所示的实施例中，其形状和布置像是火箭尾翼。特别是对于固定腿120看来优选采用园柱形的腿部几何形状，或者作为替代方案，采用矩形，如图2-5所示。

印刷电路板108在固定腿120的位置上有相应的凹槽122(特别参见图2)，形状例如为铣刀轮廓(Fraeskonturen)，或固定腿120可以在其中穿过的孔。这时，印刷电路板108中这种铣刀轮廓或孔的直径这样确定，使得准直支架110或准直器支架腿120在这种凹槽122内部可以活动。就是说，准直器支架腿120膨胀必须比印刷电路板108中凹槽122相应的尺寸小某个值。

在印刷电路板108背面，亦即，在印刷电路板背离激光二极管102的一侧)有一块安装板124，它同样含有凹槽126，准直器支架的腿120可以从中穿过。然而，(为此特别参见图4)不同于印刷电路板108中相应的凹槽122，安装板124中的这个凹槽或者浮动支架126这样确定尺寸，使得准直器支架腿120能以配合精度插入。把准直器支架腿120插入安装板124中的凹槽/浮动支架126之后，只留下很小的空气缝隙。

安装板124再次以小的间隙安置在印刷电路板108下面。安装板124优选用透明材料，例如有机玻璃制成，在面向印刷电路板108的一侧128，当安装板装到印刷电路板上时，优选有表面结构130(例如，肋)，用来构成小的但明确规定的距离，亦即，例如0.1mm数量级的小的空气缝隙。

在一个有利的实施例中，准直器支架腿120从安装板124背离印刷电路板一侧突出一个已知的长度(为此特别参见图4)。此外，在一个可能的实施例中，准直器支架腿120的下面，亦即，背离透镜104的一端还形成得能通过适当的机件实现防止丢失，准直支架110穿入安装板124以某种游隙固定在那里。

该实施例装置的安装优选分成多个单独的步骤进行。这时，第一步，首先把激光二极管102的外壳插入印刷电路板108上为此设置的孔，并焊接在那里。为了冷却二极管102，优选还把激光二极管外壳焊接在带有在那里设置的结构的印刷电路板108上侧109。

第二步，准直透镜104不经精确安装过程，也不用适当的方法进行调整，插入准直器套筒110。

即使把一两个调整程序对调，亦即，以相反的顺序进行，也可以极好地得到等效的结果。

在第三个安装步骤，准直支架110的固定腿120穿过印刷电路板108和安装板124为此目的而设置的凹槽122，以便它们在背面129上从安装板124突出(为此特别参见图4)。假如在准直器支架腿120设置防止丢失装置上(在所显示的实施例中未示出)，可以这样简单而可靠地加工预先安装的组合件。

在下一个安装步骤中，利用准直器支架腿120在印刷电路板108凹槽122内的游隙，调整准直透镜104相对于激光二极管106的位置和角度。

让准直器支架腿120从安装板124多或少伸出去一些，即可调整从激光二极管102到透镜104的距离。若装置中准直支架的腿120多于一个，则让各个腿从安装板124各自多或少伸出去一些，即可调整透镜的角度。

反之，则不可能通过各个腿120从安装板124伸出的多少来调整准直透镜104光轴的位置。在安装板108内部的穿孔126形成得使准直支架110大体上无游隙地插入(为此特别参见图3)。反之安装板124便可能相对印刷电路板108在两个空间方向上移动。这时的出发点是，安装板124直接放在印刷电路板108上(在给定情况下带有明确规定的空气缝隙)。

因为在安装板124移动时准直支架110一齐运动，所以光学系统可以通过安装板的移动，使透镜104的横向位置准确地调整得与激光二极管102的激光出口位置一致，因此，两个要调整的组件一起处于光轴100上。安装板124优选形成得能用工具抓住并进行处理。

在一个有利的实施例中，激光二极管102以上的透镜104的高度调整得使细纹松开螺旋从下侧装在准直器支架腿120上。然后可以调节这个调整螺旋，使得腿120从安装板124准确地突出所希望的大小。

这时，这样调整后的光学系统优选用适当的粘结过程将其固定。这时，例如可以设想，安装板124的周围边沿132涂上粘结剂，在印刷电路板108上调整之后将其固定。类似地，准直支架110的腿120可以与安装板124粘结。例如，可以这样进行，凹槽126和准直器支架腿120边沿之间给出小的狭缝134用粘结剂填充。

在印刷电路板108和安装板124的粘结方面还可以设想，把一个薄层134粘结剂插入印刷电路板和安装板之间，并以此实现平整的粘结。为了加速粘结剂的硬化并在批量生产中实现短的处理时间，采用容易硬化的粘结材料(UV-粘结剂)是特别合乎目的的。为了在这种情况下优化粘结位置所需的照明，安装板124优选用透明材料制造。然后，在这种情况下该布置可以从安装板124的下侧129通过它对粘结剂的硬化照明。

图4或图5所示的安装流程和由此所得到的结构具有这样的优点，用此法可以达到光学部件的多轴和精确的调整。此外，还有这样的优点，粘结材料的收缩不影响，或只在很小的程度上影响调整精度。这尤其可以用这样的方法达到，亦即粘结剂填充的缝隙非常小，或者在硬化时粘结剂的收缩不影响调整。

作为采用粘结过程固定各个零件的替代方案，原则上还可以设想，使用另一种固定各个安装组合件的方法。例如，还有可能用可焊接的材料制成准直支架110的固定腿120，并以配合精度穿过同样是金属的安装板。然后，不通过粘结固定各个组件，而是通过焊接进行。这时，与直接焊接相反，有这样的优点，焊点冷却到室温时的收缩不会导致该光学元件失调，因为焊点桥接的缝隙非常小。

本发明的原理已经用激光器的准直示例举例说明。这是一个对于激光测距仪或建筑激光器中的应用特别重要的示例，因为那里同时要求低成本、高精度，而且在空间上极受限制。

然而，按照本发明的通过适当的中间件减少粘结狭缝大小的方法，还可以转用到其他必须达到可比精度的光学系统上。

Claims (15)

1.用于安装和调整电子光学装置的方法，特别是这样一种方法，其中第一构件(102)在三个轴上相对于第二构件(104)进行取向，其特征在于下列步骤：

a)将第一构件(102)固定在第一承载件(108)中或者其上的第一位置上；

b)将第二构件(104)固定在第二承载件(110)中或者其上的第二位置上；

c)将该第二承载件(110)与第三承载件(124)连接

d)使该第三承载件(124)相对于第一承载件(108)进行定位和固定。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，该第二承载件(110)穿过该第一承载件(108)与该第三承载件(124)连接。

3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，该第一承载件(108)具有凹槽(122)，该第二承载件(110)至少部分地穿过该凹槽。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，该第三承载件(124)布置在第一承载件(108)的背离该第一构件(102)的一侧上。

5.按照权利要求3或4的方法，其特征在于，该第二构件(104)相对于第一构件(102)所取的位置和角度，通过调节第三承载件(124)，特别是通过在两个空间方向上相对于第一承载件(108)移动第三承载件(124)来调整。

6.按照上列权利要求中之一，特别是按照权利要求5的方法，其特征在于，该第三承载件(124)用粘结工艺固定在第一承载件(108)上。

7.按照权利要求6的方法，其特征在于，使用一种或多种光硬化的粘结材料来固定。

8.按照权利要求6或7的方法，其特征在于，透过该第三承载件(124)对粘结材料照射以进行硬化。

9.按照上列权利要求中之一的方法，其特征在于，在第二构件(104)和第一构件(102)之间的轴向距离通过第二承载件(110)对于第三承载件(124)的相对位置进行调整，

10.按照上列权利要求中之一，特别是按照权利要求9的方法，其特征在于，该第二承载件(110)与该第三承载件(124)焊接。

11.按照上列权利要求1至9中之一，特别是按照权利要求9的方法，其特征在于，该第二承载件(110)与该第三承载件(124)粘结。

12.按照上列权利要求中之一的方法，其特征在于，第一承载件(108)是印刷电路板。

13.按照上列权利要求中之一的方法，其特征在于，该第一构件(102)是光发射器，特别是激光二极管。

14.按照权利要求12或13的方法，其特征在于，该第一构件(102)与该第一承载件(108)焊接。

15.测量装置，特别是电子光学测距仪(200)，包括至少一个作为第一构件(102)的光发射器(202)，和作为第二构件(104)的形成光束的元件(204)，该测量装置按照权利要求1至14至少之一的方法进行调整。

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