CN104252014A - 一种锥形小孔光阑及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锥形小孔光阑及其制作方法，目的是提高光源和光学组件的同轴放置圆柱形凹槽与小孔光阑的同轴对准效果，从而提高光源和光学组件与小孔光阑的同轴对准精度，提高耦合效率。具体的，圆柱形实心体上设有同轴圆柱形凹槽，圆柱形凹槽的底部为工艺倒圆锥台形凹槽，倒圆锥台形凹槽的下端面设有与其同轴的小孔光阑。锥形小孔光阑的制作方法包括打磨或线切割及去毛刺处理等，无需二次钻孔。

Description

一种锥形小孔光阑及其制作方法

技术领域

本发明专利涉及一种锥形小孔光阑及其制作方法，能够使放置光源和光学组件的圆柱形凹槽与小孔光阑的同轴对准精度提高，从而使光源和光学组件与小孔光阑的同轴对准精度更高，提高耦合效率。该锥形小孔光阑及其制作方法可用于光学系统中对光源限束、控制光源光束的光能量。

背景技术

光学系统中光学元件的边缘、框架或特别设置的带孔屏障称为光阑。能进入光学系统的光束，其大小是由透镜框和其他金属框决定的。往往这样限制光束还不够，还要在系统中设置一些带孔的金属薄片来限制光束，称为光阑。光阑的通光孔一般呈圆形，其中心在光源或透镜的中心轴上，故称为小孔光阑。小孔光阑可分为分立式和集成式。分立式小孔光阑一般为中心带孔的圆形薄片，制作方法为在圆形薄片中心直接钻孔。在光学系统中使用分立式小孔光阑时，需要调节它与光源和光学组件的同轴对准。调节方法为：给光源、光学组件和小孔光阑都加上三维调整架或顶丝，根据光路追迹、光功率检测或者成像光学等光学原理反复调节光路，使光源、光学组件和小孔光阑同轴对准，调节过程比较繁琐。集成式小孔光阑一般为底板中心带孔的空心圆柱体。将光源和光学组件放入其同轴空心腔中，使光源和光学组件与底板上的同轴中心孔自动对准，无需调节。制作方法为：先将实心圆柱体钻出一个同轴圆柱形大孔作为放置光源和光学组件的空心腔，再对底板二次钻小孔制成小孔光阑。由于空心腔要放置光源和光学组件，深度一般为十几至几十毫米；而底板中心小孔的直径很小，一般为零点几毫米，扣除钻床夹持长度后，相应直径的有效钻头长度为几毫米至十几毫米。因此，从空心腔的顶部往底部钻孔，钻头不够长，需要把圆柱体从钻床上取下来翻转过来再夹持，从圆柱体的底部进行钻孔。这样，大孔与小孔就会存在同轴对准偏差。因为将工件从钻床上取下来再反过来夹持，就会引入径向对准误差，导致空心腔与小孔光阑的同轴精度明显降低。将光源和光学组件放入同轴空心腔后，它们与小孔光阑的同轴对准会有偏差，耦合效率会降低。

发明专利内容

本发明专利提供了一种锥形小孔光阑及其制作方法，目的是使放置光源和光学组件的圆柱形凹槽与小孔光阑的同轴对准精度显著提高，从而提高光源和光学组件与小孔光阑同轴对准的精度，提高耦合效率。具体的，圆柱形实心体上设有同轴圆柱形凹槽，圆柱形凹槽的底部为工艺倒圆锥台形凹槽，倒圆锥台形凹槽的下端面设有与其同轴的小孔光阑。锥形小孔光阑的制作方法是打磨或线切割及去毛刺处理等。其中，打磨深度和线切割坐标可以用公式计算得出。

本发明专利的技术方案是：

一种锥形小孔光阑，包括圆柱形实心体，沿其中心轴线设有与圆柱形实心体同轴的圆柱形凹槽，于圆柱形凹槽的底部设有与圆柱形实心体同轴的倒圆锥台形凹槽，于倒圆锥台形凹槽的下端面处设有通孔，作为小孔光阑，与倒圆锥台形凹槽和圆柱形凹槽同轴。

所述圆柱形凹槽的底面与倒圆锥台形凹槽的大底面大小相同。

所述倒圆锥台形凹槽的小底面与小孔光阑大小相同。

所述小孔光阑的直径可根据实际光学仪器的需要加工，一般为0.2mm-2mm。

所述圆柱形凹槽和倒圆锥台形凹槽的内表面设有黑色涂层。

所述黑色涂层的材料为氧化铝等金属氧化物或油漆等高分子材料。

所述圆柱形实心体的材料为不锈钢、铝等金属材料或聚甲醛、聚氯乙烯等高分子材料。

所述的锥形小孔光阑的制作方法，包括以下几个步骤：

1）用麻花钻头在圆柱形实心体上沿其中心轴线钻孔，制得圆柱形凹槽；倒圆锥台形凹槽的表面为工艺锥台面，是用麻花钻头钻孔时，钻尖在圆柱形凹槽的底部自然形成的，锥角一般为120°-170°；

2）用平面磨床从圆柱形实心体的底部外表面朝着倒圆锥台形凹槽的方向逐渐打磨，直到将倒圆锥台形凹槽的下端面打磨出所需直径的小孔光阑为止；或也可用线切割将圆柱形实心体切割出所需直径的小孔光阑；打磨深度和线切割坐标x按公式计算：x=1-h-cot(a/2)×(d₁-d₂)/2；

l，圆柱形实心体的长度；

h，圆柱形凹槽的深度；

d₁，圆柱形凹槽的直径；

d₂，小孔光阑的直径；

a，锥角；

3）对小孔光阑的内侧边缘进行去毛刺打磨处理。

所述圆柱形凹槽的直径和深度可根据所用光源的类型、尺寸和光学组件的参数来加工。

本发明专利具有如下优点：

通过改进小孔光阑的结构和制作方法，无需二次钻孔，提高了光源和光学组件的同轴放置圆柱形凹槽与小孔光阑的同轴对准精度，从而提高了光源和光学组件与小孔光阑的同轴对准效果，提高了耦合效率。

附图说明

图1为锥形小孔光阑的结构示意图。图中：1为圆柱形实心体，2为同轴圆柱形凹槽，3为倒圆锥台形凹槽，4为小孔光阑。

图2为发光二极管（LED）、滤光片、锥形小孔光阑及硅光电池组成的光学系统的结构示意图。图中：1为发光二极管压环，2为发光二极管，3为发光二极管卡环，4为滤光片，5为锥形小孔光阑，6为硅光电池，7为圆柱形空心体。

图3为发光二极管、滤光片、圆形小孔光阑与硅光电池组成的光学系统的结构示意图。图中：1为发光二极管压环，2为发光二极管，3为发光二极管卡环，4为滤光片，5为圆形小孔光阑，6为硅光电池，7为圆柱形空心体。

具体实施方式

如图1所示，一种锥形小孔光阑及其制作方法，其涉及的器件包括圆柱形实心体1、同轴圆柱形凹槽2、倒圆锥台形凹槽3和小孔光阑4。圆柱形实心体1上设有同轴圆柱形凹槽2，圆柱形凹槽2的底部为工艺倒圆锥台形凹槽3，倒圆锥台形凹槽3的下端面设有与其同轴的小孔光阑4。小孔光阑4的制作方法包括打磨或线切割及去毛刺处理等，无需二次钻孔。打磨深度和线切割坐标可以用公式计算得出。

具体实施步骤：

1）用麻花钻头在圆柱形实心体1上沿其中心轴线钻孔，制得圆柱形凹槽2；倒圆锥台形凹槽3的表面为工艺锥台面，是用麻花钻头钻孔时，钻尖在圆柱形凹槽2的底部自然形成的，锥角一般为120°-170°；

2）用平面磨床从圆柱形实心体1的底部外表面朝着倒圆锥台形凹槽3的方向逐渐打磨，直到将倒圆锥台形凹槽3的下端面打磨出所需直径的小孔光阑4为止；或也可用线切割将圆柱形实心体1切割出所需直径的小孔光阑4；打磨深度和线切割坐标x按公式计算：x=l-h-cot(a/2)×(d₁-d₂)/2；

l，圆柱形实心体1的长度；

h，圆柱形凹槽2的深度；

d₁，圆柱形凹槽2的直径；

d₂，小孔光阑4的直径；

a，锥角；

3）对小孔光阑4的内侧边缘进行去毛刺打磨处理。

实施例

自搭建光学系统，用来测试发光二极管（LED）、滤光片与锥形小孔光阑或圆形小孔光阑的耦合效率。结构示意图如图2和图3所示。一只蓝色LED作为光源，其参数为：最大发射波长，470nm；带宽，25nm；发散角，30°；光强，8400mcd；耗电功率，20mA×3.2V；直径，3mm；环氧树脂长度，5mm，香港光谷科技。干涉滤光片（最大透过波长，470nm；带宽，20nm；直径，12mm；厚度，6mm；沈阳汇博光电）用来带通透过LED波段。锥形小孔光阑（直径，0.4mm；锥角，170°）和圆形小孔光阑（直径，0.4mm）用来对LED光限束。硅光电池（最大吸收波长，850nm；半响应角，60°；光敏面积，2.65mm×2.65mm；欧司朗科技）用来检测小孔光阑出射光强的光电流。圆柱形空心体（材料，硬铝；外径，18mm；内径，12mm；长度，20mm）用来同轴放置LED压环、LED卡环和滤光片及制作锥形小孔光阑和圆形小孔光阑。圆柱形空心体、LED压环和LED卡环的表面氧化发黑处理。0.4mm直径锥形小孔光阑按照本发明专利所述制作方法用线切割制得。0.4mm直径圆形小孔光阑的制作方法为：将圆柱形空心体从钻床上取下，翻转夹持，从圆柱形空心体的底部往上进行二次钻孔制得。万用表测得，锥形小孔光阑出射光强的光电流为11.4A，圆形小孔光阑出射光强的光电流为9.4A，表明本发明使耦合效率提高了21.3%。

Claims (9)

1.一种锥形小孔光阑，其特征在于：包括圆柱形实心体（1），沿其中心轴线设有与圆柱形实心体（1）同轴的圆柱形凹槽（2），于圆柱形凹槽（2）的底部设有与圆柱形实心体（1）同轴的倒圆锥台形凹槽（3），于倒圆锥台形凹槽（3）的下端面处设有通孔，作为小孔光阑（4），与倒圆锥台形凹槽（3）和圆柱形凹槽（2）同轴。

2.按照权利要求1所述的锥形小孔光阑，其特征在于：所述圆柱形凹槽（2）的底面与倒圆锥台形凹槽（3）的大底面大小相同。

3.按照权利要求1或2所述的锥形小孔光阑，其特征在于：所述倒圆锥台形凹槽（3）的小底面与小孔光阑（4）大小相同。

4.根据权利要求1所述的锥形小孔光阑，其特征在于：所述小孔光阑（4）的直径可根据实际光学仪器的需要加工，一般为0.2mm-2mm。

5.根据权利要求1所述的锥形小孔光阑，其特征在于：所述圆柱形凹槽（2）和倒圆锥台形凹槽（3）的内表面设有黑色涂层。

6.根据权利要求5所述的锥形小孔光阑，其特征在于：所述黑色涂层的材料为氧化铝等金属氧化物或油漆等高分子材料。

7.根据权利要求1所述的锥形小孔光阑，其特征在于：所述圆柱形实心体（1）的材料为不锈钢、铝等金属材料或聚甲醛、聚氯乙烯等高分子材料。

8.一种权利要求1-7任一所述的锥形小孔光阑的制作方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

1）用麻花钻头在圆柱形实心体（1）上沿其中心轴线钻孔，制得圆柱形凹槽（2）；倒圆锥台形凹槽（3）的表面为工艺锥台面，是用麻花钻头钻孔时，钻尖在圆柱形凹槽（2）的底部自然形成的，锥角一般为120°-170°；

2）用平面磨床从圆柱形实心体（1）的底部外表面朝着倒圆锥台形凹槽（3）的方向逐渐打磨，直到将倒圆锥台形凹槽（3）的下端面打磨出所需直径的小孔光阑（4）为止；或也可用线切割将圆柱形实心体（1）切割出所需直径的小孔光阑（4）；打磨深度和线切割坐标x按公式计算：x=l-h-cot(a/2)×(d₁-d₂)/2；

l，圆柱形实心体（1）的长度；

h，圆柱形凹槽（2）的深度；

d₁，圆柱形凹槽（2）的直径；

d₂，小孔光阑（4）的直径；

a，锥角；

3）对小孔光阑（4）的内侧边缘进行去毛刺打磨处理。

9.根据权利要求8所述的锥形小孔光阑的制作方法，其特征在于：所述圆柱形凹槽（2）的直径和深度可根据所用光源的类型、尺寸和光学组件的参数来加工。