CN107615124B - 整体式光学安装元件 - Google Patents

Abstract

一种整体式光学安装架，具有可容纳光学元件的孔，所述孔包括：位于所述孔内圆周上第一位置处的第一脊；位于所述孔内圆周上第二位置处的第二脊；以及挠曲件，该挠曲件沿着孔的内圆周延伸到超过螺纹孔的点，所述螺纹孔从孔的外圆周穿到孔的内圆周；其中，通过转动螺纹孔中的螺钉来致动挠曲件，从而通过螺钉的尖端来调节推压挠曲件上的点的力。

Description

整体式光学安装元件

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2015年5月29日提交的申请号为62/168,207的美国临时申请的权益，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及光学安装架，具体地，本发明涉及构造成可以提供改进的光束指向稳定性和波前畸变性能的整体式光学安装元件。

背景技术

如图1所示，典型的光学夹具使用软尼龙顶端固定螺钉10将光学器件推抵两个相对的接触线20。尼龙顶端固定螺钉容易在螺纹间隙内移动，尼龙头会变柔软并随时间变形，这两个因素都会影响光学安装架的稳定性。固定螺钉的移动和变形会导致光学元件移动，从而损害光学元件的长期稳定性。

尼龙顶端固定螺钉还具有低摩擦系数，从而允许光学元件在温度循环中发生不希望的移动。其低屈服点允许尼龙顶端在通常用于保持光学元件的作用力下发生冷流。这些因素导致对光学元件以某作用力进行夹持，该作用力对于很多光学元件的保持作用来说是不足的。

另外，接触光学元件边缘的尼龙顶端通常质量差，而尼龙顶端接触表面每一部分都不同。在压配合到支撑其的固定螺钉体中之后，尼龙顶端的机械公差很难控制。尼龙顶端固定螺钉的质量变化，对于夹持光学元件的力，以及固定尼龙顶端与光学元件之间的接触区域来说，都增加了不可预测性。这种多变性使得建立预定扭矩值变得很难，而该预定扭矩值将会实现可重复的光学表面平度和保持力。

在固定光学元件时，会出现许多问题，例如可能出现以下三个问题；第一，光学平度可能受到影响，第二，会使振动力的敏感度变差，并且/或光学元件中会有双折射传入。并且在极端条件下，光学元件可能会被破坏。利用本发明，可以精确地控制对光学元件的保持力，从而即使出现大的温度偏差，也能为光学元件保持力和光学元件的变形提供清晰的平衡。

这些问题已经通过THORLAB SPOLARIS公司的Polaris-Kl型反射镜安装架得到了解决，如图2所示。该安装架使用扁簧30在光学元件与固定螺钉之间提供金属支撑。但是，这种设计有一些性能限制。

首先，使用两个固定螺钉和环氧树脂将扁簧固定就位，从而形成由不同材料构成的部件堆叠，这样一来，当暴露于极端温度变化时就可能导致移动。

其次，当有过大的固定螺钉扭矩施加到锁紧固定螺钉上时，扁簧容易形成凹坑；该凹坑将与光学器件形成单个接触点，该接触点会导致光学器件中出现高应力，而且这可能会损害光学器件的性能。

尽管POLARIS-Kl设计改进了其夹持光学元件的安全性，但是该单个接触点在光学元件的边缘上还是会产生单个高应力点。该应力导致在POLARIS-Kl内所夹持的光学器件的表面发生表面变形。即使扁簧提供了更高的光学元件推力(当将光学元件固定就位时，需要该推力来强制移除光学元件)，从图3中的光学畸变图可以看出，因为其不能像尼龙顶端固定螺钉那样屈服，所以只能轻轻地拧紧扁簧以防止光学畸变过大。该图示出了安装在由Thorlabs Inc.提供的POLARIS-Kl反射镜安装架中的6mm厚反射镜的光学畸变或平度的变化。对于6mm厚UVFS激光发射镜，推荐扭矩为6-10英寸盎司，因为这会使光学元件表面畸变低于0.1波。

在光学器件开始从其孔移出之前，第一代POLARIS产品上的10英寸盎司扭矩提供约1磅力的光学器件轴向推力。虽然这相对于在极低的推力下就开始屈服的经典尼龙顶端固定螺钉设计有所改善，然而新的整体式挠曲设计可以将推力增加到超过10lbf，同时仍维持光学元件的表面平度处于或低于0.1波。这是因为使用尼龙顶端固定螺钉设计，尼龙材料的应力导致材料的冷流和屈服，这样光学元件就能在其孔中移动。用尼龙顶端螺钉设计增加保持力的唯一方法是增加夹紧力，但是如果夹紧力超过光学元件上的应力，会导致表面畸变和双折射。

利用第一代POLARIS挠曲弹簧设计，薄扁簧的屈服和凹坑会产生小接触点。这种小的表面接触在暴露于轴向载荷时会产生高应力，并且材料超过其屈服点，从而允许光学元件移动。通过整体式挠曲设计，光学接触面积足够厚，不能在预加载下屈服，从而允许与接触点相反的脊状接触线。该接触线在更大的面积上分布应力，这样一来，允许在材料开始屈服之前承受更高的轴向载荷。尽管典型尼龙顶端固定螺钉的光学元件保持力可能对于许多受控实验室应用来说是足够的，但对于控制良好的实验室环境之外的许多工业应用来说，这还不够。

因此，希望有一种解决方案可以清除组件接头的堆叠，不同材料的堆叠以及单点高应力光学接触，并且还提供更坚固的脊状结构，这样就能更好地将光学器件保持在光学安装架内。

同时还期望能够隔离固定螺钉的高应力，使其远离光学元件接触线，接触线的精密加工表面，并且还提供由光学元件安装架提供的热膨胀和收缩所提供的一定程度隔离力。

因此，需要一种能够解决所有这些问题的新型光学安装架设计。

发明内容

新型整体式光学安装元件，可提供改进的光束指向稳定性和改进的波前畸变性能。挠曲构件和光学元件之间的接触点的位置偏离夹紧螺钉接触挠曲构件的点。该布置通过从该几何结构产生的弹簧作用产生高度稳定的夹紧力。该布置允许挠曲夹紧臂沿着得到有效控制的接触线来接触光学元件。用偏移锁紧螺钉将该接触线推入光学元件的边缘。当锁紧螺钉被推进去时，挠曲构件弯曲并枢转，从而弥补在制造中出现的小错误。

在一些重要方面，本发明的实施例与其它光学安装装置不同。接触线、偏移锁紧螺钉和由这些元件的定位产生的弹簧力的结合都会形成改进的光学保持机构。

本发明的一个实施例提供了一个整体式光学安装架，该光学安装架具有可容纳光学元件的孔，所述孔包括：位于孔内圆周上第一位置处的第一脊；位于孔内圆周上第二位置处的第二脊；以及一个挠曲件，沿着孔的内圆周延伸到超过螺纹孔的一个点，螺纹孔从孔的外圆周穿到孔的内圆周；其中通过转动螺纹孔中的螺钉来致动挠曲件，从而通过螺钉的尖端来调节顶在挠曲件上的点的力。

本发明的各种实施例将所有上述所需的功能组合成一个整体式设计。本发明提供光学安装架，其确保将光学器件夹持在了适当的位置，并且具有非常低的光学畸变和非常优秀的稳定性。低畸变安装机构提供了量化和可调的作用力组合，作为额外的优点来说，这可以使其在一定范围的环境条件中相对恒定。对安装力的位置进行控制，以便可以使光学元件上的扭曲力最小化，同时提供足够的夹紧力以满足高性能光学系统的需要。

所描述的设计可应用于大范围的光学器件，这些器件可反射，传输或处理光场。

附图说明

图1示出了由Thorlabs Inc.所提供的具有尼龙顶端固定螺钉的典型反射镜安装架的安装特征。

图2示出了由Thorlabs Inc.提供的POLARIS-Kl反射镜安装架的安装特征。

图3示出了安装在由Thorlabs Inc.提供的POLARIS-Kl反射镜安装架内的6mm厚反射镜的光学畸变或平度的变化。

图4示出了根据实施例的光学安装元件。

图5示出了根据实施例的光学安装元件的夹紧臂和锁紧螺钉的近视图。

图6是根据实施例的光学安装元件的等距视图。

图7A-7C示出了用于19mmOD、1英寸OD和2英寸OD光学器件及其相关联的夹持臂的透镜单元的示例。

图8示出了波前畸变数据和测量。

图9示出了推力测量。

图10示出了波前畸变与固定螺钉扭矩的关系曲线。

图11示出了光学推力与固定螺钉扭矩的关系曲线。

具体实施方式

旨在结合附图来阅读对根据本发明的原理的说明性实施例的描述，附图应视为整个书面描述的一部分。在本文公开的发明所进行的实施例描述中，对于方向或取向的任何参考仅仅是为了便于描述，并非旨在以任何方式限制本发明的范围。相关术语如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”，以及衍生术语(例如“水平地”、“向下”、“向上”等)应该解释为是指正在讨论的附图中所描述或展示的方向。这些相关术语仅为了便于描述，并且除非明确指出，不要求将设备在特定方向上进行构造或操作。除非另有明确说明，否则诸如“附加”、“连接”、“耦合”、“相互联系”以及类似的术语是指结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附着的关系，以及可移动或刚性附着或关系。此外，通过参考示例性实施例来说明本发明的特征和优点。因此，本发明不应限于这样的示例性实施例中，其示出了一些可能的非限制性特征组合，这些特征可以单独存在或与其它功能进行组合；本发明的范围由所附权利要求限定。

本公开内容描述了目前预期的实施本发明的最佳模式。本说明书并非旨在被理解为具有限制意义，而是通过参考附图提供本发明的实例来进行说明，从而告知本领域普通技术人员本发明的优点和结构。在附图的各种视图中，相同附图标记表示相同或相似部分。

值得注意的是，本文中所公开的实施例仅仅本文的创新性教导的有利用途的实例。通常，在本申请的说明书中作出的陈述不一定限制各种所请求保护的发明。此外，一些表述可能适用于某些创造性特征，但不适用于其它。除非另有说明，通常单数元素可以是复数形式，反之亦然，而且不失一般性。

接下来继续对本发明进行描述，在讨论中，将假设由光学级熔石英制成的激光反射镜，该激光发射镜的直径为2英寸并且厚度为12mm，而且具有0.1波的表面平度，在这里将其称为反射镜。该反射镜还有一个12mm宽的边缘和适度的倒角，同时边缘垂直于反射镜表面。当与其他尺寸的反射镜以及非镜像光学元件一起操作时，本发明的实施例提供许多优点。因此，不应将上述反射镜的使用仅视为激光镜的应用，而应包括在反射或透射中使用的任何光学元件或两种模式的一些组合。

图4示出了根据本发明的实施例的双板反射镜安装架的前板。当拧紧锁紧螺钉时，夹紧臂可自由弯曲。由于光学元件的边缘受到很好的控制，所以夹紧臂只需要沿着要求的方向弯曲一小部分，以便夹紧光学元件的整个边缘。在项目(item)100中，包括光学元件承接座的整个前板是完全独立的整体式透镜单元，这样与光学元件接触的所有结构都包含在相同的实施例中。项目110整个夹紧臂和锁紧螺钉内置在系统中，并设计成使得光学元件保持力稳定性更佳，同时使引起畸变的应力最小化。图5是项目110完整夹紧臂和锁紧螺钉的近视图，图6示出了图4中所示的前板的等距视图。

项目120夹紧臂的渐进挠曲部分旨在提供脊状机械结构，该结构在振动和热波动下都是稳定的。这通过使挠曲件有尽可能大的材料宽度和厚度，并且在提供最大结构完整性的厚轮廓中实现。这种做法明显地减少了通常与大多数薄型材挠曲设计相关联的结构不稳定性，由于影响结构内区域热容的材料横截面的差异，导致了系统内的极端温度差(temperature deltas)。

挠曲臂形状被优化处理而且厚度逐渐增加，以允许沿挠曲结构的整个区域更完整的均匀应力分布。这种具有其横截面调整的渐进设计还允许更好地控制材料中的应力，随着时间的推移，明显提高了整个结构的稳定性，特别是当器件暴露于温度变化中的时候。厚壁挠曲夹紧臂也被调整为通过扭矩扳手就容易实现的固定螺杆扭矩。该系统也更符合标准，允许操作者在没有扭矩扳手的帮助下固定光学元件。这个额外的特征源于关键元件的几何结构，而这些关键元件形成了光学元件的弹簧载荷。这种几何结构实现了挠曲屈服和弹簧加载力之间的平衡。

值得注意的是，项目120夹紧臂的渐进挠曲部分是沿其后边缘进行自由切割的，以便形成挠曲臂，该挠曲臂设计成弯曲状来用作光学元件的夹具。

项目100包括光学元件承接座的整个前板通过项目130夹紧臂光学元件接触线和项目140、140’固定光学元件接触线与光学元件进行接触。如图6所示，项目130夹紧臂光学元件接触线是脊状的，并提供在光学元件夹紧臂的半径与光学器件边缘的外径之间的接触点切线。根据一些示例性实施例，图7A-7C分别示出透镜的夹持臂(a)19mmOD、(b)l英寸OD和(c)2英寸OD。这种接触线允许沿着光学器件边缘更均匀地分布接触应力。这个较大的接触面积允许了更大的光学器件夹持力。此外，夹紧臂的渐进挠曲部分120设计为能够柔性弯曲，以符合整个光学元件170的边缘，以至于反射镜沿着130夹紧臂光学接触线的整个长度进行固定，甚至对还未完全形成边缘的光学元件提供了分布式接触线。

与项目130厚轮廓夹紧臂光学接触线的位置相关，项目140、140’固定光学接触线已经沿着反射镜的周边进行最佳定位，以提供最佳的整体产品性能。当夹紧力提升时，典型的产品性能变得更高，同时降低光学元件的畸变。

使用有限元分析来优化机械设计，同时使用激光干涉仪测量来验证结果。图8示出了表格，该表格是关于在指定扭矩值下，移动保持光学元件所需的力以及相应的波前畸变。此外，使用干涉仪来验证本文所述的有限元分析驱动的设计的几种普通光学元件直径和厚度的表面平度。注意：(a)推力是在给定扭矩值下移动所夹持的光学器件所需的力，以及(b)对于这些测量，Zygo干涉仪孔径外径被设置为80％。这些值代表多个独立测试的最小值和最大值。

在可能接触角的整个跨度上进行计算和测量。已经证实，当暴露于轴向推力时，120度的均匀接触角间距提供了最佳的光学元件保持力性能，并且已知在现场内具有最小的光学元件表面畸变。对所有三个接触线的表面粗糙度也进行谨慎控制，使其与光学元件径向边缘上的表面粗糙度相匹配，以便提供最大的摩擦系数。

项目150渐进光学预紧弹簧托板具有四个功能：(1)允许更好地调谐夹紧螺杆扭矩，从而强制传递到光学接触线；(2)防止应力转移到光学接触区域，使接触线保持直线和脊状；(3)提供弹簧作用力，来预载并防止过大的夹紧力损失，因为当材料暴露于热收缩中时，夹紧力损失可能会导致光学元件松动；(4)当材料暴露于热膨胀中时，它可提供应力抑制，其好处包括由于反射镜中的畸变导致的较低波前畸变，透过反射镜引起任何光的偏振变化的较低双折射，以及由于反射镜的较少移动导致的更好的指向稳定性。

项目160锁紧螺钉将从六角螺钉刀施加的扭矩转换成力。然后通过项目150渐进光学预载弹簧托板转移该作用力，使其将其负载转移到开始移动的项目120夹紧臂的渐进挠曲部分，直到项目130夹紧臂光学元件接触线与项目170整个光学元件的外径进行接触。一旦项目160锁紧螺钉完全扭转，光学器件就会被稳固地安装就位。同样要注意的是，夹紧臂的120渐进挠曲部分还在160锁紧螺钉上提供了预紧力，有助于防止锁紧螺钉松动。

包括光学元件承接座的100完整前板由一块材料制成，该材料消除了组件和不同材料的所有堆叠。

对三个精密加工的接触线的表面粗糙度和质量进行精心的控制，以便以较低的反射镜夹持力来提供较大的反射镜保持力。在特定的固定螺杆扭矩的情况下，挠曲弹簧还可用来在反射镜上提供已知的夹紧臂负载。图9和11示出了根据一些实施例的两个示例性光学安装架的光学推力与固定螺杆扭矩的关系曲线。在图11中，更高力定制弹簧可适于20G以上的应用(作用力被逐渐应用到光学器件的背面)。这与不对给定扭矩提供均匀夹紧力的尼龙顶端固定螺钉恰恰相反。本发明与POLARIS-Kl设计相反，因为POLARIS-Kl设计容易在过紧时，弹簧板发生变形。

根据示例性实施例，图10示出了波前畸变与固定螺钉扭矩的结果，使用TD24扭力批，并且将光学安装架持在手中。项目110整个夹紧臂和锁紧螺钉，固定螺钉的扭矩与固定光学元件的畸变之间的关系是本发明实施例的重要特征，因为使用者可以在反射镜畸变与对机械冲击或震动的敏感性之间选择合适的权衡。当提供预定的扭矩值时，客户将能够在光学元件表面平度和光学元件保持力之间重复地实现所期望的平衡。夹具可以容纳大范围的厚度，如果需要，还可以将其进行优化，从而可以夹持厚度为1/16英寸或更小的光学元件，从而允许对非常薄的光学元件进行保持。

实施例的一些优点包括：

·更好的光束指向稳定性。整体式匹配的CTE材料，结构更坚固。

·更强的光学元件保持力。更坚固的结构使其形状维持在负载状态并能继续保持光学元件。

·较低的光学元件表面畸变，其中包括热衰减。更大的接触面积和维持其形状的接触结构。

·整体式设计使其更易于对高真空应用进行清洁。没有重叠和封闭的区域来存留污染物和气体。

·提供外观独特而且吸引人的工业设计，同时其设计功能很直观。

关于已描述的这些实施例，虽然已经非常详细地描述了本发明，但是并不是要将其限制于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例中，而应参照所附权利要求书对其进行理解，以便根据现有技术对这些权利要求提供最广泛的解释，从而有效地涵盖了本发明的预期范围。

本文所述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人为促进本领域而贡献的概念，并且将被解释为不限于此类特定陈述的例子和条件。

并且，本文中所有陈述列举了本发明的原理、特征和实施例，且其具体实例旨在涵盖其结构性和功能性的等同物。此外，旨在这样的等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即不管其结构如何，所开发的可执行相同功能的任何元件。

Claims (7)

1.一种整体式光学安装架，具有用于容纳光学元件的孔，该孔包括：

位于所述孔的内圆周上的第一位置处的第一脊(140)；

位于所述孔的内圆周上的第二位置处的第二脊(140')；以及

从沿着所述孔的内圆周延伸到超过螺纹孔的点的挠曲件(150)，该螺纹孔从所述孔的外圆周穿到了所述孔的内圆周；

其中通过转动所述螺纹孔中的螺钉(160)来致动所述挠曲件，从而通过螺钉的顶端来调节推压在挠曲件上的点的力的大小；

其中，所述挠曲件包括与所述螺纹孔偏离的第三脊(130)。

2.根据权利要求1所述的光学安装架，其中，所述挠曲件用于使所述挠曲件的一部分进行柔性地弯曲，以便符合所述光学元件的边缘轮廓。

3.根据权利要求1所述的光学安装架，其中，所述挠曲件的一部分(120)的厚度逐渐增加。

4.根据权利要求1所述的光学安装架，其中，所述第一脊、第二脊和第三脊(140、140'和130)彼此间隔开120度。

5.根据权利要求4所述的光学安装架，其中，所述第一脊、第二脊和第三脊(140、140'和130)根据所述光学元件的边缘的表面处理而进行表面处理，以便使脊和所述光学元件的边缘之间的摩擦最大化。

6.根据权利要求1所述的光学安装架，其中，所述安装架被校准以针对螺钉上的给定扭矩在光学元件上提供已知的夹紧力。

7.根据权利要求1所述的光学安装架，其中，所述安装架被校准以针对螺钉上的给定扭矩在光学元件上提供已知的波前畸变。

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