CN108784645B - 一种光学镜组的切换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学镜组的切换装置，包括底板以及垂直固定在底板上的驱动平台，还包括固定在底板上的前镜组和后镜组；待切换镜组模块位于前镜组和后镜组之间，待切换镜组模块通过定位模块嵌入在底板上；驱动平台水平部上固定有驱动电机以及与驱动电机转轴固定连接的滚珠丝杆，驱动平台竖直部上固定有导轨，驱动平台竖直部沿纵向还依次设有两个光电传感器；待切换镜组模块包括镜组以及与镜组弹性连接的预压板，预压板上还固定有与滚珠丝杆相互配合连接的丝杆螺母以及可沿导轨上下移动的滑块，预压板上还连接有触发光电传感器的触发部。本发明切换装置无需手动操作、且可保证在多次切换过程中各镜组的光轴同轴精度。

Description

一种光学镜组的切换装置
技术领域
本发明涉及一种光学镜组的切换装置，属于光学设备技术领域。
背景技术
光学相干断层扫描成像(OCT，Optical Coherence Tomography)是一种三维成像技术，它具有广泛的应用领域，特别是在生物医学成像，包括眼科、心血管、皮肤科等诊断成像。OCT成像技术具有高分辨率、成像速度快和灵敏度高的优点。自从1996年第一台商用OCT成像设备问世以来，OCT技术极大的推动了医学诊断，特别是眼科诊断学的发展。OCT图像的对象有两种，一种是视网膜OCT图像，即光学设计的物面落在视网膜上，系统对视网膜采取OCT图像；一种是眼前节OCT图像，即光学设计的物面落在角膜上，系统对眼前节采取OCT图像。现有的OCT市场中，相当部分的产品同时覆盖了眼前节和眼后节扫描功能，而针对眼前节成像功能和眼底成像功能的切换各有不同方式。
光学仪器的镜组切换包括外部切换和内部切换，外部切换方式如专利US2008/0106696A1需要使用者手动操作，便利性较差，且难以兼顾内固视灯；有些内部切换方式如CN102438505是依靠多片平面反射光学元件，进行两个独立的光路之间的切换，造成光路复杂，要求定位精度高，安装和校准困难，结构尺寸庞大；内部切换方式如US8427654和US20080106696A1，通过将系统中间像面移动到眼前方式，可用视场比较小，并且这中设计难以实现远心成像，限制了该系统定量测量的能力。且用户操作不便，需要手动切换镜组，精密光学镜组外露，大大增加了损坏的风险。因此一种操作方便(无需手动操作)、且可保证重复精度的光学镜组切换装置的开发很有必要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种光学镜组的切换装置，该切换装置无需手动操作、且可保证在多次切换过程中各镜组的光轴同轴精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
一种光学镜组的切换装置，包括底板以及垂直固定在底板上的驱动平台；待切换镜组模块通过定位模块嵌入在底板上；所述驱动平台水平部上固定有驱动电机以及与驱动电机转轴固定连接的滚珠丝杆，驱动平台竖直部上固定有导轨，所述驱动平台竖直部沿纵向还依次设有两个光电传感器；待切换镜组模块包括镜组以及与镜组弹性连接的预压板，预压板上还固定有与滚珠丝杆相互配合连接的丝杆螺母以及可沿导轨上下移动的滑块，所述预压板上还连接有触发光电传感器的触发部。
其中，所述滚珠丝杆穿过丝杆螺母和预压板后固定在底板中。
其中，所述镜组底部设有环形定位区域，环形定位区域上等距设有多块磁铁，相邻磁铁间设有V型槽，多个V型槽也等距排布在环形定位区域中；底板上也设有环形定位部，环形定位部上也等距设有多块磁铁，相邻磁铁间设有钢珠，多个钢珠也等距排布在环形定位部内；镜组底部的磁铁与底板上的磁铁相互对应设置(相互吸引)，钢珠嵌入V型槽中完成待切换镜组模块在底板上的定位。
其中，所述镜组底板上设有通孔，所述预压板上设有与通孔一一对应的螺纹孔，镜组与预压板通过连接螺钉连接，连接螺钉外套设有弹簧，连接螺钉依次穿过弹簧和通孔后与螺纹孔通过内外螺纹相互配合连接。这样的连接方式能够实现镜组与预压板的相对移动。
上述光学镜组的切换装置在扫频OCT成像系统中的应用。
通过切换装置形成两种检测模式，两种检测模式分别为视网膜检测模式和眼前节检测模式。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明切换装置的光学设计采用共享的单光路，单光路的设计大大减少空间，减少系统中光学元件和机械组件的数量，切换装置中的定位模块保证了整个光学镜组的重复精度，并且大大降低了装配和校准的难度，从而有效降低了成本。本发明系统结构紧凑、可靠性高、易于装配。当将本发明光学镜组的切换装置应用在扫频OCT成像系统中时，待切换镜组处于光路外时，用于视网膜的成像，当把镜组切换进入光路时，用于眼前节的成像。本发明切换装置可用于各类光学仪器和设备中进行镜组切换。
附图说明
图1为SS-OCT的系统原理图；
图2为本发明切换装置应用于扫频OCT成像系统中的光学设计的原理图；
图3为本发明切换装置应用于扫频OCT成像系统中得到的视网膜OCT图像；
图4为本发明切换装置应用于扫频OCT成像系统中得到的眼前节OCT图像；
图5为本发明切换装置的结构示意图I；
图6为本发明切换装置的结构示意图II；
图7为镜组与预压板的爆炸图；
图8为镜组与预压板的结合原理图；
图9为定位模块的结合原理图；
图10为接触应力导致的应力形变示意图；
图11为待切换镜组模块与底板的结合示意图；
图12为钢珠受力分析原理图；
图13为本发明应用于扫频OCT成像系统中处于视网膜检测模式的结构示意图；
图14为本发明应用于扫频OCT成像系统中处于眼前节检测模式的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图5～14所示，本发明光学镜组的切换装置，包括底板16以及垂直固定在底板16上的驱动平台，前镜组4和后镜组1通过底板16连接，即前镜组4和后镜组1均固定在底板16上；待切换镜组模块2通过定位模块嵌入在底板16上，待切换镜组模块2位于前镜组4和后镜组1之间；驱动平台的水平部21上固定有驱动电机5以及与驱动电机5转轴固定连接的滚珠丝杆17，滚珠丝杆17穿过丝杆螺母20和预压板3后固定在底板16中；驱动平台的竖直部22上固定有导轨8，驱动平台竖直部22沿纵向还依次设有两个光电传感器19；待切换镜组模块2包括镜组9以及与镜组9弹性(柔性)连接的预压板3，预压板3上还固定有与滚珠丝杆17相互配合连接的丝杆螺母20以及可沿导轨8上下移动的滑块7，预压板3上还连接有触发光电传感器19的触发部18；本发明用于扫频OCT不同检测模式的切换装置还包括系统控制部，驱动电机5和光电传感器19均与系统控制部连接。
光电传感器19用来识别镜组9的位置，利用固定在待切换镜组模块2上的触发部18来触发光电传感器19(光电开关)。当驱动平台竖直部22上部的光电开关被触发时，即光电传感器19接收端接收不到激光发送端发来的激光时，即触发部18位于上端光电传感器19的激光发送端与接收端之间时，上端的光电传感器19感应到这一信号，并将该信号发送给系统控制部，系统接收光电开关的信号，确认此时OCT系统处于视网膜检测模式；驱动平台竖直部22下部的光电开关被触发时，即光电传感器19接收端接收不到激光发送端发来的激光时，即触发部18位于下端光电传感器19激光发送端与接收端之间时，下端光电传感器19感应到这一信号，并将该信号发送给系统控制部，系统接收光电开关的信号，确认OCT系统处于眼前节检测模式。
其中，镜组9底部设有环形定位区域24，环形定位区域24上等距设有三块磁铁3，相邻磁铁3间设有V型槽15，三个V型槽15也等距排布在环形定位区域24中；底板16上也设有环形定位部25，环形定位部25上也等距设有三个磁铁13，相邻磁铁13间设有半圆形钢珠14，三个半圆形钢珠14也等距排布在环形定位部25内；镜组9底部的磁铁13与底板16上的磁铁13相互对应设置，半圆形钢珠14嵌入V型槽15中完成待切换镜组模块2在底板16上的定位。
本发明切换装置的主要目的为保证待切换镜组模块2的光轴与前镜组4和后镜组1组成的光轴同轴，当将本发明光学镜组的切换装置应用在扫频OCT成像系统中时，当待切换镜组模块2切换至外部时(主光路外)，OCT系统为视网膜检测模式，当待切换镜组模块2切换至内部时(主光路中)为眼前节检测模式。
镜组底板12上设有通孔23，预压板3上设有与通孔23一一对应的螺纹孔26，镜组9与预压板3通过连接螺钉10连接，连接螺钉10外套设有弹簧11，连接螺钉10依次穿过弹簧11和通孔23后与螺纹孔26通过内外螺纹相互配合连接。通过四组连接螺钉10和弹簧11提供的预紧力，把镜组9压在预压板3上。从而镜组9虽被连接在预压板3上但仍相对于预压板3处于可运动状态，即两者为弹性连接关系。这样通过磁铁13给镜组9施加一个预紧力的情况下，保证当磁铁13间相互作用时，镜组9在弹簧11作用下相对预压板3有一定的缓冲调节，从而防止镜组9过约束带来的重复定位精度的失效。
本发明切换装置中的定位模块采用三个精密钢珠14和对应的三个V型槽15来约束镜组9与底板16的五个自由度，外加一个预紧力实现第六个自由度的约束。从而实现待切换镜组模块2与底板16的精密重复定位。
按照接触应力计算钢珠球面和V型槽面的形变为：
Figure BDA0001734444150000041
其中：
δs：接触应力导致的钢珠和V型槽面接触点的形变；
R：钢珠的半径；
E1：钢珠材料的弹性模量；
v1：钢珠材料的泊松比；
E2：V槽材料的弹性模量；
v2：V槽材料的泊松比；
F：钢珠受到的载荷；
三对小圆柱磁铁13通过相互作用力提供预紧力。钢珠14的负载由三对小圆柱体磁铁13提供，取每对磁铁13提供的磁力为3N。假设镜组9的重量为150g，即1.5N。所以每个钢珠14受到的总负载Ftotal为4.5N。
因此，钢珠与V型槽面的接触载荷F计算如下：
Figure BDA0001734444150000051
Figure BDA0001734444150000052
钢珠为不锈钢，其材料属性为：
R＝4mm；
E1＝210×109pa；
v1＝0.28；
V型槽的材料为铝合金AL6061，其材料属性为：
E2＝82×109pa；
v2＝0.206；
把以上参数代入形变方程式(1)中，得：
δs≈0.72μm。
根据计算结果，可以看出本发明切换装置的重复精度能控制在微米级。
本发明切换装置能够使光学仪器内的光学组件在反复切换下仍能达到良好的重复精度，同轴度方向精度为+/-0.03mm，倾斜方向为2′。本发明切换装置在每次切换时以及经过多次切换后，仍能使光学仪器内的光学组件满足光学设计的要求，成像质量也达到光学设计的预期效果。如图3和图4即为将本发明切换装置应用在扫频OCT成像系统中时获得的视网膜OCT图像和眼前节OCT图像。

Claims (6)

1.一种光学镜组的切换装置，其特征在于：包括底板以及垂直固定在底板上的驱动平台；待切换镜组模块通过定位模块嵌入在底板上；前镜组和后镜组均固定在底板上，待切换镜组模块位于前镜组和后镜组之间；所述驱动平台水平部上固定有驱动电机以及与驱动电机转轴固定连接的滚珠丝杆，滚珠丝杆穿过丝杆螺母和预压板后固定在底板中；驱动平台竖直部上固定有导轨，所述驱动平台竖直部沿纵向还依次设有两个光电传感器；待切换镜组模块包括镜组以及与镜组弹性连接的预压板，预压板上还固定有与滚珠丝杆相互配合连接的丝杆螺母以及可沿导轨上下移动的滑块，所述预压板上还连接有触发光电传感器的触发部。
2.根据权利要求1所述的光学镜组的切换装置，其特征在于：所述滚珠丝杆穿过丝杆螺母和预压板后固定在底板中。
3.根据权利要求1所述的光学镜组的切换装置，其特征在于：所述镜组底部设有环形定位区域，环形定位区域上等距设有多块磁铁，相邻磁铁间设有V型槽，多个V型槽也等距排布在环形定位区域中；底板上也设有环形定位部，环形定位部上也等距设有多块磁铁，相邻磁铁间设有钢珠，多个钢珠也等距排布在环形定位部内；镜组底部的磁铁与底板上的磁铁相互对应设置，钢珠嵌入V型槽中完成待切换镜组模块在底板上的定位。
4.根据权利要求1所述的光学镜组的切换装置，其特征在于：所述镜组底板上设有通孔，所述预压板上设有与通孔一一对应的螺纹孔，镜组与预压板通过连接螺钉连接，连接螺钉外套设有弹簧，连接螺钉依次穿过弹簧和通孔后与螺纹孔通过内外螺纹相互配合连接。
5.权利要求1所述光学镜组的切换装置在扫频OCT成像系统中的应用。
6.根据权利要求5所述光学镜组的切换装置在扫频OCT成像系统中的应用，其特征在于：通过切换装置形成两种检测模式，两种检测模式分别为视网膜检测模式和眼前节检测模式。
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