CN109696752B - 光学元器件的全自由度调节装置及其重复定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学机械领域，公开了一种光学元器件的全自由度调节装置，包括顶盖，顶盖上设置有三角分布的三个圆球；底座，底座上设有相应三角分布的三个行程槽，每个行程槽内设有一对移动块，每个移动块上设有斜面零件以使同一行程槽内的一对斜面零件形成卡口，每个卡口的位置与圆球的位置一一对应；底座上还设有驱动杆，驱动杆与移动块一一对应以驱动相应的移动块，驱动杆的一端穿过行程槽的槽壁、另一端悬空于行程槽外。本发明还公开了该装置的重复定位方法。本发明的目的是解决现有技术中能同时实现光学器件六自由度精准调节及高重复定位功能的装置体系庞大的技术问题。还提供一种光学元器件的重复定位方法。

Description

光学元器件的全自由度调节装置及其重复定位方法

技术领域

本发明属于光学机械领域，更具体地，涉及一种光学元器件的全自由度调节装置及其重复定位方法。

背景技术

在光学机械领域，为了实现某项特定的功能，通常需要对于光学元器件进行多自由度的精准调节。此外，为了调节光学元器件的光路，经常还需要频繁地进行光学元器件的装拆或替换，这个时候就需要考虑光学元器件的重复定位精度。

一些光机件厂商如Newport有基于精确约束的定位底座产品，可以实现高重复定位精度装卸，但是此类产品都不能够实现光学器件的多自由度的精准调节。如果需要进行全自由度的调节，常规的方式是在该定位底座上安装一个全自由度调节装置，如六轴平台。使用这种方式一方面会造成整个光学系统的庞大，另一方面如果需要替换的光学器件数量较多，需要装配多个全自由度调节装置，这样会使得成本过高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种同时实现光学元器件的调节及定位的紧凑型装置，其目的在于解决现有技术中能同时实现光学器件多自由度精准调节及高重复定位功能的装置体系庞大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光学元器件的全自由度调节装置，包括：

顶盖，所述顶盖上设置有三角分布的三个圆球；

底座，所述底座上设有相应三角分布的三个行程槽，每个所述行程槽内设有一对移动块，每个所述移动块上设有斜面零件以使同一所述行程槽内的一对所述斜面零件形成卡口，每个所述卡口的位置与所述圆球的位置一一对应；所述底座上还设有驱动杆，所述驱动杆与所述移动块一一对应以驱动相应的移动块，所述驱动杆的一端穿过所述行程槽的槽壁，另一端悬空于所述行程槽外。

优选地，所述顶盖上开设有第一通光口，所述第一通光口处设置有一筒体；所述筒体底面开设有安装口，所述安装口贯穿所述筒体，所述安装口与所述第一通光口连通；所述底座上开设有第二通光口，所述第二通光口位于三个所述行程槽中间。

优选地，所述第二通光口的开口尺寸大于所述筒体的截面，所述筒体穿过所述第二通光口。

优选地，所述驱动杆连接在所述移动块上。

优选地，所述移动块与所述行程槽的槽壁间设有弹簧。

优选地，所述移动块上设有挡块，所述驱动杆穿过所述行程槽的槽壁的一端置于所述挡块的一侧；所述移动块上的挡块的移动路径与其相配套的移动块的移动路径平行但不共线。

优选地，所述行程槽中设有限位台，所述限位台置于每对所述移动块之间。

优选地，所述斜面零件的材质为磁性材料，所述圆球的材质为铁。

优选地，所述顶盖与所述底座之间设有可拆卸弹簧。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种上述调节装置的重复定位方法，包括：

S1将光学元器件固定设置于顶盖上；

S2顶盖与底座相配合，调整驱动杆以使所述顶盖上的光学元器件到达指定位置，记录下各驱动杆示数；

S3拿走所述顶盖；

S4再次使用时，根据记录的各驱动杆示数，调整各个驱动杆，将上述顶盖与底座相配合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由能够取得下列有益效果：

(1)本发明提出了一种光学元器件的全自由度调节装置，通过驱动该装置中的六个驱动杆带动顶盖上的三个圆球运动可以实现光学元器件的全自由度调节，需要替换光学元器件时只需同时更换顶盖与顶盖上连接的光学元器件即可实现高重复定位精度；该定位装置同时具备上述两种功能，且结构简单，制造成本低，使用方便。

(2)本发明提出的定位装置通过顶盖自重产生的预载力即可使顶盖和底座紧紧贴合，拆卸光学元器件时，直接拿走顶盖即可实现顶盖与底座的分离，此种拆卸方式十分简单。

(3)本发明还提出了一种重复定位方法，该方法容易实施且重复定位精度高。

附图说明

图1是本发明的光学元器件的全自由度调节装置示意图；

图2是图1的爆炸视图；

图3是驱动杆运动方向示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-顶盖；2-底座；3-行程槽；4-圆球；5-驱动杆；6-斜面零件；7-移动块；8-筒体；9-安装口；10-弹簧安装孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出的装配好的光学元器件的全自由度调节装置示意图，包括安装光学元器件的顶盖1及底座2。

如图2所示，顶盖1上设置有三角分布的三个圆球4；底座2上设有相应三角分布的三个行程槽3，每个行程槽3内设有一对移动块7，每个移动块7上设有斜面零件6以使同一行程槽3内的一对斜面零件6形成卡口，每个卡口的位置与圆球4的位置一一对应，三个圆球4与三个卡口形成六个接触点可以完全约束顶盖1的六个自由度。

底座2上还设有驱动杆5，驱动杆5与移动块7一一对应以驱动相应的移动块7，驱动杆5的一端穿过行程槽3的槽壁、另一端悬空于行程槽3外。

在本实施例中，该驱动杆5优先考虑为线性促动器，线性促动器驱动相应移动块7上的斜面零件6沿着行程槽3运动，进而改变卡口的位置及卡口的开口大小；由于该装置在使用时三个圆球4是放置在卡口内的，因此随着卡口位置及开口变化，圆球4的位置及高度也随着变化，进而使得安装在顶盖1上的光学元器件的自由度产生了变化，实现了光学器件的多自由度精准调节。此外，也可以采用手动方式使驱动杆5驱动相应的斜面零件6。

更换光学元器件时，只需更换顶盖及连接在顶盖上的光学元器件即可实现高重复定位精度。

其中，对顶盖1和底座2之间施加合适的预载力可以使得顶盖1和底座2紧紧贴合。一般情况下外界干扰较小以及重复定位精度要求不高，通过顶盖1的自重产生的预载力即可使顶盖1和底座2紧紧贴合。拆卸光学元器件时，直接拿走顶盖即可实现顶盖1与底座2的分离，此种重复拆卸方式十分简单。

该定位装置解决了现有技术中一个装置不能同时实现光学器件的多自由度精准调节及高重复定位两个功能，并且该装置结构紧凑，制造成本低，使用方便。

本装置顶盖1安装的光学元器件可以为多种，既适用于通光应用环境，也适用于无需通光的应用环境。当适用于无需通光的应用环境时，如光学元器件为反射镜，将反射镜粘在顶盖1上。

当适用于通光的应用环境时，如光学元器件为微透镜阵列，可在顶盖1上开设第一通光口，第一通光口处设置一筒体8；筒体8底面开设安装口9，安装口9贯穿筒体8，安装口9与第一通光口连通；然后在底座2上开设有第二通光口，第二通光口位于三个行程槽3中间。第一通光口与第二通光口均用于满足通光需求，最后将微透镜阵列固定在安装口9处即可。

此外，为了满足一些光学元器件工作距离较短的需求，第二通光口的开口尺寸大于筒体8的截面，使筒体8穿过第二通光口。

本装置的驱动杆5驱动相应移动块7上的斜面零件6运动的方式有多种。其一，驱动杆5直接连接在移动块7上；其二，在移动块7与行程槽3的槽壁上设置弹簧安装孔10，弹簧的两端固定在弹簧安装孔10上，弹簧一直处于收缩状态，驱动杆5置于移动块7的侧面，工作时，驱动杆5与移动块7的侧面接触推动移动块7移动从而使得移动块7上的卡口的位置及开口大小随之发生变化。虽然弹簧一直处于收缩状态，但驱动杆5的一端与移动块7的侧面接触，其可对移动块7的行程进行限位，因此即使取下顶盖1，斜面零件6也要受驱动杆5位置的限制，而不能随意移动。

为了给该定位装置的驱动杆5留出足够的安装空间，在移动块7上设有挡块，驱动杆5穿过行程槽3的槽壁的一端置于挡块的一侧；移动块7上的挡块的移动路径与其相配套的移动块7的移动路径相平行但不共线。

优选地，行程槽3中还设有限位台，限位台置于每对移动块7之间。限位台用以防止同一行程槽3内的斜面零件6向彼此运动时碰撞后发生损伤。

优选地，对于重复定位精度要求高以及外部干扰较大的情况可以通过弹簧或者磁性材料等方法施加预载力。采用弹簧施加预载力时，顶盖1与底座2之间设有可拆卸弹簧。具体地，通过在顶盖1和底座2中心对称的三处地方安装三对挂钩，然后在挂钩之间挂上弹簧。采用磁性材料施加预载力时，斜面零件6的材质为磁性材料，圆球4的材质为铁，使得圆球4通过磁力吸附到斜面零件6上。

优选地，底座2上还设置有垂直方向的安装板，安装板上面设置有一系列通孔，用于安装固定底座同时安装其它零部件，可以使该定位装置的结构更加紧凑。

本发明还提供了一种光学元器件的全自由度调节装置的重复定位方法，包括：

S1将光学元器件固定设置于顶盖上；

S2顶盖与底座相配合，调整驱动杆以使所述顶盖上的光学元器件到达指定位置，记录下各驱动杆示数；

S3拿走所述顶盖；

S4再次使用时，根据记录的各驱动杆示数，调整各个驱动杆，将上述顶盖与底座相配合。具体的重复定位包括2种情况，具体为：

一、适用于一个顶盖的情况：

将光学元器件固定设置于顶盖上，顶盖与底座相配合；需要拿走该光学元器件时，记录下调整好的各驱动杆的示数，然后将该器件连同顶盖一起取下；当需要再次使用该光学元器件时，因为中途没有调整驱动杆，所以直接将该器件连同顶盖一起安装在底座上。这种情况可适用于光路系统中有时需要该光学元器件，有时又不需要的工作场景及类似情况。

二、适用于多个顶盖的情况：

将一号光学元器件安装在顶盖上，再将顶盖盖在底座上(使圆球与卡口对准)，接着对驱动杆进行调节直至达到合适的状态，记录驱动杆的示数一。需要将一号光学元器件替换为二号光学元器件时，将二号光学元器件安装到另一个顶盖上，替换原来的一号光学元器件和顶盖，接着对驱动杆进行调节直至达到合适的状态，记录驱动杆的示数二。接着每次需要在一和二号光学元器件之间切换时，先将驱动杆调节到记录的对应示数，接着连带顶盖一起更换光学元器件，就可以使得光学元器件回到合适的位置。通过选配与光学元器件数量对应的顶盖，就可以实现多个元器件的频繁替换。

在本实例中可以频繁替换不同工作距离和不同面积的光学元器件如微透镜阵列进行实验。对于常规的光学系统可以有各种应用，比如对于显微系统可以在不同的顶盖上安装不同物镜。

需要的说明的是，本实施例中的所说的驱动杆可为线性促动器，且不限于线性促动器这一种类型的驱动杆。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，包括：

顶盖，所述顶盖上设置有三角分布的三个圆球；

底座，所述底座上设有相应三角分布的三个行程槽，每个所述行程槽内设有一对移动块，每个所述移动块上设有斜面零件以使同一所述行程槽内的一对所述斜面零件形成卡口，每个所述卡口的位置与所述圆球的位置一一对应，所述顶盖通过预载力与所述底座紧紧贴合，三个所述圆球与三个所述卡口形成六个接触点；所述底座上还设有驱动杆，所述驱动杆与所述移动块一一对应以驱动相应的移动块，来调节卡口的位置及开口，所述驱动杆的一端穿过所述行程槽的槽壁，另一端悬空于所述行程槽外。

2.根据权利要求1所述的光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，所述顶盖上开设有第一通光口，所述第一通光口处设置有一筒体；所述筒体底面开设有安装口，所述安装口贯穿所述筒体，所述安装口与所述第一通光口连通；所述底座上开设有第二通光口，所述第二通光口位于三个所述行程槽中间。

3.根据权利要求2所述的光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，所述第二通光口的开口尺寸大于所述筒体的截面，所述筒体穿过所述第二通光口。

4.根据权利要求1-3任一所述的光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，所述驱动杆连接在所述移动块上。

5.根据权利要求1-3任一所述的光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，所述移动块与所述行程槽的槽壁间设有弹簧。

6.根据权利要求1-3任一所述的光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，所述移动块上设有挡块，所述驱动杆穿过所述行程槽的槽壁的一端置于所述挡块的一侧；所述移动块上的挡块的移动路径与其相配套的移动块的移动路径平行但不共线。

7.根据权利要求1-3任一所述的光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，所述行程槽中设有限位台，所述限位台置于每对所述移动块之间。

8.根据权利要求1-3任一所述的光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，所述斜面零件的材质为磁性材料，所述圆球的材质为铁。

9.根据权利要求1-3任一所述的光学元器件的全自由度调节装置，其特征在于，所述顶盖与所述底座之间设有可拆卸弹簧。

10.一种根据权利要求1-9任一所述的光学元器件的全自由度调节装置的重复定位方法，其特征在于，包括：

S1将光学元器件固定设置于顶盖上；

S2顶盖通过预载力与底座紧紧贴合，顶盖上的三个圆球与底座上的三个卡口形成六个接触点，调整驱动杆来调节卡口的位置及开口，以使所述顶盖上的光学元器件到达指定位置，记录下各驱动杆示数；

S3拿走所述顶盖；

S4再次使用时，根据记录的各驱动杆示数，调整各个驱动杆，将上述顶盖与底座相配合。

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