CN110286458A - 一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统和方法，其系统包括：一个定位盘，若干用于搭载光学功能组件和定位的方块。定位盘由上表面水平的底板、底板上两个互相垂直的靠体构成，底板上还可有一可移动载板。各定位方块的水平截面为矩形。利用方块底部紧贴光学底板或载板实现垂直方向的定位，利用方块边缘与靠体贴合及相邻方块边缘间相互贴合，实现水平方向的位置定位。根据不同的光路设计，在需要位置的方块上搭载光学功能组件；通过连接结构，将所有光学功能组件的中心点，位于同一高度，光发射组件通过机械调整，使得出射光跟定位方块侧边和底面平行，其他光学组件的中心点跟出射光的高度一致。实现光学系统基本准确的定位。

Description

一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统和方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及对光路中各光学功能组件的定位系统和方法，特别涉及一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统和方法。

背景技术

目前在实验室，光学系统搭建时，都需要用多维调节架对系统进行光路调节，在一些复杂的光学系统中，需要耗费大量的工作在光路搭建上。而且，由于光路自由度太高，系统几乎不具有重复性，每次光路结构发生变化时，都需要对系统进行再次调整，浪费大量时间精力。为克服现有技术的不足，本发明提供一利用方块结构，实现可重构的光学定位系统和方法。可快速实现光路中光学功能组件的搭建定位，且可方便重构。

发明内容

本发明的一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统和方法，其系统包括：一个定位盘，若干（至少两个）用于搭载光学功能组件和定位的方块。定位盘由上表面水平的底板、底板上至少两个互相垂直的靠体构成。各定位方块的底面可与底板上表面贴合，方块的侧面垂直底面可与靠体及不同方块的侧面贴合，全部或部分方块的顶面可搭载光学功能组件，方块的水平截面为矩形，可以是相同大小的矩形，也可是模数化设计。所谓模数化设计即：平面大小以一个最小边长的正方形为基本单元，可设计长或宽为最小边长整倍数的长方形或正方形。比如：其本单元为1×1，模数化设计的其他方块可以是1×2、1×3、2×2，等等。本发明所说的方块，并不要求是几何学上严格的六面体，各边角可以有倒角或圆滑过渡。故其可能会表现为多棱柱体（比如四个侧棱位置都加工有倒角时，会成为几何学上的八棱柱），但只其用于彼此贴合的侧面为四个面，都属于本发明所说的方块。

底板上可以加上一可移动的载板，载板有两垂直的侧边可贴合靠体，方块的底面可与载板的上表面贴合。

定位方法是：以定位盘的底板或载板为垂直（高度）方向的定位基准，以底板上的两个侧面靠体为两个水平方向的定位基准。利用方块底部紧贴光学底板实现垂直方向的定位，利用方块侧面与靠体贴合及相邻方块侧面间相互贴合，实现水平方向的位置定位。这样可实现快速准确定位。

根据不同的光路设计，在需要位置的方块上搭载光学功能组件；上层光学功能组件，通过连接结构，将所有功能组件的中心点，位于同一高度，光发射组件(比如激光器，准直器等)，通过机械调整，使得出射光跟定位方块侧边和底面平行，其他光学组件的中心点跟出射光的高度一致，并且通过调整光纤组件，使得光通过组件后，不改变光的位置和角度，这样从一个放光组件出射的光，经过若干个光学组件后，可以顺利进去最终的功能光学组件，比如准直器，探测器等。各种光学功能组件设计成，相对于方块上表面出光或入光位置高度相同，水平位置一致。根据光路的需要，将若干搭载了光学功能组件的方块置于底板上方块阵列的相应位置，就可以实现光学系统基本准确的定位。方块上也可以再加一些微调结构，再对光学功能组件进行一些微调，进一步提高不同方块上光学组件的对准耦合精度。

通常情况下，全部采用采用大小一致的基本单元的方块就可满足需要。而采用模数化设计的不同大小的方块，则可满足更灵活的需求，并可提高定位效率和精度。比如，在光学功能组件底部超过基本单元方块大小时，可用较大的方块；相邻光学功能组件距离较大时，可选用合适规格的方块。这样，整个光学系统减少了方块的数量，定位速度更快，精度更高。

这种光学定位系统和方法，搭载或未搭载光学功能组件的方块，可以任意用其他方块替换，从而实现光路的快速搭建和重构。

本发明中具有限位作用的底板，靠体和方块，采用方便加工的刚性材料，材料可以是但不仅限于不锈钢，铝合金，陶瓷，石英，单晶硅等。这些材料易加工，可以确保表面平整度，有较好耐磨性，稳定性。利用一定加工工艺一体成型，从而减少加工误差。

为实现方块与靠体、方块与底板或载板、方块与方块间的贴合，可以让其自然贴合，但为了实现更可靠的贴合，可采用以下不同的技术方案：

一种方案为，方块采用磁性材料（指能对磁场以某种方式反应的材料，而不是磁体本身，就本发明来说指能被磁体吸附的材料），并在四个侧面嵌入磁体。这样相邻方块靠近时互相吸附，实现紧密贴合。靠体也可采用磁性材料，实现方块与靠体的紧密贴合。

还可在方块的底面嵌入磁体，同时底板采用磁性材料，实现方块与底板间的紧密贴合。但在使用载板时，最好是定位盘采用非磁性材料，而载板采用磁性材料，这样方块与载板吸附成为一个整体，而与定位盘间并不吸附，方便将载板和方块整体移出定位盘，形成一个独立的功能模组。

另一种方案为，方块之间用胶水粘结，实现紧密贴合。等胶水固定后，还可移出定位盘，组装成独立的功能模组，胶水可以采用可降解材料，方便二次拆卸，重组。更优的方案则是使用载板，方块与载板之间亦用脱水粘结，载板和定位方块整体形成功能模组。

本发明中，凡是涉及到出光元件，比如激光发射元件，或者光纤准直器等，可以通过调节架，或者预固定，使得从该方块出射的光束，完全平行于方块底部和侧面，使得只要方块和方块之间，只要紧贴底部和靠体，就能使得光束顺利从一个方块，传输到另一个方块，被另一个方块的准直器或者功率计等任意探测器接收。光学功能组件的连续结构，光路的预调准，可以采用各种现有技术的手段，方块上根据需要也可以再加一些微调机构，方便进一步提高对准精度和耦合效率。

如上所述，本发明中利用方块和靠体，以及方块和方块之间的紧密贴合，实现每个方块光学元件的精确定位，简单快捷。方块上的光学功能组件，可以通过调节架，或者预调节固定，使得光路通过该光学元件后，对光路的角度和位置不产生任何影响，从而实现任意光学元件之间的替换，重构。

附图说明

图1为本发明实施例1-1的俯视示意图；

图2为发明实施例1-1的立体示意图；

图3为本发明实施例1-2的立体示意图；

图4为本发明实施例2-1的立体示意图；

图5为本发明实施例2-2的立体示意图。

图中：1.定位盘，11.底板，12.靠体；2.方块，21.磁体；3.载板；4.准直器。

具体实施方式

实施例1-1

如图1和图2，一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统。包括定位盘1和用于定位的若干方块2。定位盘1由上表面水平的底板11和互相垂直的内侧平直的靠体12构成；图中的各方块2的平面为大小相同的正方形，平面大小也可以模数化设计，即平面大小以一个最小边长的正方形为基本单元，可设计长或宽为最小边长整倍数的长方形或正方形。

方块2采用磁性不锈钢或其他磁性材料，整体加工成形。方块2的每个侧面嵌入磁体21。磁体21的位置避开中间位置，统一靠左或靠右，各磁体21嵌入的极性方向相同（即向外统一为N极或统一为S极）。

使用本实施例定位系统的定位方法是：以定位盘1的底板11为垂直（高度）方向的定位基准，以底板11上的两个侧面靠体12为两个水平方向的定位基准。利用方块1底部紧贴底板11实现垂直方向的定位，利用方块1边缘与靠体贴合及相邻方块边缘间相互贴合，实现水平方向的位置定位。由于方块2各侧面嵌有磁体21，可使相邻方块2间吸附，实现紧密贴合。同时由于侧面的磁体21不在中间，而采用了错位设置，同时磁体22向外的磁极相同，只有当方块都正向放置，方块之间才能正常吸附，紧密贴合。

底板11和靠体12，也可以用磁性固体材料制作，方块2的底面亦嵌入磁体（图中未示出）。这样方块2也可与底板11和靠体12以磁性吸附紧密贴合。

根据不同的光路设计，在需要位置的方块2上搭载上层光学功能组件；上层光学功能组件，通过连接结构，将所有功能组件的中心点，位于同一高度，光发射组件(比如激光器，准直器等)，通过机械调整，使得出射光跟定位方块侧边和底面平行，其他光学组件的中心点跟出射光的高度一致，并且通过调整光纤组件，使得光通过组件后，不改变光的位置和角度，这样从一个放光组件出射的光，经过若干个光学组件后，可以顺利进去最终的功能光学组件，比如准直器，探测器等。各种光学功能组件设计成，相对于方块上表面出光或入光位置高度相同，水平位置一致。根据光路的需要，将若干搭载了光学功能组件的方块置于底板上方块阵列的相应位置，就可以实现光学系统基本准确的定位。再对光学功能组件进行一些微调，即可实现所需要的准确定位（方块上根据需要也可以再加一些微调机构，方便进一步提高对准精度和耦合效率）。

本实施例以准直器4为例。图1的俯视示意图，上行和下行各示出一种准直器光路；图2为图1中去掉下行准直器后的立体示意图。如图1所示，上行中有三个方块2，在两端的方块2上，为一对耦合的准直器4，中间的方块2未搭载光学功能组件，但起到了延长光程的作用。下行在相邻的两个方块2上固定了一对耦合的准直器。从图1和图2可见，由于方块2等宽且对准贴合，而耦合的准直器4在方块2中安装位置相同，且都与方块2的侧边平行相向设置。故此，耦合的准直器4自然实现了水平方向对准。通过连接结构，将耦合的准直器4的中心点在高度（垂直）方向上也对准。

实施例1-2

本实施例如图3所示，与实施例1-1的区别在于：在底板上增加可移动的载板3，载板3的两条互相垂直的边贴合靠体12。方块2的底面与载板3贴合。

本实施例中定位盘1采用非磁性材料，而载板3采用磁性材料，这样方块2与载板3吸附成为一个整体，而与定位盘间并不吸附，方便将载板3和方块2及光学功能组件整体移出定位盘，形成一个独立的功能模组。

实施例2-1

本实施例如图4所示，其与实施例1-1的区别在于：方块2无磁体。采用胶水粘结的方式实现方块2之间的紧密贴合。还可以用胶水将方块和靠体及底板紧密贴合。

该实施例主要用于使用超小型的光学功能组件的光路。其所需的方块2体积很小，其上加工其他结构会有一定的加工难度。当然，该结构也可以用于各种大小的方块2，并不限于很小的尺寸。胶水可以采用可降解或可溶解胶水，方便二次拆卸、重组。采用这一结构的优点是：（1）材料的选择更自由，可采用各种便于加工且不易变形的金属和非金属材料，如铝合金、石英、单晶硅、陶瓷等；（2）胶水固定后，可将粘结好的方块整体从定位盘1中取出，组装成独立的小模块；或者粘结为大整体的定位盘1、方块2及光路，整个形成独立的小模块。

光学功能组件的搭载及预调准，同实施例1-1。图4也同图3以耦合的准直器4为例加以说明，均与实施例1-1相同。因此，此处不重复叙述。

实施例2-2

本实施如图5所示，与实施例2-1的区别在于：在底板上增加可移动的载板3，载板3的两条互相垂直的边贴合靠体12。方块2的底面与载板3贴合。方块2之间及方块2与载板之间用胶水粘结。胶水固定后，可将载板3和方块2及光学功能组件整体移出定位盘，形成一个独立的功能模组。

Claims (13)

1.一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统，包括：一个定位盘，至少两个用于搭载光学功能组件和定位的方块；定位盘由上表面水平的底板、底板上至少两个互相垂直的靠体构成；各定位方块的底面可与底板上表面贴合，方块的侧面垂直底面，侧面可与靠体或不同方块的侧面贴合，全部或部分方块的顶面可搭载光学功能组件，方块的水平截面为矩形。

2.如权利要求1所述的一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统，其特征在于：底板上有一可移动的载板，载板有两垂直的侧边可贴合靠体，方块的底面可与载板的上表面贴合。

3.如权利要求1或2所述的一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统，其特征在于：所说的各方块的水平截面为大小相同的矩形。

4.如权利要求1或2所述的一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统，其特征在于：所说的各方块的水平截面大小为模数化设计，即水平截面大小以一个最小边长的正方形为基本单元，设计成长或宽为最小边长整倍数的长方形或正方形。

5.如权利要求1或2所述的一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统，其特征在于：所说的方块采用磁性材料，四个侧面内嵌有磁体。

6.如权利要求5所述的一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统，其特征在于：所说的方块四个侧面嵌入磁体位置避开中间位置，统一靠左或靠右，各磁体嵌入的极性方向相同。

7.如权利要求5所述的一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统，其特征在于：方块的底面内嵌有磁体，与方块贴合的底板或载板为磁性材料。

8.如权利要求1或2所述的一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统，其特征在于：方块间、方块与底板或载板间用胶水实现紧密贴合。

9.一种利用如权利要求1或2所述的定位系统的光学定位方法：利用方块底部紧贴底板或载板实现垂直方向的定位，利用方块侧面与靠体贴合及相邻方块侧面间相互贴合，实现水平方向的位置定位；根据不同的光路设计，在需要位置的方块上搭载光学功能组件；通过连接结构，将所有光学功能组件的中心点，位于同一高度，光发射组件通过机械调整，使得出射光跟定位方块侧边和底面平行，其他光学组件的中心点跟出射光的高度一致。

10.一种如权利要求9的光学定位方法，其特征在于：所说的各方块的水平方向为大小相同的矩形；或者各方块的水平方向为模数化设计，即平面大小以一个最小边长的正方形为基本单元，设计成长或宽为最小边长整倍数的长方形或正方形。

11.一种如权利要求9的光学定位方法，其特征在于：所说的方块采用磁性材料，四个侧面内嵌有磁体；磁体位置避开中间位置，统一靠左或靠右，各磁体嵌入的极性方向相同；利用磁体的吸附使方块间紧密贴合。

12.一种如权利要求11的光学定位方法，其特征在于：方块的底面内嵌有磁体，与方块贴合的底板或载板为磁性材料，方块与底板或载板通过磁吸紧密贴合。

13.一种如权利要求9的光学定位方法，其特征在于：方块间、方块与底板或载板间用胶水实现紧密贴合。