CN110471159A - 一种快速调-聚焦移动平台 - Google Patents

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王文杰
喻昆仑
程传云
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    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G02B7/10—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification by relative axial movement of several lenses, e.g. of varifocal objective lens
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Abstract

本发明公开了一种快速调‑聚焦移动平台，包括底座、导轨、导向杆、音圈电机和聚焦镜组；底座上安装有支撑座，支撑座上安装所述导向杆，导向杆与每条导轨分别平行；音圈电机包括定子及动子，该动子可相对于该定子作与该导轨的纵向平行的往复直线运动，该定子固定安装在所述底座上；聚焦镜组包括镜架及安装在该镜架上的镜片组，该镜架的上端穿装在该导向杆上，该镜架的下端安装在两条导轨上，并且该镜架还安装在所述音圈电机的动子上。本发明采用音圈电机的动子的移动来带动聚焦镜组移动，通过改变通入音圈电机的电流即可以使聚焦镜组快速移动，可通过聚焦镜组实现光线的调整和聚合，直到满足控制要求，本平台精度高，而且响应迅速。

Description

一种快速调-聚焦移动平台
技术领域
本发明属于激光光信号处理领域，更具体地，涉及一种快速调-聚焦移动平台。
背景技术
实现光学移动调/聚焦的方式有很多种，普通成像调/聚焦方式是通过丝杠螺母机构的螺纹进给量形式实现镜片的移动调焦和聚焦，大部分用于事物成像的光学设备，如显微镜、望远镜等。其中，丝杠螺母机构主要由丝杠、螺母或者滚珠等零件组成的机械元件,将旋转运动转变为直线运动,或将直线运动转变为旋转运动,具有传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长和同步性能好等优点。
对于激光光学设备而言，丝杠螺母机构虽然精度高，但并不能满足快速调/聚焦的基本要求。而且其造成制造工艺较复杂、成本高、丝杠螺母副因摩擦阻力和啮合的间隙较大，不能很好的适应快速调/聚焦的光学设备运动要求。即使现有的滚珠丝杠副减小了摩擦阻力,但在往复运动换向时的间隙导致的空行程仍然较大,在需防止逆转的机构中要加自锁机构,运动精度提高受限,且加工难度大,需要比较专业化厂家生产，制造使用以及维护成本高。而且由于成本的问题,使用范围受限,更不适用于高精度、快速响应的光学移动平台。
另外，某些调/聚焦设备在特殊的工作环境中可能存在激光的泄露，局部散光可能导致驱动设备(如丝杠螺母机构)的不同金属表面温度引起反差，进而承载机构受温差而变形，最终影响整套系统的调/聚焦精度和光信号处理效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种快速调-聚焦移动平台，其适用于高精度、高灵敏度的快速调/聚焦的光学接收/发射设备，满足响应快和互换性能好的要求，特别是在环境较恶劣(如高低温差明显、湿度大等)的地方使用该发明平台更有优势。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种快速调-聚焦移动平台，其特征在于，包括底座、导轨、导向杆、音圈电机和聚焦镜组，其中，
所述导轨设置有两条，它们相互平行并且分别水平安装在所述底座上；
所述底座上安装有支撑座，所述支撑座上安装所述导向杆，所述导向杆与每条所述导轨分别平行，并且所述导向杆位于所述导轨的上方；
所述音圈电机包括定子及动子，该动子可相对于该定子作与该导轨的纵向平行的往复直线运动，该定子固定安装在所述底座上；
所述聚焦镜组包括镜架及安装在该镜架上的镜片组，该镜架的上端穿装在该导向杆上，该镜架的下端安装在两条所述导轨上，并且该镜架还安装在所述音圈电机的动子上。
优选地，所述底座和镜架均采用殷钢制成。
优选地，所述镜架具有镜筒，所述支撑座在对应于该镜筒的位置设置有开孔。
优选地，所述导轨为滚动式直线导轨。
优选地，所述导向杆为一根光轴，并且该导向杆的两端分别通过固定夹安装在支撑座上。
优选地，所述底座上安装有光栅尺，以用于测量该聚焦镜组的位移。
优选地，所述底座上还设置有限位器，以用于限制该聚焦镜组的移动行程。
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，能够取得下列有益效果：
1)本发明采用音圈电机的动子的移动来带动聚焦镜组移动，通过改变通入音圈电机的电流即可以使聚焦镜组快速移动，可通过聚焦镜组实现光线的调整和聚合，直到满足控制要求，本平台精度高，而且响应迅速。
2)本发明的音圈电机的定子与动子之间由于存在气隙，因此驱动阻尼小，大大提升了平台快速调-聚焦的能力，减少了设备的加工和维护成本。
3)本发明通过导轨和导向杆配合来对聚焦镜组的移动进行导向，能有效降低聚焦镜组沿音圈电机径向的游隙，保证了聚焦镜组水平往复移动的平稳，有助于提高整套系统的调/聚焦精度和光信号处理效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖视图；
图3是本发明的俯视图。
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～图3所示，一种快速调-聚焦移动平台，包括底座1、导轨5、导向杆4、音圈电机2和聚焦镜组3，其中，
所述导轨5设置有两条，它们相互平行并且分别水平安装在所述底座1上；
所述底座1上安装有支撑座6，所述支撑座6上安装所述导向杆4，所述导向杆4与每条所述导轨5分别平行，并且所述导向杆4位于所述导轨5的上方；
所述音圈电机2包括定子21及动子22，该动子22可相对于该定子21作与该导轨5的纵向平行的往复直线运动，该定子21固定安装在所述底座1上；
所述聚焦镜组3包括镜架31及安装在该镜架31上的镜片组32，该镜架31的上端穿装在该导向杆4上，该镜架31的下端安装在两条所述导轨5上，并且该镜架31还安装在所述音圈电机2的动子22上。本发明的导轨5采用滚动式直线导轨5，其滑块与导轨5体之间为滚动摩擦，摩擦小，镜架31可以在导轨5上自由移动。聚焦镜组3在移动时可实现光线的调整和聚合，直到满足控制要求即可。
底座1和镜架31的材料均选择热膨胀系数较小的殷钢(铟钢)。底座1是本平台的支撑部件和转接部件，其结构需要足够的刚度和稳定性，在加工过程中通过精加工控制底座1接触面的几何公差，同时也保证安装精准和方便。材料选择热膨胀系数较小的殷钢(铟钢)，可以尽量隔离环境因素的影响，能更好的保证系统的稳定性。
所述镜架31具有镜筒，所述支撑座6在对应于该镜筒的位置设置有开孔61，便于聚焦镜组3的移动及光线的传导，
导向杆4由一根表面粗糙度为0.3mm的光轴，导向杆4的两端通过固定夹安装在底座1上，镜架31与光轴贯穿连接，镜架31可以在导轨5上自由移动。
音圈电机2是实现聚焦镜组3实现快速响应的关键部件，音圈电机2的定子21与动子22单边间隙约1.32mm，允许驱动导轨5、导向杆4与镜架31安装存在容差，更好的能保证安装导轨5与导向轴一致性。
所述底座1上安装有光栅尺，以用于测量该聚焦镜组3的位移，所述底座1上还设置有限位器，以用于限制该聚焦镜组3的移动行程，限位器可以与音圈电机2配合来使聚焦镜组3停止移动，从而可以实现高精度定位与调节。
根据本平台的结构特点，导轨5、音圈电机2的定子21与底座1作为支撑部分，镜架31与音圈电机2动子22作为负载部分、导向杆4作为导向部分，三个部分可以分别装配，在组合成本平台时，先安装好支撑部分，再安装结构负载，支撑部分中的导轨5需要在底座1上进行微小调整，保证两根导轨5一致性好，负载部分安装在导轨5上后也需要微小调整，保证负载部分能在导轨5上自由滑动，负载部分在导轨5上运动虽然通畅，但在负载部分的径向仍然存在一定的游隙，这时需要通过导向杆4进行约束，因此，最后需要根据支撑部分和负载部分进行安装调整，最终可以实现装配。装配后的安装状态为：音圈电机2的定子21固定在底座1上，动子22固定在镜架31上，负载部分与支撑部分为滚动摩擦，与导向杆4为滑动摩擦。若需要拆卸或更换音圈电机2部分，可以先拆卸导向部分。
音圈电机2是本平台的驱动电子元器件，其动子22是沿轴向运动。通过音圈电机2代替丝杠螺母机构实现负载的移动调/聚焦，可以将机械扭转摩擦接触转变成磁力无摩擦接触，减小摩擦因素对整个系统的影响。同时，普通丝杠螺母机构的进给阻尼远远大于音圈电机2的进给阻尼，因此音圈电机2作为驱动部件在快速响应方面也可有很明细的提升。音圈电机2的动子22与定子21为无摩擦接触，在使用周期上远远长于丝杠螺母机构。
导向杆4与导轨5是音圈电机2驱动聚焦镜组3的辅助部件，导向杆4在音圈电机2工作时，能有效消除因电机定子21和动子22之间游隙产生聚焦镜组3的不稳定摆动。同时，导轨5是聚焦镜组3与底座1的转接部件，能保证聚焦镜组3固定在底座1上，并且还能“灵活”的往返运动。
根据平台的设计方法和结构特点，装配时，将底座1、导轨5、音圈电机2、聚焦镜组3、导向杆4依次进行调整装配。首先将底座1固定于承载设备上保证底座1方向的唯一性，再通过基准尺对导轨5的位置进行微调整，保证导轨5方向与底座1方向的一致性。根据承载设备要求进一步细微调整带导轨5的底座1方向。第二步开始安装音圈电机2，将音圈电机2的定子21安装在底座1上，将动子22安装在聚焦镜组3上，此时需要结合导向杆4和导轨5进行对位装配，直到负载能在底座1上自由运动，装配完成。最后，在平台其余部位添加附加部件，如光栅尺和限位器等，用于负载的位置测量和限位，限位器可以采用行程开关等。
经过组装后，本平台结构紧凑、运动平稳、调试合格、响应延时约50μs，成功通过了基本振动测试，测试效果良好。本装置的设计方法和结构应用不仅限于用于激光信号处理设备，在类似设备应用环境条件下也有借鉴意义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述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 (7)

1.一种快速调-聚焦移动平台，其特征在于，包括底座、导轨、导向杆、音圈电机和聚焦镜组，其中，
所述导轨设置有两条，它们相互平行并且分别水平安装在所述底座上；
所述底座上安装有支撑座，所述支撑座上安装所述导向杆，所述导向杆与每条所述导轨分别平行，并且所述导向杆位于所述导轨的上方；
所述音圈电机包括定子及动子，该动子可相对于该定子作与该导轨的纵向平行的往复直线运动，该定子固定安装在所述底座上；
所述聚焦镜组包括镜架及安装在该镜架上的镜片组，该镜架的上端穿装在该导向杆上，该镜架的下端安装在两条所述导轨上，并且该镜架还安装在所述音圈电机的动子上。
2.根据权利要求1所述的一种快速调-聚焦移动平台，其特征在于，所述底座和镜架均采用殷钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种快速调-聚焦移动平台，其特征在于，所述镜架具有镜筒，所述支撑座在对应于该镜筒的位置设置有开孔。
4.根据权利要求1所述的一种快速调-聚焦移动平台，其特征在于，所述导轨为滚动式直线导轨。
5.根据权利要求1所述的一种快速调-聚焦移动平台，其特征在于，所述导向杆为一根光轴，并且该导向杆的两端分别通过固定夹安装在支撑座上。
6.根据权利要求1所述的一种快速调-聚焦移动平台，其特征在于，所述底座上安装有光栅尺，以用于测量该聚焦镜组的位移。
7.根据权利要求1所述的一种快速调-聚焦移动平台，其特征在于，所述底座上还设置有限位器，以用于限制该聚焦镜组的移动行程。
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