CN110542967A - 利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置和方法。包括，在基板上加工出一个一定半径的凹球面，球面的半径及深度可以根据实际需要确定；制作一个同样半径的凸球面，该凸球面高度跟凹球面深度一致或者略有差异，两个凹凸球面可以相互配合。需要调节的光学元件固定于凸球面的平台上(几何学上球冠的底面)，然后将凹球面上放置足量的胶水，将凸球面装入凹球中，使得两个球面紧密贴合，胶水自然填满整个球面配合间隙。也可以调节完成后再添胶固定。实现对光路进行精确调节的同时，可以使得结构件紧密配合，使得中间胶水填充空间非常小，极大提高可靠性和稳定性。

Description

利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置和方法

技术领域

本发明属于光路调节技术领域，特别是利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置和方法。

背景技术

光学系统搭建中，需要预先用调节架对光路进行调节，然后用各种结构件固定光学元件(本发明中将光学组件、光学器件、光学元件，统称为光学元件)，实现光路系统的调试装配，这其中也包括各个方向的角度调节。由于光学元件存在结构公差，在调试时，结构件之间需要有较大空隙用于光路调节，不能实现结构件紧密接配合，结构件之间的空隙，需要用各种胶水填充固定，由于填充量较大，长时间使用，胶水会出现蠕动，吸潮变形等，对光路产生极大干扰，造成光路系统可靠性降低。为克服现有技术的缺陷，针对光路的角度调节，本发提出一种装置和方法：利用凹凸球面配合，实现对光路进行精确调节的同时，可以使得结构件紧密配合，使得中间胶水填充空间非常小，极大提高可靠性和稳定性。

发明内容

利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置和方法(以下简称调节装置和方法)。本发明包括，在基板上加工出一个一定半径的凹球面构成的凹球面底座，球面的半径及可以根据实际需要确定，深度不大于半径；一个同样半径的包括凸球面和底面的球冠，该球冠高度跟凹球面深度一致或者略有差异，两个凹凸球面可以相互配合。需要调节的光学元件固定于凸球面的平台上(球冠的底面)，然后将凹球面或凸球面上放置足量的胶水，将凸球面装入凹球中，使得两个球面紧密贴合，胶水自然填满整个球面配合间隙。也可以调节完成后再添胶固定。

该结构的角度调节，可以绕通过球心的任意轴进行。但为了说明的方便，可以分解为以通过球心的三个正交方向为轴进行转动，分三个维度进行调节。我们设垂直于基板的轴为Z轴，光路方向的轴为Y轴，水平面上另一个正交轴为X轴。凸球面的绕Z轴水平旋转，可以实现对光学元件的水平角度调节；绕X轴的前后的弧摆，可以在垂直方向对光学元件进行角度调节；绕Y轴的左右的弧摆，可以实现光学元件在光路方向的轻微旋转。

当光学元件被调整到位后，凹凸球面依然是紧密贴合，此时可以利用紫外线或者加热固化胶水，实现光学元件的精密装配。

在本发明中，把光束进出光学元件与光学元件交界的位置称为生光点，如准直器的光出射点和入射点，反射镜的光反射点，起偏器的光入射点，三角棱镜的光入射点等。作为优选方案，通过优化凸球面的高度，将光学元件的生光点正好放置于球体的球心位置，当两个球面进行旋转、弧摆调节时，光发生点的位置不会改变。这样，我们实际调节的只是光学元件的角度，而位置可以被精确定位在球心，这样有助于简化调节机制，优化光路结构。

本发明中，凹球面底座和凸球面调节座的材料，可以是但不限于，石英，陶瓷，单晶硅，金属等一切方便加工的材料。该发明中，用于固定凹凸球面的胶水，可以是但不限于紫外胶，环氧胶，玻璃粉，焊锡等一切可以用于粘合的材料。

本发明的调节装置和方法，凹球面底座定位在一个水平底板上，这属于现有技术，不作详细阐述。

附图说明

图1是凹球面底座的示意图，其中图1a是剖面图，图1b是立体图；

图2是凸球调节座的示意图，其中图2a是剖面图，图2b是图2a方向的俯视图，为表达清楚未按与1相同的比例绘制；

图3是调节装置装配示意图；

图4是预调节方式示意图，其中图4a、图4b和图4c分别是Z轴、Y轴和X轴方向旋转调光示意图；

图5是预调节准直器的效果示意图，其中图5a是Z轴方向的调节示意图，图5b是X轴方向的调节示意图；

图6是预调节Z轴方向三角棱镜示意图；

图7是预调节Y轴方向起偏器示意图。

图中：1.凹球面底座、11.基板、12.凹球面，2.凸球面调节座、21.球面、22.平台，3水平底板，4垫块，5.准直器，6三角棱镜，7起偏器。

具体实施方式

光路中常用的需要调节角度的光学元件基本可以分为三种，一种是主动出光元件，比如激光器或者光纤准直器，需实现出射光角度的精确调节。一种是反射型光学元件，需对反射光实现精确的调节，比如45度反射镜。第三种是透射型光学元件，对光进行精确起偏，或者对光产生一个横向位移。以下首先具体说明本发明的调节装置和方法，再分别以上述三种元件为例具体说明本发明的应用。

如图1至图4，本发明的调节装置由凹球面底座1和凸球面调节座2构成。在基板11上做出凹球面12，形成凹球面底座1；凸球面调节座2为与凹球面12等半径的球冠，包含球面21和平台22。凸球面调节座2的高小于球半径，以便可以将光学元件的生光点置于球心位置。

如图3，凹球面底座1定位在水平底板3上，将凸球面调节座2的球面21，置于凹球面底座1的凹球面12内。根据平台22上的光学元件的需要，将三维角度调节好后，在两个球面的缝隙中添注胶，也可以预先在凹球面12内加入胶水。

图4示出了角度调节的方式：图4a是Z轴方向的调节示意图，凸球面绕Z轴水平旋转，可以实现对光学元件的水平角度调节；图4b是Y轴方向的调节示意图，绕Y轴的左右的弧摆，可以实现光学元件在光路方向的轻微旋转；图4c是X轴方向的调节示意图，绕X轴的前后的弧摆，可以在垂直方向对光学元件进行角度调节。

以下具体给出三个应用实例：

应用实例一：利用凹凸球面配合实现一对准直器之间高精度耦合

如图5所示将准直器5设置在凸球调节座2上，准直器5的生光点位于凸球调节座2的球心位置。如图5a预调节Z轴调光方式，实现准直器的出射光束在水平方向的调节，可以将任何两个位置的准直器在水平方向使得其出射光束完全在一条直线上，实现光束在水平方向的耦合调节。同理，如图5b预调节X轴调光方式示意图,其中一个准直器5的调节装置下有一垫块4，使得两个准直器5的水平高度不同。通过在X方向预调节准直器，可以实现准直器的出射光束在垂直方向的调节。这样可以将任何两个位置的准直器，在垂直方向使得其出射光束完全在一条直线上，实现光束在垂直方向的耦合调节。通过两个方向的调节，可以将一个准直器出射的光，完全耦合到另一个准直器中去。

应用实例二：利用凹凸球面配合实现三角棱镜折射光路的角度调节

如图6，将三角棱镜6设置在凸球调节座2上，三角棱镜6的生光点位于凸球调节座2的球心位置。通过调节Z轴方向旋转，实现三角棱镜反射光在水平方向的调节；通过调节X轴方向旋转，实现三角棱镜反射光在垂直方向的调节。通过两个维度的调节，使得水平准直器出射的光，折射90度，耦合进垂直方向的另一个准直器中。

应用实例三：利用凹凸球面配合精确控制起偏器对光的起偏方向

如图7，将起偏器7设置在凸球调节座2上，将起偏器7的生光点位于凸球调节座2的球心位置。通过Y方向的调节，可以在通光方向上轻微旋转起偏器，从而改变通过起偏器的光的偏振方向，实现对光偏振态的精确调节。

Claims (6)

1.利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置，其特征在于：所说的调节装置，包括一个凹球面底座和一个凸球面调节座；凹球面底座为在一块基板上有一个凹球面，凹球面的深度不大于半径；凸球面调节座为一个与凹球面同样半径的包括凸球面和底面的球冠，其高度跟凹球面深度一致或者略有差异，球冠的底面构成凸球面调节座的平台，平台用于安装光学元件；凹球面和凸球面相互配合。

2.如权利要求1所说的利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置，其特征在于：凸球面调节座的高度小于球半径。

3.如权利要求2所说的利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置，其特征在于：凹球面底座定位在水平底板上，凸球面调节座的平台上安装有光学元件，光学元件的生光点置于凸球面调节座的球心位置。

4.如权利要求1至3任一权利要求所说的利用凹凸球面配合实现三维角度调节的光路调节装置，其特征在于：凹球面底座和凸球面调节座以胶水粘接。

5.利用如权利要求1所述光路调节装置的光路调节方法，其特征在于：

(1)在凸球面调节座的平台上安装光学元件，凸球面调节座的凸球面置于凹球面底座的凹球面中，凹球面底座定位在水平底板上，此三项内容不分先后；

(2)根据光路需要，使凸球面在凹球面中沿X、Y、Z轴的一个至三个方向转动，调节光学元件的角度：凸球面的绕Z轴水平旋转，对光学元件的水平角度调节；绕X轴的前后的弧摆，在垂直方向对光学元件进行角度调节；绕Y轴的左右的弧摆，对光学元件在光路方向轻微旋转。

(3)角度调整到位后，向凹球面和凸球面之间的缝隙注入胶水，也可在上述步骤(1)中凸球面放入凹球面之前，在凸球面或凹球面上加胶水；

(4)利用紫外线或者加热固化胶水。

6.如权利要求5所说的光路调节方法，其特征在于：凸球面调节座的高度小于球半径，光学元件的生光点置于凸球面调节座的球心位置。