CN111766671A - 一种焦平面组件调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焦平面组件调节装置及方法。焦平面组件由探测器和探测器安装板组成，调节装置包含固定螺钉、调节紧定用的螺丝和锁紧螺钉。探测器安装板的四个安装角设计成挠性结构，通过挠性设计保证探测器安装有六维自由度且具备必要强度，通过不同位置的调节紧定螺丝，可实现探测器安新板不同维度的调节，从而保证光学系统达到一定的精度要求，调节完成后通过锁紧螺钉进行锁死。本发明结构简单、调节方便，可实现焦平面的高精度装调，实现焦平面组件的六维调整。

Description

一种焦平面组件调节装置及方法

技术领域

本发明涉及一种焦平面组件调节装置及方法，在光电仪器领域中用于焦平面的调节。

背景技术

在光电成像和光电传感领域都会使用到探测器，因此都面临着探测器的安装问题。从单反或数码相机，天文望远镜，显微镜、光刻机、到航空航天用的侦查相机，再到光电跟瞄和制导等，无论是民用、科学使用、或是军事国防领域，都会涉及到探测器的装调。一个性能优良的焦平面组件，是整套系统性能是否达标的基础保证。

在已有的技术中，在焦平面组件中探测器固定在安装板上，安装板通过螺钉与基座相连接。焦平面组件的位置通过机械加工保障，如果需要调节，那么也只是简单的通过螺孔的间隙来进行移动。这种调节方式无法进行角度调节，而且调节过程无法实际连续调节。

针对上述问题，CN204852808U中给出了一种焦平面两维方向平移的装置，装置中用到了齿轮和齿条。CN10129108A中展示了一种可实现四维调节的光学调整架，但其仅能实现一个方向转动和三个方向平移。CN103913808A中提供了一种四维光学调整装置，由相互嵌套的三个环组成，其功能也只实现了四维调节。CN101915974A中提供了一种二维独立调节装置，仅通过调节紧定螺丝来进行相应的调节，也只是限制在二维方法。

因此，已有的焦平面调节装置，都在以增加调节的维度和简化调节装置为目标，但是都无法实现六维可调，还存在装置体积大且笨重等问题。

发明内容

为了克服已有技术的缺点，本发明的目的是提供一种焦平面组件调节装置，结构小巧、调节方便，对焦平面组件实现六维可调。本发明还提供了基于这种装置的焦平面调节方法。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种焦平面组件调节装置，包含：

焦平面组件，设有探测器安装板，和固定在探测器安装板本体的探测器；

固定螺钉，用于将探测器安装板初步固定至外部的基座；探测器安装板的四个角落分别设有安装块，并在安装块开设有固定螺钉孔，用于设置对应的固定螺钉；固定螺钉孔的安装块各自通过挠性支撑，连接至探测器安装板本体；

调节紧定用的螺丝，在探测器安装板初步固定后，用于对焦平面组件实现六维调节；

锁紧螺钉，在焦平面组件调节完成后，用于对探测器安装板固定和锁死；

其中，所述调节紧定用的螺丝进一步包含：

平行于z轴的多个螺丝，其各自穿过探测器安装板本体拧入基座，用于使焦平面组件沿z轴平移，或者绕x轴或y轴旋转；

在xoy平面布置的多个螺丝，用于使焦平面组件绕z轴旋转，或者绕x轴或y轴平移；所述在xoy平面布置的多个螺丝，各自与探测器安装板本体上设置的挠性凸舌接触。

可选地，在xoy平面布置的螺丝，进一步包含：

分别平行于y轴的第一组螺丝，在四个象限内分布，相应地顶着探测器安装板本体处平行于x轴的凸舌；

分别平行于x轴的多个第二组螺丝，在四个象限内分布，相应地顶着探测器安装板本体上平行于y轴的凸舌。

可选地，挠性支撑各自在xoy平面包含连续弯折若干次的方波型结构；

或者，挠性支撑各自在z轴方向包含连续弯折若干次的方波型结构。

可选地，挠性支撑在xoy平面沿探测器安装板的对角线方向布置；

探测器安装板形成有四个缺口，四处固定螺钉孔的安装块通过相应的挠性支撑沿对角线方向延伸到相应的缺口内，并布置在探测器安装板的四个角落的位置；

每个固定螺钉孔有两个对应的凸舌；探测器安装板本体四个边缘的端部，分别朝着探测器安装板的角落方向延伸一定距离形成凸舌，所述凸舌在缺口内，且与固定螺钉孔的安装块之间留有间隔。

可选地，平行于z轴有三个螺丝，与其对应的第一安装孔，位于探测器安装板本体上；其中一个螺丝位于y轴的正半轴上；另外两个螺丝分别位于第三象限和第四象限。

可选地，分别平行于z轴的锁紧螺钉，各自穿过探测器安装板本体拧入基座；在探测器安装板被初步固定后，锁紧螺钉处于松弛状态；在焦平面组件调节完成后，通过锁紧螺钉进行固定和锁死。

可选地，与三个锁紧螺钉对应的第二安装孔，位于探测器安装板本体上；其中两个锁紧螺钉分别位于第一象限和第二象限；另一个锁紧螺钉位于y轴的负半轴上。

本发明的另一个技术方案是提供一种焦平面组件的调节方法，使用上述任意一种焦平面组件调节装置；所述调节方法包含以下过程：

将探测器安装到探测器安装板上组成焦平面组件，将焦平面组件安装在基座上；通过固定螺钉将探测器安装板初步固定在基座；

设置调节紧定用的螺丝：将在xoy平面布置的多个螺丝，拧入基座上相应位置的安装块，并使在xoy平面布置的多个螺丝分别与探测器安装板上的挠性的凸舌接触；平行于z轴的螺丝穿过探测器安装板拧入基座；将锁紧螺钉穿过探测器安装板拧入基座，且处于松弛状态；

通过外部设备检测到焦平面组件位置偏差时，对调节紧定用螺丝进行调节，来进行焦平面组件的调节；焦平面组件调节完成后，通过锁紧螺钉进行锁紧固定。

可选地，实现焦平面组件的六维调节，包含：

各个平行于z轴的螺丝有相同的调节量时，焦平面组件沿z轴平移；

在xoy平面布置的螺丝，包含分别平行于y轴、在四个象限分布的多个第一组螺丝，和分别平行于x轴、在四个象限分布的多个第二组螺丝；同时调节同一组中至少一个对角线上的螺丝时，焦平面组件绕z轴旋转；

对第一组螺丝，与探测器安装板同一侧边缘的凸舌接触的第一组螺丝有相同的调节量时，焦平面组件沿y轴平移；

对第二组螺丝，与探测器安装板同一侧边缘的凸舌的第二组螺丝有相同的调节量时，焦平面组件沿x轴平移；

对平行于z轴的螺丝，在调节位于第一象限、或x轴正半轴、或第四象限的螺丝时，焦平面组件沿y轴顺时针旋转；或者，在调节位于第二象限、或x轴负半轴、或第三象限的螺丝时，焦平面组件沿y轴逆时针旋转；

对平行于z轴的螺丝，在调节位于第一象限、或y轴正半轴、或第二象限的螺丝时，使焦平面组件绕x轴顺时针旋转；或者，在调节位于第三象限、或y轴负半轴、或第四象限的螺丝时，焦平面组件沿x轴逆时针旋转。

本发明的一种焦平面组件调节装置及方法，具有以下的积极效果：

1、可实现焦平面组件的六维调节，从而可以保证光学系统和焦平面组件之间的达到优良配合，保证了整体系统的性能。

2、焦平面组件中探测器安装板进行挠性设计，保证自身的六维自由度，而不需要外部的装置提供自由度，从而保证此装置小巧紧凑。

3、焦平面组件调节完成后，可以通过锁死螺钉进行锁紧固定，从而约束调节完成后焦平面组件的自由度，保证整体的稳定性。

4、本装置小巧紧凑、可实现六维调节、带有锁死功能、性能稳定可靠，可广泛应用于高精度的光电机系统中。

附图说明

图1是本发明的焦平面组件调节装置的示意图；

图2a是探测器安装板及其挠性结构；

图2b是图2a中P方向的视图，其中一处挠性支撑为剖视；

图3a、图3b显示出焦平面组件的安装位置，图3a是俯视图，图3b是立体图；

图4a～图4f通过有限元分析验证探测器安装板具备六维自由度：

图4a体现沿z轴平移的自由度；

图4b体现绕z轴旋转的自由度；

图4c体现沿y轴平移的自由度；

图4d体现绕y轴旋转的自由度；

图4e体现沿x轴平移的自由度；

图4f体现绕x轴旋转的自由度。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种焦平面组件调节装置，包括探测器10、探测器安装板20、固定螺钉71～74、锁紧螺钉61～63，以及调节紧定用的第一组螺丝31～34、第二组螺丝41～44、第三组螺丝51～53。

配合参见图1、图2a、图2b、图3a、图3b所示，探测器10固定在探测器安装板20上；固定螺钉71～74用来将探测器安装板20初步固定在基座100上；螺丝31～34、41～44、51～53分三组用来进行六维调节；锁紧螺钉61～63用来对探测器安装板20固定和锁死。

探测器安装板20有四处固定螺钉孔，用于设置对应的固定螺钉71～74。这四个固定螺钉孔的安装块，位于探测器安装板20的四个角落，通过各自对应的挠性支撑81～84与探测器安装板20的主体连接；挠性支撑81～84在xoy平面分别沿探测器安装板20的对角线方向布置，各自在xoy平面包含连续弯折若干次的方波型结构(图2a)，或者，各自在z轴方向包含连续弯折若干次的方波型结构(图2b)。

即，探测器安装板20形成有四个缺口，四处固定螺钉孔的安装块通过相应的挠性支撑81～84，得以沿对角线方向延伸到相应的缺口内，并布置在探测器安装板20的四个角落的位置。每个固定螺钉孔安装块与探测器安装板20之间的挠性连接(挠性支撑81～84)，使探测器安装板20具备六维自由度。

与每个固定螺钉孔配合，设置有两个挠性的凸舌90；从探测器安装板20本体对应每个角落的两侧边缘，分别延伸一定距离到缺口内，在固定螺钉孔安装块两侧形成与其留有一定间隔的凸舌90。调节紧定用的第一组螺丝31～34和第二组螺丝41～44，会分别顶在相应一侧的凸舌90上。

以探测器安装板20的中心为原点。第一组螺丝31～34在xoy平面的四个象限，分别平行于y轴，相应地顶在平行于x轴的四个凸舌90上；这些凸舌90是本体上平行于x轴的两个边缘的端部延伸段。

第二组螺丝41～44在xoy平面的四个象限，分别平行于x轴，相应地顶在平行于y轴的四个凸舌90上；这些凸舌90是本体上平行于y轴的两个边缘的端部延伸段。

通过凸舌90的设置，在调节xoy平面内的这些螺丝，使焦平面组件绕x轴，y轴平移和绕z轴旋转时，可以保证结构有柔性，其他的调节紧定螺丝无需退出，调节过程不会出现卡死现象。

调节紧定用的第三组螺丝51～53，平行于z轴，其对应的第一安装孔，位于探测器安装板20本体上；第一安装孔的虚拟连线，以三角的形式分布设置；其中一个螺丝51位于y轴正半轴上；另外两个螺丝52、53分别位于第三象限、第四象限。调节第三组螺丝51～53，可以使焦平面组件沿z轴平移，绕x轴，y轴旋转。

与锁紧螺钉61～63对应的第二安装孔，位于探测器安装板20本体上；第二安装孔的虚拟连线，以倒三角的形式分布设置(与第一安装孔构成的三角方向相反)：其中两个锁紧螺钉62、61分别位于第一象限、第二象限；另一个锁紧螺钉63位于y轴的负半轴上。通过三组不同方位的调节紧定螺丝，可以完成焦平面组件的六维调节，调节完成后通过锁紧螺钉61～63对探测器安装板20进行锁死。

以下介绍本发明的一种焦平面调节方法：

将探测器10安装到探测器安装板20上，将探测器10和探测器安装板20组成的焦平面组件安装在基座100上；固定螺钉71～74穿过四个角落的固定螺钉孔，将探测器安装板20初步固定在基座100；将调节紧定用的第一组螺丝31～34、第二组螺丝41～44，拧入基座100上相应位置的安装块，并保证第一组螺丝31～34、第二组螺丝41～44分别与探测器安装板20上的凸舌90接触；第三组螺丝51～53穿过探测器安装板20上的相应第一安装孔拧入基座；将锁紧螺钉61～63穿过探测器安装板20上相应的第二安装孔拧入基座，且此时要求锁紧螺钉61～63处于松弛状态；通过外部设备可检测到焦平面组件的位置偏差；根据需要，从不同方位调节相应的螺丝，来完成焦平面组件的调节；调节完成后，通过锁紧螺钉61～63进行锁紧固定，完成焦平面组件的调节。

其中，通过对螺丝31～34、41～44、51～53的调节，可以实现焦平面组件的六维调节：

通过给各个第三组螺丝51、52、53相同的调节量，可实现焦平面组件沿z轴平移。参见图4a的有限元分析验证，探测器安装板本体的颜色，与探测器安装板角落的固定螺钉安装孔的安装块颜色不同，结合挠性支撑处的变形，表示探测器安装板本体与固定螺钉安装孔的安装块在z轴上有相对移动；而四处挠性支撑被拉伸变形的情况类似，本体各处的颜色也基本一致，说明结构沿z轴是平移的。

对第一组和第二组螺丝，通过同时调节同一组中至少一个对角线上的螺丝，如螺丝31、34、或螺丝32、33，或螺丝41、44，或螺丝42、43，可实现焦平面组件绕z轴旋转。参见图4b的有限元分析验证(示意了逆时针旋转)，固定螺钉安装孔的安装块在探测器安装板的角落位置不变，各个安装孔顺时针一侧的凸舌被螺丝往里推，更靠近于安装块，挠性支撑有变形且都偏向这一侧的凸舌；而逆时针一侧的凸舌则向外，相对远离安装块，结合探测器安装板本体上环形的颜色分布，表示结构绕z轴产生旋转。

对第一组螺丝，通过给位于探测器安装板同一侧的螺丝31、32，或螺丝33、34相同调节量，可实现焦平面组件沿y轴平移。参见图4c的有限元分析验证(示意了向y轴正向的移动)，固定螺钉安装孔的安装块在探测器安装板的角落位置不变，相应的螺丝被调节使得探测器安装板在平行于x轴的(对应y轴正向一侧边缘和y轴负向一侧边缘的)凸舌均有变形，说明有外力作用；探测器安装板上平行于y轴的凸舌之中，第一、第二象限的凸舌都相对靠近于各自象限的安装块，而第三、第四象限的凸舌则相对远离其各自象限的安装块；第一、第二象限的两个挠性支撑被压缩，第三、第四象限的两个挠性支撑被拉伸，变形情况相反；再比较探测器安装板本体与角落处安装块在平行于x轴的边缘位置，可见探测器安装板本体向y轴正向产生了移动。

对第三组螺丝，通过调节螺丝52或螺丝53，可实现焦平面组件沿y轴旋转。参见图4d的有限元分析验证，探测器安装板本体的颜色大致呈条状分布且从x轴负向、本体中部到x轴正向有颜色变化；第二、第三象限的两个挠性支撑的变形情况类似，第一、第四象限的两个挠性支撑的变形情况类似但与其他两个象限的变形情况相反，由此表示结构绕y轴产生旋转。

对第二组螺丝，通过给位于探测器安装板同一侧的螺丝41、42，或螺丝43、44相同调节量，可实现焦平面组件沿x轴平移。参见图4e的有限元分析验证(示意了向x轴负向的移动)，固定螺钉安装孔的安装块在探测器安装板的角落位置不变，相应的螺丝被调节使得探测器安装板在平行于y轴的(对应x轴正向一侧边缘和x轴负向一侧边缘的)凸舌均有变形，说明有外力作用；探测器安装板上平行于x轴的凸舌中，第二、第三象限的凸舌都相对靠近其各自象限的安装块，第一、第四象限的凸舌则相对远离其各自象限的安装块；第二、第三象限的两个挠性支撑被压缩，第一、第四象限的两个挠性支撑被拉伸，变形情况相反；再比较探测器安装板本体与角落处安装块在平行于y轴的边缘位置，可见探测器安装板本体向x轴负向产生了移动。

对第三组螺丝，通过调节y轴正半轴的螺丝51，或调节第三、第四象限的螺丝52、53，可实现焦平面组件绕x轴旋转。参见图4f的有限元分析验证，探测器安装板本体的颜色大致呈条状分布且从y轴负向、本体中部到y轴正向有颜色变化；第一、第二象限的两个挠性支撑的变形情况类似，第三、第四象限的两个挠性支撑的变形情况类似但与其他两个象限的变形情况相反，由此表示结构绕x轴产生旋转。

综上所述，焦平面组件由探测器和探测器安装板组成，探测器安装板的四个安装角设计成挠性结构，通过挠性设计保证探测器安装有六维自由度且具备必要强度，通过不同位置的调节紧定螺丝，可实现探测器安新板不同维度的调节，从而保证光学系统达到一定的精度要求，调节完成后通过螺钉进行锁死。本发明结构简单、调节方便，可实现焦平面的高精度装调。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种焦平面组件调节装置，其特征在于，包含：

焦平面组件，设有探测器安装板，和固定在探测器安装板本体的探测器；

固定螺钉，用于将探测器安装板初步固定至外部的基座；探测器安装板的四个角落分别设有安装块，并在安装块开设有固定螺钉孔，用于设置对应的固定螺钉；固定螺钉孔的安装块各自通过挠性支撑，连接至探测器安装板本体；

调节紧定用的螺丝，在探测器安装板初步固定后，用于对焦平面组件实现六维调节；

锁紧螺钉，在焦平面组件调节完成后，用于对探测器安装板固定和锁死；

其中，所述调节紧定用的螺丝进一步包含：

平行于z轴的多个螺丝，其各自穿过探测器安装板本体拧入基座，用于使焦平面组件沿z轴平移，或者绕x轴或y轴旋转；

在xoy平面布置的多个螺丝，用于使焦平面组件绕z轴旋转，或者绕x轴或y轴平移；所述在xoy平面布置的多个螺丝，各自与探测器安装板本体上设置的挠性凸舌接触。

2.如权利要求1所述的焦平面组件调节装置，其特征在于，

在xoy平面布置的螺丝，进一步包含：

分别平行于y轴的第一组螺丝，在四个象限内分布，相应地顶着探测器安装板本体处平行于x轴的凸舌；

分别平行于x轴的多个第二组螺丝，在四个象限内分布，相应地顶着探测器安装板本体上平行于y轴的凸舌。

3.如权利要求1所述的焦平面组件调节装置，其特征在于，

挠性支撑各自在xoy平面包含连续弯折若干次的方波型结构；

或者，挠性支撑各自在z轴方向包含连续弯折若干次的方波型结构。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的焦平面组件调节装置，其特征在于，

挠性支撑在xoy平面沿探测器安装板的对角线方向布置；

探测器安装板形成有四个缺口，四处固定螺钉孔的安装块通过相应的挠性支撑沿对角线方向延伸到相应的缺口内，并布置在探测器安装板的四个角落的位置；

每个固定螺钉孔有两个对应的凸舌；探测器安装板本体四个边缘的端部，分别朝着探测器安装板的角落方向延伸一定距离形成凸舌，所述凸舌在缺口内，且与固定螺钉孔的安装块之间留有间隔。

5.如权利要求1所述的焦平面组件调节装置，其特征在于，

平行于z轴有三个螺丝，与其对应的第一安装孔，位于探测器安装板本体上；其中一个螺丝位于y轴的正半轴上；另外两个螺丝分别位于第三象限和第四象限。

6.如权利要求1所述的焦平面组件调节装置，其特征在于，

分别平行于z轴的锁紧螺钉，各自穿过探测器安装板本体拧入基座；在探测器安装板被初步固定后，锁紧螺钉处于松弛状态；在焦平面组件调节完成后，通过锁紧螺钉进行固定和锁死。

7.如权利要求1或6所述的焦平面组件调节装置，其特征在于，

与三个锁紧螺钉对应的第二安装孔，位于探测器安装板本体上；其中两个锁紧螺钉分别位于第一象限和第二象限；另一个锁紧螺钉位于y轴的负半轴上。

8.一种焦平面组件的调节方法，使用权利要求1～7中任意一项所述的焦平面组件调节装置，其特征在于，所述调节方法包含以下过程：

将探测器安装到探测器安装板上组成焦平面组件，将焦平面组件安装在基座上；通过固定螺钉将探测器安装板初步固定在基座；

设置调节紧定用的螺丝：将在xoy平面布置的多个螺丝，拧入基座上相应位置的安装块，并使在xoy平面布置的多个螺丝分别与探测器安装板上挠性的凸舌接触；平行于z轴的螺丝穿过探测器安装板拧入基座；将锁紧螺钉穿过探测器安装板拧入基座，且处于松弛状态；

通过外部设备检测到焦平面组件位置偏差时，对调节紧定用螺丝进行调节，来进行焦平面组件的调节；焦平面组件调节完成后，通过锁紧螺钉进行锁紧固定。

9.如权利要求8所述焦平面组件的调节方法，其特征在于，

实现焦平面组件的六维调节，包含：

各个平行于z轴的螺丝有相同的调节量时，焦平面组件沿z轴平移；

在xoy平面布置的螺丝，包含分别平行于y轴、在四个象限分布的多个第一组螺丝，和分别平行于x轴、在四个象限分布的多个第二组螺丝；同时调节同一组中至少一个对角线上的螺丝时，焦平面组件绕z轴旋转；

对第一组螺丝，与探测器安装板同一侧边缘的凸舌接触的第一组螺丝有相同的调节量时，焦平面组件沿y轴平移；

对第二组螺丝，与探测器安装板同一侧边缘的凸舌的第二组螺丝有相同的调节量时，焦平面组件沿x轴平移；

对平行于z轴的螺丝，在调节位于第一象限、或x轴正半轴、或第四象限的螺丝时，焦平面组件沿y轴顺时针旋转；或者，在调节位于第二象限、或x轴负半轴、或第三象限的螺丝时，焦平面组件沿y轴逆时针旋转；

对平行于z轴的螺丝，在调节位于第一象限、或y轴正半轴、或第二象限的螺丝时，使焦平面组件绕x轴顺时针旋转；或者，在调节位于第三象限、或y轴负半轴、或第四象限的螺丝时，焦平面组件沿x轴逆时针旋转。

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