CN112113659B - 一种光电探测器位置对准装置和对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电探测器位置对准装置和对准方法，属于光电探测设备技术领域，解决了现有的位置对准装置不能实现四个维度上的调节，且在调节过程中无法避免各个自由度之间的联动耦合的问题。本发明的光电探测器位置对准装置，在光学系统和光电探测器之间设有第一圆盘、第二圆盘、连接板和套筒；所述连接板上设有平行于Y轴的第一腰形孔，所述第二圆盘上设有平行于X轴的第二腰形孔，所述第一圆盘上设有弧形槽，所述套筒与光学系统连接，套筒能够相对光学系统沿Z轴移动。本发明通过调节第一圆盘、第二圆盘、连接板和套筒之间的相对位置关系，能够实现光电探测器相对于光学系统分别沿X轴、Y轴和Z轴移动以及绕Z轴的旋转，旋转范围为360°。

Description

一种光电探测器位置对准装置和对准方法

技术领域

本发明涉及光电探测设备技术领域，尤其涉及一种光电探测器位置对准装置和对准方法。

背景技术

光电探测设备的工作流程一般是：光学系统接收目标区域的光波信号，利用光电探测器实现光波信号的光电转换，再由电子学系统对信号进行分析、处理。随着对光电探测设备性能要求越来越高，其作用距离越来越远，从而在光学系统口径一定的情况下，其接收到的光波信号越来越弱，而另一方面，光电探测器光敏面尺寸往往很小，比如用于激光远程探测的APD(雪崩光电二极管)的光敏面尺寸仅几十微米，必须保证光学系统光轴与光敏面良好的位置对准关系，才能正常测距；在一些变倍光学系统中，如果光电探测器与光学系统的光轴没有良好的位置对准关系，不仅会导致图像模糊，还会导致变倍过程中跟踪的目标偏离视场中心，甚至跑出视场之外，导致目标丢失。所以，光电探测器与光学系统光轴之间的位置对准是发挥光电探测设备性能的必要保障，在装调过程中科学高效地解决该问题是提高设备性能可靠性及生产效率的重要手段。

光电探测器与光学系统之间的位置对准需要解决四个自由度上的位置对准，而目前的对准方法通常具有下列缺点：不能实现四个维度上的调节以满足光电探测器对调节维度的要求，无法有效解决位置上的精确对准问题；在调节位置过程中，无法避免调节其中一个自由度的时候，其余自由度保持不变，也就是没有避免各个自由度之间的联动耦合，影响光电探测设备的装调效果和效率，比如在调节径向位置时，调节X轴的移动，可能Y轴上的位置也受影响，这样降低装调效率；在旋转维度上无法实现360°任意位置的调节定位，比如，有些应用中面阵探测器长、宽方向要与光学系统的X、Y轴平行，这样就需要探测器绕光轴旋转，而旋转角度在装调前无法确切得知，故必须要保证探测器可以做做360°的旋转，而现有的调节方法均只能作有限角度旋转。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种光电探测器位置对准装置和对准方法，以解决现有的位置对准装置不能实现四个维度上的调节，且在调节过程中无法避免各个自由度之间的联动耦合的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种光电探测器位置对准装置，包括第一圆盘、第二圆盘、连接板和套筒；

设定连接板与光电探测器连接的面的水平方向为X轴，竖直方向为Z轴，垂直于X轴和Y轴所组成的平面的方向为Z轴；

所述连接板上设有平行于Y轴的第一腰形孔，所述第二圆盘上设有平行于X轴的第二腰形孔，所述第一圆盘上设有弧形槽，所述套筒与光学系统连接，套筒能够相对光学系统沿Z轴移动。

进一步地，所述套筒包括第一圆环和第二圆环，第一圆环的内表面为光滑表面，第二圆环的内表面设有内螺纹，与第一圆环配合的光学系统的外表面为光滑表面，与第二圆环配合的光学系统的外表面设有外螺纹。

进一步地，所述第一圆盘设有凸缘，所述第二圆环的外表面设有台阶，所述凸缘与所述台阶配合。

进一步地，所述第二圆环上对应弧形槽的位置设有螺纹孔，相邻螺纹孔之间的张角小于弧形槽的张角。

进一步地，所述光电探测器位置对准装置还包括圆环，所述圆环套设在第二圆盘和连接板的外部，固定在第一圆盘上。

进一步地，所述圆环的外表面与X、Y轴相交处设有四个螺纹孔，位于Y轴上的两个螺纹孔对准所述连接板，位于X轴上的两个螺纹孔对准所述第二圆盘。

进一步地，所述连接板上还设有第一销钉孔，所述第一销钉孔为平行于Y轴的腰形孔，腰形孔的宽度与销钉直径一致。

进一步地，所述第二圆盘上还设有第二销钉孔，所述第二销钉孔为平行于X轴的腰形孔，腰形孔的宽度与销钉直径一致。

进一步地，第二圆环的外表面设有紧定螺钉。

进一步地，第一圆环在Z轴方向上的长度不小于第二圆环在Z轴上的长度。

进一步地，所述第一圆环的内径大于第二圆环的内径，在第一圆环与第二圆环之间形成台阶。

一种根据上述技术方案所述的光电探测器位置对准装置的对准方法，包括以下步骤：

步骤1：调节套筒以调节光学系统与光电探测器的轴向距离；

步骤2：调节连接板、第二圆盘和第一圆盘以调节光电探测器在X、Y轴上以及绕Z轴方向上相对光学系统的位置。

进一步地，步骤1中，调节完成后，旋紧第二圆环外表面的紧定螺钉，将套筒与光学系统之间的相对位置固定。

进一步地，步骤2中，当需要调节的角度较大时，将连接第一圆盘和第二圆环的螺钉完全拧出第二圆环的范围，旋转第一圆盘至所需位置后，再将螺钉插入第二圆环上相邻的螺纹孔内拧紧。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的光电探测器位置对准装置，通过各个组成零件之间的运动、约束关系，使得探测器的四个维度(即两个正交的径向平移，一个绕轴旋转，一个沿轴平移)独立可调。

(2)本发明的光电探测器位置对准装置，通过在旋转组件上设置弧形槽，在旋转摆正光电探测器过程中，实现360°任意位置的调节，提高了光电探测设备的性能和装调效果、效率。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的光电探测器位置对准装置的结构示意图；

图2为图1的侧剖视图；

图3为图2的局部放大图；

图4为本发明实施例的光电探测器位置对准装置的爆炸图；

图5为本发明实施例的第一圆盘的结构示意图；

图6为图5的剖视图；

图7为本发明实施例的套筒的剖视图。

附图标记：

1-第一圆盘，11-凸缘，2-第二圆盘，3-连接板，4-圆环，5-套筒，51-第一圆环，52-第二圆环，6-光电探测器，7-光学系统。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了便于说明，设定图1中水平轴为X轴，竖直的轴为Y轴，与X、Y轴组成的平面垂直的轴为Z轴。X轴负轴方向为左，正轴方向为右；Y轴正轴方向为上，负轴方向为下。

实施例1

本发明的一个实施例，如图1至图7所示，公开了一种光电探测器位置对准装置，包括第一圆盘1、第二圆盘2、连接板3、圆环4和套筒5。光电探测器6和光学系统7通过第一圆盘1、第二圆盘2、连接板3、圆环4和套筒5连接，通过调节第一圆盘1、第二圆盘2、连接板3、圆环4和套筒5之间的相对位置关系，能够实现光电探测器6相对于光学系统7分别沿X轴、Y轴和Z轴移动以及绕Z轴的旋转，旋转范围为360°，从而实现光电探测器6和光学系统7之间四个自由度的调节。

具体地，光电探测器6与连接板3固定连接。连接板3中间开孔，从而使得光电探测器6的光敏面能够接收光学系统的光信号。连接板3中间的开孔外围沿周向设有多个平行于Y轴的腰形孔，连接板3通过螺钉固定于第二圆盘2上，第二圆盘2上的相应位置设有螺纹孔，从而使得连接板3与第二圆盘2使用螺钉连接后，连接板3能够在腰形孔的范围内，相对第二圆盘2沿Y轴上下移动。为了限制连接板3在X轴方向上的运动，保证连接板3运动的确定性，连接板3和第二圆盘2之间还通过销钉连接，销钉孔为平行于Y轴的腰形孔，腰形孔的宽度与销钉直径一致，由于销钉的限制，从而使得连接板3相对于第二圆盘2只能做平行于Y轴的平移。

第二圆盘2为中间开孔的圆盘，开孔的尺寸不小于连接板3的开孔尺寸。第二圆盘2的开孔外围沿周向设有与连接板3的腰形孔和销钉孔对应的螺纹孔和销钉孔。第二圆盘2和连接板3通过螺钉和销钉连接后，螺钉和销钉在X、Y轴上相对于第二圆盘2的位置固定，连接板3相对于螺钉和销钉可在Y轴上平移，从而保证了连接板3相对于第二圆盘2的运动的确定性。

第二圆盘2上在螺纹孔和销钉孔的外围设有多个平行于X轴的腰形孔，第二圆盘2通过螺钉固定于第一圆盘1上，第一圆盘1上的相应位置设有螺纹孔，从而使得第一圆盘1与第二圆盘2使用螺钉连接后，第二圆盘2能够在腰形孔的范围内，相对第一圆盘1沿X轴左右移动。第二圆盘2的外径大于连接板3的外径，方便第二圆盘2的安装。为了限制第二圆盘2在Y轴方向上的运动，第二圆盘2和第一圆盘1之间还设有销钉。销钉孔为平行于X轴的腰形孔，腰形孔的宽度与销钉直径一致，由于销钉的限制，第二圆盘2相对于第一圆盘1只能做平行于X轴的平移。通过设置第二圆盘2和连接板3，实现了光电探测器6和光学系统7之间X方向和Y方向的相对位置的独立调节。

第二圆盘2和连接板3外设有圆环4，圆环4固定在第一圆盘1上。圆环4的内径大于第二圆盘2的外径，从而使得位于圆环4内的第二圆盘2和连接板3在圆环4的范围内能够移动。圆环4的厚度不小于连接板3与第二圆盘2的厚度之和，从而使得连接板3和第二圆盘2在Z轴方向能够全部位于圆环4的范围之内。圆环4的外表面与X、Y轴相交处设有4个螺纹孔。圆环4位于Y轴上的上、下两个螺纹孔对准连接板3，如图3所示，螺纹孔内旋入紧定螺钉，通过旋合上、下两个紧定螺钉，可上、下推动连接板3，从而实现连接板3相对于第二圆盘2沿Y轴平移，进而带动光电探测器6相对于第二圆盘2沿Y轴平移。

圆环4位于X轴上的左、右两个螺纹孔对准第二圆盘2，螺纹孔内旋入紧定螺钉，通过旋合左、右两个紧定螺钉，可左右推动第二圆盘2，从而实现第二圆盘2相对于第一圆盘1沿X轴平移，进而带动光电探测器6沿X轴平移。因此，通过圆环4上四个紧定螺钉的旋合即可实现光电探测器6沿X、Y轴的平移。移动第二圆盘2和连接板3时，将用于固定用的螺钉紧固扭矩减小，以使得部件能移动而不松脱，移动到位后再紧固。

第一圆盘1为中间开孔的圆盘，第一圆盘1的外径大于圆环4的外径。第一圆盘1的一面为光滑表面，另一面设有凸缘11，凸缘11用于与套筒5配合。第一圆盘1的中间开孔外围设有与第二圆盘2的腰形孔和销钉孔配合的螺纹孔和销钉孔，第一圆盘1和第二圆盘2通过螺钉和销钉连接后，螺钉和销钉在X、Y轴上相对于第一圆盘1的位置固定，第二圆盘2相对于螺钉和销钉可在X轴上平移，从而保证了第二圆盘2相对于第一圆盘1的运动的确定性。

第一圆盘1上沿周向还设有一个或多个弧形槽，多个弧形槽沿圆周均布，弧形槽的张角为θ。套筒5包括第一圆环51和第二圆环52。第二圆环52与第一圆盘1的弧形槽对应的位置沿周向设有多个螺纹孔，螺纹孔沿圆周均布，相邻两个螺纹孔与圆心的连线间的夹角为ɑ，其中θ>ɑ，即弧形槽张角θ大于套筒5上螺纹孔间隔角ɑ，如图5所示。第一圆盘1与第二圆环52通过螺钉连接，螺钉插入第一圆盘1的弧形槽和第二圆环52相应的螺纹孔，从而使得第一圆盘1和第二圆环52能够相对转动，且由于θ>ɑ，使得第一圆盘1可相对第二圆环52旋转至任意角度固定，从而实现光电探测器6相对光学系统7可绕Z轴旋转至任意位置。

进一步地，第二圆环52的外表面设有台阶，用于与凸缘11配合，在第一圆盘1和第二圆环52之间形成滑动配合面，限制了第一圆盘1相对于第二圆环52在X、Y、Z轴方向上的移动，从而保证第一圆盘1相对于第二圆环52旋转时，不会改变光学系统7与光电探测器6在X、Y、Z轴上的相对位置，保证了调节的准确性。调节完成后拧紧螺钉，从而使得第一圆盘1与第二圆环52的相对位置固定。

套筒5的第一圆环51的内径大于第二圆环52的内径，从而在第一圆环51和第二圆环52之间形成台阶，与光学系统7配合。第一圆环51内表面为光滑表面，第二圆环52的内表面为螺纹面。光学系统7的外表面分别与第一圆环51和第二圆环52的内表面配合，形成滑动配合面与螺纹副。通过旋进、旋出螺纹副，且在滑动配合面的约束下，能够实现光电探测器6沿Z轴平移，实现对焦平面的对准。

进一步地，第一圆环51在Z轴方向的长度不小于第二圆环52在Z轴方向的长度，从而确保在调节套筒5的过程中，第一圆环51始终与光学系统7接触，约束第二圆环52与光学系统7之间的螺纹副。

进一步地，套筒5的外表面还设有紧定螺钉，套筒5相对于光学系统7调节完成后，拧紧紧定螺钉，从而固定套筒5。

实施例2

本发明的一个实施例，公开了一种实施例1中的光电探测器位置对准装置的对准方法。光电探测器6和光学系统7通过光电探测器位置对准装置连接，调节时，将被测物体放在光学系统7一侧，然后根据光电探测器的输出信号(如图像)，使用位置对准装置调节光学系统7和光电探测器6之间的对准关系。以下以输出信号为图像信号为例，具体说明对准装置的调节方法：

步骤1：调节套筒5以调节光学系统7与光电探测器6的轴向距离：

先旋转套筒5，通过旋进、旋出套筒5的螺纹副，调节光电探测器6在Z轴上与光学系统7之间的距离，实现对焦平面的对准，当光电探测器6的输出图像清晰度达到要求时，调节完成，然后旋紧第二圆环52外面的紧定螺钉，将套筒5与光学系统7之间的相对位置固定。

步骤2：调节连接板3、第二圆盘2和第一圆盘1以调节光电探测器6在X、Y轴上以及绕Z轴方向上相对光学系统7的位置：

当光电探测器6输出的图像倾斜时，可通过调节光电探测器6与光学系统7在周向的相对位置以摆正输出图像。调节时，先将安装于第一圆盘1的弧形槽上的螺钉拧松，然后旋转第一圆盘1，调节完成后拧紧螺钉，固定第一圆盘1。当需要调节的角度大于较大时(例如，大于螺钉所在位置与弧形槽两端之间的张角)，将螺钉完全拧出第二圆环52的范围，旋转第一圆盘1至所需位置后，再将螺钉插入第二圆环52上相邻的螺纹孔内拧紧，从而实现了光电探测器6与光学系统7之间任意角度的调节。在旋转过程中，由于第一圆盘1与第二圆环52之间的滑动配合面的限制，使得第一圆盘1在X、Y、Z轴上相对第二圆环52的位置不会发生变化，从而保证了调节的准确性。

当光电探测器6输出的图像在X轴方向上有偏移时，通过调节光电探测器6与光学系统7在X轴上的相对位置以使输出图像居中。调节时，先将第二圆盘2上的螺钉拧松，然后左右推动圆环4外表面位于X轴上的螺钉，将光电探测器6调整到相应位置，调节完成后，拧紧第二圆盘2上的螺钉。

当光电探测器6输出的图像在X轴方向上有偏移时，通过调节光电探测器6与光学系统7在Y轴上的相对位置以使输出图像居中。调节时，先将第连接板3上的螺钉拧松，然后上下推动圆环4外表面上位于Y轴上的紧定螺钉，将光电探测器6调整到相应位置，调节完成后，拧紧连接板3上的螺钉。

综上所述，本发明实施例提供的一种光电探测器位置对准装置和对准方法，光电探测器和光学系统通过第一圆盘、第二圆盘、连接板、圆环和套筒连接，通过调节第一圆盘、第二圆盘、连接板、圆环和套筒之间的相对位置关系，能够实现光电探测器相对于光学系统分别沿X轴、Y轴和Z轴移动以及绕Z轴的旋转，旋转范围为360°，从而实现光电探测器和光学系统之间四个自由度的调节，提高了装调效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光电探测器位置对准装置，其特征在于，在光学系统(7)和光电探测器(6)之间设有第一圆盘(1)、第二圆盘(2)、连接板(3)和套筒(5)；

设定连接板(3)与光电探测器(6)连接的面的水平方向为X轴，竖直方向为Z轴，垂直于X轴和Y轴所组成的平面的方向为Z轴；

所述连接板(3)上设有平行于Y轴的第一腰形孔，所述第二圆盘(2)上设有平行于X轴的第二腰形孔，所述第一圆盘(1)上设有弧形槽，所述套筒(5)与光学系统(7)连接，套筒(5)能够相对光学系统(7)沿Z轴移动；

所述套筒(5)包括第一圆环(51)和第二圆环(52)，所述第二圆环(52)上对应弧形槽的位置设有螺纹孔，相邻螺纹孔之间的张角小于弧形槽的张角。

2.根据权利要求1所述的光电探测器位置对准装置，其特征在于，第一圆环(51)的内表面为光滑表面，第二圆环(52)的内表面设有内螺纹，与第一圆环(51)配合的光学系统(7)的外表面为光滑表面，与第二圆环(52)配合的光学系统(7)的外表面设有外螺纹。

3.根据权利要求1所述的光电探测器位置对准装置，其特征在于，所述第一圆盘(1)设有凸缘(11)，所述第二圆环(52)的外表面设有台阶，所述凸缘(11)与所述台阶配合。

4.根据权利要求1所述的光电探测器位置对准装置，其特征在于，所述光电探测器位置对准装置还包括圆环(4)，所述圆环(4)套设在第二圆盘(2)和连接板(3)的外部且固定在第一圆盘(1)上。

5.根据权利要求4所述的光电探测器位置对准装置，其特征在于，所述圆环(4)的外表面与X轴、Y轴相交处设有四个螺纹孔，位于Y轴上的两个螺纹孔对准所述连接板(3)，位于X轴上的两个螺纹孔对准所述第二圆盘(2)。

6.根据权利要求1所述的光电探测器位置对准装置，其特征在于，所述连接板(3)上还设有第一销钉孔，所述第一销钉孔为平行于Y轴的腰形孔，腰形孔的宽度与销钉直径一致。

7.根据权利要求1所述的光电探测器位置对准装置，其特征在于，所述第二圆盘(2)上还设有第二销钉孔，所述第二销钉孔为平行于X轴的腰形孔，腰形孔的宽度与销钉直径一致。

8.根据权利要求1所述的光电探测器位置对准装置，其特征在于，第二圆环(52)的外表面设有紧定螺钉。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的光电探测器位置对准装置的对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：调节套筒(5)以调节光学系统(7)与光电探测器(6)的轴向距离；

步骤2：调节连接板(3)、第二圆盘(2)和第一圆盘(1)以调节光电探测器(6)在X、Y轴上以及绕Z轴方向上相对光学系统(7)的位置。

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