CN112912787A

CN112912787A - 预对准光学安装件

Info

Publication number: CN112912787A
Application number: CN201980070673.5A
Authority: CN
Inventors: J·S·布鲁克; S·巴顿; B·梅尔; E·利泽尔
Original assignee: Tonglei Co ltd
Current assignee: Tonglei Co ltd
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: EP3871039A1; US11982861B2; WO2020086848A1; CN112912787B; EP3871039A4; CA3117340A1; US20200132959A1

Abstract

一种制备预对准光学安装件的方法，包括：将期望光学元件安装至外壳上；将外壳固定至具有至少四个自由度的物台；通过物台的调整使光学元件与指定光学轴线对准；加工外壳以匹配光学平台，外壳安装至光学平台上；其中外壳加工成使得当外壳安装至光学平台上时，光学元件的光学轴线与相对于光学平台的预定义光学轴线对准。

Description

预对准光学安装件

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2018年10月26日的美国临时专利申请No.62/751,257的权益。美国临时专利申请No.62/751,257的公开内容和整体教导内容据此以引用方式并入。

技术领域

本发明整体地涉及光学安装件。更特别地，本发明涉及预对准光学安装件。

背景技术

在光学系统中，每个部件的对准必须为非常精确的。通常，每个部件的对准执行以确保部件居中并且相对于光学轴线为正交的。然而，执行对准是非常耗时的，并且其通常涉及中心调整以及以对准光学器件的尖端/倾斜调整。此外，在一些光学系统中，部件放置于非常紧凑空间中，从而使对准过程非常困难。

因此，存在对于光学部件的需求，该光学部件预对准成使得当这些光学部件安装至光学系统设置中时，无需进一步对准。

发明内容

本公开的一个实施例提供了一种制备预对准光学安装件的方法，该方法包括：将期望光学元件安装至外壳上；将外壳固定至具有至少四个自由度的物台；通过物台的调整使光学元件与指定光学轴线对准；加工该外壳以匹配光学平台，该外壳安装至光学平台上；其中外壳加工成使得当外壳安装至光学平台上时，光学元件的光学轴线与相对于光学平台的预定义光学轴线对准。

本公开的另一实施例提供了一种预对准光学安装件，该预对准光学安装件包括外壳和光学元件，该外壳配置用于安装至光学平台上，该光学元件安装至该外壳上；其中外壳加工成使得当该外壳安装至光学平台上时，光学元件的光学轴线与相对于光学平台的预定义光学轴线对准。

本公开的另一实施例提供了一种预对准光学套件，该预对准光学套件包括：多个预对准光学安装件，和光学工作台；其中每个预对准光学安装件包括：外壳和特定光学元件，该特定光学元件安装至该外壳上；其中外壳包括：外壳上的接触表面，和接触表面上的第一和第二孔；其中接触表面相对于期望平面进行加工，并且第一和第二孔的位置和尺寸设定成配合光学工作台上的对应第一和第二定位销轴；其中当多个预对准光学安装件的接触表面接触插入有其相应定位销轴的光学工作台时，多个光学元件的光学轴线与相对于光学工作台的对应预定义光学轴线对准，并且期望光学路径与多个光学元件的光学轴线对准。

本公开的另一实施例提供了一种CNC铣床；物台，该物台具有至少四个自由度，该物台配置成牢固地支撑物台；光源，该光源配置成生成光束；分光镜，该分光镜配置成将光束传输至光学元件上并且将光从光学元件发射至第一检测器上；第二检测器，该第二检测器配置成检测由光学元件所传输的光；处理器，该处理器配置成通过基于第一和第二检测器的信号检测器将调整命令发送至物台而使光学元件与指定光学轴线对准；该处理器还配置成控制CNC铣床以铣削外壳来匹配光学平台，该光学平台安装有外壳；其中外壳铣削成使得当外壳安装至光学平台上时，光学元件的光学轴线与相对于光学平台的预定义光学轴线对准。

附图说明

图1根据本发明的一个实施例示出了放置于CNC铣床中的光学设置。

图2根据本发明的一个实施例为光学设置的顶视图。

图3根据本发明的一个实施例为光学设置的透视图。

图4根据本发明的一个实施例为光学设置的前视图。

图5根据本发明的一个实施例为预对准光学安装件的透视图。

图6根据本发明的一个实施例为预对准光学安装件。

图7根据本发明的一个实施例为预对准光学安装件。

图8根据本发明的一个实施例为预对准光学安装件。

图9根据本发明的一个实施例为预对准光学安装件。

图10根据本发明的一个实施例为插入有杆的预对准光学安装件。

具体实施方式

根据本公开的原理的例示性实施了的描述旨在结合附图来阅读，这些附图应视为整个书面描述的一部分。在本文所公开的公开内容的实施例的描述中，对于方向或取向的任何引用仅旨在便于描述，并且非旨在以任何方式限制本公开的范围。相对术语，诸如“下部”、“上部”、“水平”、“竖直”、“之上”、“之下”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如，“水平地”、“向下”、“向上”等)，应理解成指代如所讨论的附图中所描述或所示的取向。这些相对术语仅便于描述，并且不需要设备以特定取向进行构造或操作，除非明确地这样指示。术语，诸如“附接”、“附连”、“连接”、“联接”、“互连”等，指代一种关系，其中结构直接地或通过居间结构间接地彼此固定或附接，以及均为可移动或刚性附接或关系，除非另行明确地描述。此外，本公开的特征和益处通过参考所举例实施例进行说明。因此，本公开明确地不应限制于此类示例性实施例，这些实施例示出了特征的一些可能非限制性组合，这些特征可单独地存在或以特征的其它组合存在；本公开的范围由本文所附的权利要求书来限定。

本公开描述了如目前所设想的实践本公开的一种或多种最佳模式。本描述非旨在以限制性意义来理解，而是提供了本公开的实例，该实例通过参考附图仅出于说明目的而呈现以向本领域的技术人员告知本公开的优点和构造。在附图的各个视图中，类似附图标号命名类似或相似部件。

重要的是，应当注意，所公开的实施例仅为本文创新教导内容的许多有利用途的实例。一般来说，在本申请的说明书中所做出的陈述非必然地限制各种所要求保护公开内容的任何内容。此外，一些陈述可适用于一些创新特征，但不适用于其它特征。一般来说，除非另行指示，单数元件可为复数，反之亦然，而不失通用性。

图1根据一个实施例示出了放置于计算机数控(CNC)铣床100中的光学设置200。需注意，可使用任何光学元件，诸如透镜、镜面、棱镜、光栅等。出于说明目的，透镜将用作实例。透镜安装于光学安装件的外壳中。光学安装件包括可加工部分，使得材料可移除以产生接触表面，该接触表面平行于基准平面，并且光学元件的光学轴线处于期望高度处。处理器300控制CNC铣床的操作。图2至图4根据一个实施例以不同视图示出了光学设置200。单模式光纤激光器210穿过板式分光镜220至透镜。如图5所示，透镜500为将与光学工作台对准的期望部分，并且接触表面510加工至预定义光学轴线高度并且通过两个精密定位销轴和孔进行居中。图5还示出了狭槽540以用于经由支架、螺栓等将安装件固定至光学工作台上。

为便于讨论，使用了X-Y-Z参考系。具有透镜500的光学安装件通过台钳来保持，该台钳附接至具有至少四个自由度的物台210(例如，六脚架)；在Z方向和Y方向上平移，直至检测器240(例如，2D侧向传感器)上的传输光束与其起始位置重叠。此外，物台的俯仰和偏摆进行调整，直至由镜面250所反射的条纹图案与其在检测器260(例如，CMOS相机)上的起始位置重叠。透镜通过物台的对准以迭代方式通过处理器300来执行，直至实现可接受的对准。

在对准之后，物台锁定于适当位置，使得部件可基于光学平台的光学轴线/路径要求而将表面铣削至适当高度并且点出、钻出和/或铰出定位销轴孔，光学安装件将安装至该光学平台上。例如，如果将光学安装件安装至光学工作台上并且要求光学轴线处于光学工作台上方的高度h的平面中，居中于插入光学工作台中的分开距离d的两个定位销轴之间，每个定位销轴具有半径r。安装件将进行铣削以形成接触表面，该接触表面具有平行于偏移高度h的所对准光学轴线的平面，并且正交于所对准光学轴线的距离d/2的两个孔在接触表面上钻出，每个孔具有半径r。应当理解，对于光学平台中的其它安装特征(例如，狭槽、通道、杆等)，预对准光学安装件中的对应匹配表面特征可基于简单几何形状而相应地铣削成适当尺寸和形状。

在一个实施例中，物台通过夹钳锁定于适当位置，例如，气动式夹钳或压电致动夹钳。当工具光学地校准时，它们在Y轴和Z轴上均“归零”至激光束。X轴通过使用触摸探头来触碰透镜的表面进行归零。类似方法还可用于对准镜面或其它光学元件。激光器与该工作台沿着X轴线的运动光学地对准。

在一个实施例中，在铣削和钻孔期间，监测检测器信号以确保对准未受铣削工具干扰。处理器可利用检测器的信号来操纵物台。在一个实施例中，反馈环路用于将连续侧向和/或角度信息提供至处理器以在铣削过程期间维持适当对准。

需注意，上述方法和系统可适用于其它光学安装件，例如运动安装件、平移安装件。此外，预对准不限于单个平面。即，本发明的实施例可在光学设置中提供预对准光学元件，该预对准光学元件包括X方向、Y方向和Z方向上的光路径。

在一个实施例中，如图6所示，预对准光学安装件600中的光学元件650应与光学工作台对准，并且接触表面620加工成预定义光学轴线高度并且通过两个精密定位销轴640和孔630进行居中，定位销轴640和孔630对应于光学工作台中的两个610。当接触表面接触光学工作台时，其中第一和第二定位销轴640分别插入第一和第二孔610、630中，光学元件650的光学轴线与相对于光学工作台的预定义光学轴线对准。

在另一实施例中，如图7所示，替代定位销轴和孔，期望部分700可加工成具有接触表面720的底部处的方形或矩形凸台730，并且光学工作台制备有其中的匹配方形通道710，使得光学元件可沿着该通道滑动，同时维持与光学轴线的对准。当接触表面接触光学工作台时，其中突出部滑动至光学工作台的通道中，光学元件750的光学轴线与相对于光学工作台的预定义光学轴线对准。随着预对准光学安装件沿着通道滑动，光学元件的光学轴线保持于光学平面中。

在另一实施例中，如图8所示，期望部分800可加工成具有接触表面820的底部处的突出部830，并且光学工作台制备有其中的匹配狭槽810。突出部可以指定取向插入狭槽中，使得当突出部插入狭槽中时，光学元件850与光学轴线对准。

在另一实施例中，如图9所示，期望部分900可加工成具有外壳中的多个孔。多个孔的位置和尺寸设定成配合平行杆的布置的对应杆。如图10所示，当多个平行杆插入外壳的相应多个孔中时，光学元件950的光学轴线与相对于该布置的预定义光学轴线对准。

虽然本公开已在一定篇幅和以相对于数个描述实施例的一些特殊性进行描述，但是据预期，本公开不应限制于任何此类细节或实施例或任何具体实施例，而是应参考附属权利要求书来理解，以提供鉴于现有技术的此类权利要求书的最广泛可能解释并且因此以有效地涵盖本公开的预期范围。

本文所叙述的所有实例和条件语言旨在出于教导目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人为推进本领域而提出的理念；并且应理解为不限于此类具体叙述的实例和条件。此外，本文叙述本公开的原理、方面和实施例以及其具体实例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同物两者。此外，据预期，此类等同物包括当前已知等同物以及未来所开发等同物两者，即所开发的任何元件，这些元件执行相同功能而不考虑结构。

Claims

1.一种制备预对准光学安装件的方法，所述方法包括：

将期望光学元件(500)安装至外壳上；

将所述外壳固定至具有至少四个自由度的物台(230)；

通过所述物台的调整使所述光学元件与指定光学轴线对准；

加工所述外壳以匹配光学平台，所述外壳安装至所述光学平台上；

其中所述外壳加工成使得当所述外壳安装至所述光学平台上时，所述光学元件的光学轴线与相对于所述光学平台的预定义光学轴线对准。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学元件与所述指定光学轴线的对准包括将光束(210)指引至所述光学元件，和执行以下项的至少一者：

在Z方向和Y方向上调整所述物台(230)，直至2D侧向传感器(240)上的传输光束与其起始位置重叠；

调整所述物台(230)的俯仰和偏摆，直至反射条纹图案与其在相机(260)上的起始位置重叠。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述光学元件与所述指定光学轴线的对准迭代地执行，直至实现可接受的对准。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括利用接触探头以用于在X方向上对准所述光学元件。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学平台为光学工作台，所述光学工作台具有在指定位置插入所述工作台中的第一和第二定位销轴，且其中所述外壳的加工包括：

在所述外壳上加工接触表面；

在所述接触表面上钻出第一和第二孔；

其中所述接触表面相对于期望平面进行加工，并且所述第一和第二孔的位置和尺寸设定成配合所述光学工作台上的对应第一和第二销轴，使得当所述接触表面接触所述光学工作台时，所述光学元件的光学轴线与相对于所述光学工作台的预定义光学轴线对准，其中所述第一和第二定位销轴分别插入所述第一和第二孔中。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学平台为光学工作台，所述光学工作台包括狭槽，且其中所述外壳的加工包括：

加工所述外壳以形成接触表面和所述接触表面的突出部；

其中所述接触表面相对于期望平面进行加工，所述突出部的尺寸设定成以特定取向配合所述光学工作台中的对应狭槽，使得当所述接触表面接触所述光学工作台时，所述光学元件的光学轴线与相对于所述光学工作台的预定义光学轴线对准，其中所述突出部插入所述光学工作台的狭槽中。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学平台为光学工作台，所述光学工作台包括通道，且其中所述外壳的加工包括：

加工所述外壳以形成接触表面和所述接触表面的突出部；

其中所述接触表面相对于期望平面进行加工，所述突出部的尺寸设定成以特定取向配合所述光学工作台中的对应通道，使得当所述接触表面接触所述光学工作台时，所述光学元件的光学轴线与相对于所述光学工作台的预定义光学轴线对准，其中所述突出部滑动至所述光学工作台的通道中。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学平台为多个平行杆的布置，且其中所述外壳的加工包括：

在所述外壳中钻出多个孔；

其中所述多个孔的位置和尺寸设定成配合所述光学平台的对应杆，使得当所述多个平行杆插入所述外壳中的相应多个孔中时，所述光学元件的光学轴线与相对于所述光学平台的预定义光学轴线对准。

9.一种预对准光学安装件，包括：

外壳(600、700、800、900)，所述外壳(600、700、800、900)配置成安装至光学平台上，和

光学元件(650、750、850、950)，所述光学元件(650、750、850、950)安装至所述外壳上；

10.根据权利要求9所述的预对准光学安装件，其中所述外壳还包括一个或多个狭槽(540)以用于容纳安装支架或螺栓来将所述预对准光学安装件固定至所述光学工作台上。

11.根据权利要求9所述的预对准光学安装件，其中所述光学平台为光学工作台，所述光学工作台具有在指定位置(610)插入所述工作台中的第一和第二定位销轴(640)，且其中所述外壳包括：

所述外壳(600)上的接触表面(620)；和

所述接触表面(620)上的第一和第二孔(630)；

12.根据权利要求9所述的预对准光学安装件，其中所述光学平台为光学工作台，所述光学工作台包括狭槽(810)，且其中所述外壳(800)包括：

接触表面(820)；和

所述接触表面(820)的突出部(830)；

13.根据权利要求9所述的预对准光学安装件，其中所述光学平台为光学工作台，所述光学工作台包括通道(710)，且其中所述外壳(700)包括：

接触表面(720)；和

所述接触表面(720)的突出部(730)；

14.根据权利要求9所述的预对准光学安装件，其中所述光学平台为多个平行杆(1010、1020、1030、1040)的布置，且其中所述外壳(900)包括所述外壳中的多个孔(910、920、930、940)；

15.一种预对准光学套件，包括：

多个预对准光学安装件；和

光学工作台；

其中每个预对准光学安装件包括：

外壳；和

特定光学元件，所述特定光学元件安装至所述外壳上；

其中所述外壳包括：

所述外壳上的接触表面；和

所述接触表面上的第一和第二孔；

其中所述接触表面相对于期望平面进行加工，并且所述第一和第二孔的位置和尺寸设定成配合所述光学工作台上的对应第一和第二定位销轴；

其中当所述多个预对准光学安装件的接触表面接触插入其相应定位销轴的所述光学工作台时，所述多个光学元件的光学轴线与相对于所述光学工作台的对应预定义光学轴线对准，并且期望光学路径与所述多个光学元件的光学轴线对准。

16.一种制备预对准光学安装件的系统，所述预对准光学安装件包括安装至外壳上的光学元件，所述系统包括：

计算机数控(CNC)铣床(100)；

物台(230)，所述物台(230)具有至少四个自由度，所述物台(230)配置成牢固地支撑所述外壳；

光源(210)，所述光源(210)配置成生成光束；

分光镜(220)，所述分光镜配置成将所述光束传输至所述光学元件(500)上和将光从所述光学元件反射至第一检测器(260)上；

第二检测器(240)，所述第二检测器(240)配置成检测由所述光学元件所传输的光；

处理器(300)，所述处理器(300)配置成通过基于所述第一和第二检测器的信号检测器将调整命令发送至所述物台而使所述光学元件与指定光学轴线对准；

所述处理器还配置成控制所述CNC铣床以铣削所述外壳来匹配光学平台，所述光学平台安装至所述外壳；

其中所述外壳铣削成使得当所述外壳安装至所述光学平台上时，所述光学元件的光学轴线与相对于所述光学平台的预定义光学轴线对准。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述物台为六角架物台。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一检测器为CMOS相机。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二检测器为2D侧向传感器。

20.根据权利要求16所述的系统，还包括夹钳，所述夹钳配置成在所述对准之后将所述物台锁定于适当位置。

21.根据权利要求16所述的系统，还包括接触探头，所述接触探头配置成沿着所述光学轴线对准所述光学元件的线性位置。

22.根据权利要求16所述的系统，其中所述处理器还配置成使所述CNC铣床的零位置与所述光束对准。