CN113267863B - 光学安装座 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学安装座，包括第一框架和第二框架，其中，所述第一框架包括驱动调节器，该驱动调节器构造为能够沿第一方向运动，并且所述驱动调节器与推杆式活塞的斜坡接触，以使所述驱动调节器的运动驱使所述推杆式活塞沿第二方向运动；其中，所述推杆式活塞构造为能够推动所述第二框架上的运动触点，从而通过所述驱动调节器致使所述第二框架受控制地运动。
Description
相关文件的交叉引用
本申请要求于2020年1月30日提交的美国临时专利申请No.62/967,654的权益。美国临时专利申请No.62/967,654的公开内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及运动光学安装座，更具体地，涉及横向驱动运动光学安装座。
背景技术
典型的纵向驱动运动安装座将纵向对准理想线性运动的调节驱动螺纹件的旋转径向运动转换为纵向于调节螺纹件的轴向直线运动。图1A和图1B中示出了由索雷博(THORLABS)生产的一种典型的极稳定的北极星(POLARIS)纵向驱动运动安装座。
如图2所示，所有市场上现有的纵向驱动安装座都固定在朝上的方向，这些纵向驱动安装座具有使面板倾斜的楔角。这是必要的，因为楔形推杆被固定在纵向方向上，这个方向没有为了最小化俯仰和偏航(pitch and yaw)调整之间的串扰而进行优化，这个方向没有为了最小化因热膨胀引起的光束转向而进行优化，这个方向没有为了最小化在初始的热运动中心附近的运动位移而进行优化。调节器推杆也没有被限制在紧孔中，导致其可以自由摆动和移动。随着时间和环境的影响，所有这些会导致不良的调节性能以及不良的光束指向稳定性。
如图2所示，该纵向固定的楔形推杆在顶部运动位置处较短而在底部运动位置处较长。由于短推杆和长推杆之间的热膨胀量不同会导致显著的光束转向的增量。这两个推杆由于没有受到很好的约束也会在附近自由弹跳。
如图3A和图3B所示，市场上还有弯曲型纵向驱动器，但是由于其紧凑的包装，弯曲部分非常紧凑且它们都对材料施加了很大的应力。由于从一块到另一块之间的形状差异巨大，这些受到高应力的弯曲部分的性能均不相同，导致产品之间的串扰明显不同。这些弯曲部分还具有非常高的弹性系数，导致该范围的一端的弹力太小而该范围的另一端的弹力太大。材料中的高应力还会随着时间和温度以及振动而释放，随着时间和温度以及振动的影响而导致不良的光束指向稳定性。
因此，用户一直渴望能够满足以下需求的横向驱动运动光学安装座：
a.在远离光路的地方进行调整的需求，以防止光束或图像受阻。
b.无需进入光学安装座的后部而进行调整的需求。
c.在调整中增加楔形比率的需求，这将允许用户可以以运动范围为代价获得比例(resolution)，或者以比例为代价获得调整范围。
d.将调节螺纹件围绕推杆式活塞的旋转轴以360度角中任意角度定向的需求。
e.使调节螺纹件倾斜，例如，围绕推杆式活塞倾斜5度至175度的需求。
发明内容
实施例提供了一种光学安装座，包括第一框架和第二框架；其中，所述第一框架包括驱动调节器，该驱动调节器构造为能够沿第一方向运动，并且所述驱动调节器与推杆式活塞的斜坡接触，以使所述驱动调节器的运动驱使所述推杆式活塞沿第二方向运动；其中，所述推杆式活塞构造为能够推动所述第二框架上的运动触点，从而通过所述驱动调节器致使所述第二框架受控制地运动。
附图的简要说明
图1A和图1B示出了一种由索雷博(THORLABS)生产的典型的超稳定北极星(POLARIS)纵向驱动运动安装座，即北极星(POLARIS)-K2F2，图1A为前视图，图1B为后视图。
图2示出了市面上的一种纵向驱动安装座。
图3A和图3B示出了市面上的一些弯曲性纵向驱动安装座。
图4A至图4C示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座。
图5示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座中的驱动螺纹件的定向。
图6A至图6C示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座中的组件。
图7示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座中的力矢量。
图8示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座中的弹簧。
图9A至图9C示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座的正常位置。
图10A至图10C示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座的向前位置。
图11A至图11C示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座的反向位置。
图12A至图12C示出了根据一种实施例的推杆式活塞的标准的1：1楔角，其中，光学安装座处于正常位置，并示出了位移矢量。
图13A至图13C示出了根据一种实施例的推杆式活塞的更高比例楔角，其中，光学安装座处于正常位置。
图14A至图14H示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座的背板框架。
图15A至图15C示出了根据一种实施例的调节驱动螺纹件。
图16A至图16G示出了根据一种实施例的推杆式活塞。
图17A至图17E示出了根据一种实施例的推杆式活塞。
图18示出了安装座的偏转角和温度与时间的曲线图。
图19A至图19D示出了安装座的偏转角和支架温度与时间的曲线图。
图20示出了安装座的温度与时间的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的原理所描述的示例性实施例意在结合相应的附图理解，这些附图应被认为是整个书面描述的一部分。在本文公开的本发明的实施例的描述中，任何对方向或方位的引用仅是为了便于描述，而不以任何方式限制本发明的范围。相关术语例如“低于”、“高于”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、“上”、“下”、“顶”和“底”以及它们的派生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应理解为指的是当时所描述方位或在所讨论的附图中所示的方位。除非对这些相关术语有明确说明外，这些相关术语均仅为了便于描述，并不要求按照特定方向来构造或操作装置。除非另有明确说明外，例如“附接”、“粘接”、“连接”、“耦合”和“互相连接”等类似术语指的是，结构直接或通过中间结构间接地彼此固定或附接的关系，以及结构之间是活动地或刚性地附接或关联的关系。此外，本发明的特征和优势通过参考示例性实施例进行说明。因此，本发明不应该被明确限于一些可能的非限制性的特征组合的示例性实施例，该可能的非限制性的特征组合可以单独存在或与其他特征组合；本发明的范围应由所附的权利要求书限定。
本公开描述了目前设想的实施本发明的最佳模式。该描述不应被理解为对本发明的限制，而是通过参考附图仅以说明性为目的地提供了本发明的示例，以向本领域的普通技术人员解释本发明的优点和构造。在附图的各种视角中，相同的附图标记表示相似或类似的部件。
根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座，该横向驱动运动光学安装座将横向对准理想线性运动的调节驱动螺纹件的旋转径向运动转换成轴向线性运动，该轴向线性运动不是沿调节螺纹件的纵向方向，而是与调节螺纹件的纵向成一定角度，该角度通常是90度，但该角度也可以是任何角度，例如，从5度至175度。另外，横向驱动可以被定向为与推杆式活塞的直线运动的轴线成360度左右的任意角度。在图4A至图4C中，根据一种实施例的产品图像示出了在调节螺纹件和推杆式活塞运动之间以90度角定向的驱动螺纹件，其中调节螺纹件被定向为朝上的方向。在图5中，根据一种实施例，这里有两个竖直的调节驱动螺纹件，和一个与竖直方向成一定角度(例如45度)倾斜的调节驱动螺纹件。图6A至6C示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座的组件。从图6A至图6C中可以看出，横向驱动运动光学安装座包括第一框架110和第二框架120，第一框架110包括沿第一方向(例如，竖直方向)移动的驱动调节器130，并且驱动调节器与推杆式活塞140上的斜坡接触，驱动调节器130的运动驱使推杆式活塞140沿第二方向(例如，水平方向)移动。推杆式活塞140推动第二框架120上的运动触点150，从而实现第二框架120的受控制的运动。在一个示例性实施例中，该装置包括：位于6个位置上的抛光的硬接触框架150，经硬化和抛光的轴承球160，由硬质精密加工并抛光的材料制成的横向推杆式活塞140，由特殊精密加工的高负载材料制成的微距调节螺纹件130，调节锁紧螺母170，精密加工的高度抛光的活塞孔180，排气活塞孔密封盖190，抛光的硬质轴承球200，镜片单元框架120和背板框架110。
在一种实施例中，驱动调节器是将径向旋转转换成线性运动的螺纹件。驱动调节器的其他实施例包括压电致动器、机电致动器等。推杆式活塞通过调节球和斜坡接触，将驱动调节器的线性运动转换成在推杆式活塞及其孔的不受限制的方向的横向线性运动。图7示出了调节螺纹件力y矢量710、调节螺纹件力x矢量720和推杆力矢量730，图7还示出了弹簧力矢量740。在一种实施例中，如图8所示，弹簧被用于提供反作用力，以使镜片单元框架上的运动触点紧紧地保持在推杆式活塞上的球形触点及调节球形接触点的斜坡上。推杆式活塞推动运动触点，从而使得镜片单元框架移动。图9A至图11C示出了取决于驱动螺纹件位置的镜片单元框架的不同位置，推杆式活塞仅允许受控制的进出的线性运动。由于推杆式活塞的运动方向受到控制，镜片单元框架上的运动触点可以以任何配置被定向以支持理想的运动位移。整个系统也受到运动限制，以为镜片单元框架提供非常稳定的定位
注意运动位移的比例取决于推杆式活塞的楔角，图12A至图12C示出了根据一种实施例的1：1的楔角，图13A至图13C示出了根据另一种实施例的更高比例的楔角。
图14A至图14H是背板框架的一种示例性实施例，图15A至图15C是调节驱动螺纹件的一种示例性实施例，以及图16A至图16G、和图17A至图17E是横向光学安装座中的推杆式活塞的两个示例性实施例。应当被理解的是在不同的应用需求中可以考虑框架、调节驱动螺纹件和推杆式活塞的其他设计。
工业中的许多纵向驱动安装座已经进行了测试，并发现它们在温度和振动方面具有非常差的光束指向稳定性，且具有非常差的调节比例(adjustment resolution)以及轴向运动之间的大量串扰。与之相反，根据本发明的一个或多个实施例的横向驱动运动光学安装座在温度和振动方面具有非常好的光束指向稳定性，还具有好的调节比例以及在轴向运动之间没有可测量的串扰。图18至图20示出了北极星-K2F1(POLARIS-K2F1)型产品相比于根据本发明的一种实施例的横向驱动运动学光学安装座的性能曲线。从温度方面的光束指向稳定性的数据中可以看出，由索雷博(THORLABS)生产的通常被称为工业中最稳定的镜片安装座的超稳定的北极星-K2F1(POLARIS-K2F1)和根据本发明一种实施例的横向驱动运动光学安装座在温度方面的表现非常相近。
目前在工业上可获得的范围内的许多驱动安装座产品的运动触点具有差的表面韧性且磨损得很快。与之相反，根据本发明的一个或多个实施例的横向驱动运动光学安装座全部使用硬化的运动触点，通常经过硬化、回火和抛光的440C轴承钢和抛光的蓝宝石触点能够实质上抵抗磨损并且具有很低的接触摩擦。
目前工业上可获得的驱动安装座产品上的驱动装置尚未考虑到热膨胀的影响，并且它们通常具有以不同的速率膨胀和收缩的长推杆和短推杆。与之相反，根据本发明的一个或多个实施例的横向驱动运动光学安装座在过温时最小化光束转向以控制热膨胀，在俯仰和偏航轴上具有平衡的运动，从而在温度和振动方面提供更好的稳定性，并且具有定向的运动滑动平面，使其控制热运动惯性中心，以在过温时最大程度地减小光学运动和光束转向。图18示出了根据一种实施例的横向驱动运动光学安装座的性能图。
目前在工业上可获得的大多数驱动安装座产品在整个运动学结构(特别是在推杆连接机构)中具有许多斜面。与之相反，根据本发明的一个或多个实施例的横向驱动运动光学安装座具有严格受控的运动学结构。驱动螺纹件与其配合的螺纹紧密配合，推杆式活塞与其配合的孔紧密配合并具有完全的运动学约束，并且运动触点被定向为支撑完全的运动学约束。机械系统中的所有斜面均受到严格控制。此外，横向驱动运动光学安装座将横向位移机构与主运动位移机构分开，使得每个的方位都得到优化，以实现理想的运动功能，且具有被定向的运动滑动平面，使得它们可以控制在俯仰和偏航轴上的线性运动，以减少或消除轴之间的串扰。
目前行业中可获得的驱动安装座产品具有固定的驱动角。与之相反，根据本发明的一个或多个实施例的横向驱动运动光学安装座允许驱动角度在360度角范围内变化且仍然实现相同的功能。这允许我们可以将产品配置为具有围绕推杆式活塞的旋转轴成任何角度定向的调节驱动螺纹件。横向驱动运动光学安装座允许通过旋转调节驱动螺纹件来驱动中心调节器，以允许工具以一定角度进入，并允许将中心调节器驱动螺纹件布置在顶部驱动螺纹件的后面以驱动中心调节器，并且允许调整所有3个调节器。
本发明解决了之前阻碍横向驱动或纵向驱动安装座实现相同类型的功能的问题，并且该功能之前仅允许被配置于纵向驱动结构的超精密运动安装座实现。
尽管已经通过几个所描述的实施例详细且特定地描述了本发明，但是本发明不旨在受限于任何这样的细节或实施例或特定实施例，而是理解为应鉴于现有技术以提供尽可能广泛的解释，以有效地涵盖本发明的预定范围。此外，前述内容根据发明人所预见的能够实现的实施例描述了本发明，尽管如此，本发明的非实质性修改(目前未预见的)仍可以代表等同内容。
Claims (31)
1.一种光学安装座，包括第一框架和第二框架；
其中，所述第一框架包括驱动调节器，所述驱动调节器构造为能够沿第一方向运动，并且所述驱动调节器与推杆式活塞的斜坡接触，以使所述驱动调节器的运动能够驱使所述推杆式活塞沿第二方向运动；
其中，所述推杆式活塞构造为能够推动所述第二框架上的运动触点，从而通过所述驱动调节器致使所述第二框架受控制地运动；
其中，所述推杆式活塞具有V形斜坡，所述V形斜坡具有两个均与所述驱动调节器接触的运动接触平面，以允许所述推杆式活塞旋转，由于两个接触力是平衡的，因此使所述V形斜坡自动调整以垂直于所述驱动调节器。
2.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器为推压在所述推杆式活塞的所述斜坡上的螺纹件。
3.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器为推压在所述推杆式活塞的所述斜坡上的压电致动器。
4.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器为安装于调节螺纹件的压电致动器，所述调节螺纹件推压在所述推杆式活塞的所述斜坡上。
5.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器为推压在所述推杆式活塞的所述斜坡上的机电致动器。
6.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器为推压在所述推杆式活塞的所述斜坡上的机械致动器。
7.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器包括嵌设在所述驱动调节器和所述推杆式活塞的所述斜坡之间的球。
8.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器包括在所述驱动调节器和所述推杆式活塞的所述斜坡之间的一体式圆形触点。
9.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞包括嵌设在所述推杆式活塞和所述运动触点之间的球。
10.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞包括在所述推杆式活塞和所述运动触点之间的一体式圆形触点。
11.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞包括一体集成在其中的一体式机电致动器。
12.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞包括一体集成在其中的压电致动器。
13.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞包括一体集成在其中的负线性热膨胀系数材料，以抵消所述推杆式活塞的线性热膨胀系数，或者在过热时以稳定组件中的其他运动。
14.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器推压在所述推杆式活塞的所述斜坡上，所述驱动调节器围绕所述推杆式活塞的旋转轴以0度到360度之间的任意角度定向。
15.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器垂直推压在所述推杆式活塞的所述斜坡上，所述推杆式活塞的所述斜坡以大于0度至小于180度的任意角度定向。
16.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞的所述斜坡具有不同的角度，以实现不同的传动比。
17.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器垂直推压在所述推杆式活塞的所述斜坡上，所述推杆式活塞的所述斜坡以大于0度到小于180度的任意角度定向，以实现不同的传动比。
18.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞垂直于可移动运动框架平移，从而允许所述可移动框架的运动触点的任意配置。
19.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞垂直于可移动运动框架平移，从而允许以期望的运动位移和热运动性能优化所述运动触点的方向。
20.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞垂直于可移动运动框架平移，从而允许运动接触滑动平面的方向面向于镜片的中心，以能够在光学对中对于功能至关重要时，在温度过热时提供最佳的光学对中。
21.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞垂直于可移动运动框架平移，从而在平移过程中的串扰最小化对于功能至关重要时，允许运动接触滑动平面的方向面向于平移的方向。
22.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞垂直于可移动运动框架平移，从而允许调整运动接触滑动平面的方向，以得到期望的惯性运动中心，从而改善功能。
23.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞垂直于可移动运动框架平移，从而允许调整运动接触滑动面的方向，以得到期望的惯性热运动中心，从而改善功能。
24.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述推杆式活塞完全受孔约束，并且只能沿所述第二方向来回平移。
25.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器包括中心调节器，该中心调节器的位置可围绕于所述推杆式活塞的螺纹件的旋转轴旋转，以允许工具以任何所期望的角度进入或允许致动器以任何所期望的角度装配。
26.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器包括中心调节器，该中心调节器的位置位于顶部调节器的后面，以允许两个调节器和成对推杆式活塞驱动位于彼此上下方向的运动位移。
27.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，多对致动器彼此并排放置，并且具有位于对应的致动器下方的彼此连续且更长的成对推杆式活塞，以允许多个调节器和成对推杆式活塞驱动器彼此重叠，从而允许通过横向调整和移动来控制一堆运动框架。
28.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，多对致动器彼此并排放置，并且具有位于对应的致动器下方且彼此反向旋转的彼此连续且更长的成对推杆式活塞，以允许多个调节器和成对推杆式活塞驱动器彼此重叠并嵌设在一起，类似于V型发动机中的活塞模式，从而允许通过横向调节和移动来控制一堆运动框架，且所述推杆式活塞的长度更短。
29.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述光学安装座还包括在所述推杆式活塞后面的排气帽，所述排气帽用以防止污染、密封润滑并用作活塞挡块。
30.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述光学安装座还包括在所述推杆式活塞的后方的通风的框架和不通风的盖，以防止污染、密封润滑并充当活塞止挡块。
31.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述驱动调节器包括调节螺纹件，该调节螺纹件通过调节锁紧螺母被锁止在适当位置。
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