CN114002799B - 一种三轴弹性结构光学调整架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴弹性结构光学调整架，该调整架为一种弹性调节构型，利用结构件本身的弹性提供调整架所需的调节活动范围，并通过预制负角度的初始安装位置使弹性部件获得负极限调节位置，以此实现调节范围内始终能够获得预紧力，及调节零位正负方向上的调节能力；通过组合三对弹性调节结构，使其形成互相垂直的三个调节回转轴，对与安装在该调整架上的光学元件，可获得三轴转动的调节能力，并具有锁定功能。

Description

一种三轴弹性结构光学调整架

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种三轴弹性结构光学调整架。

背景技术

光学系统中安装光学元器件时，由于元件本身特性和使用要求，往往需要在元件安装后对其进行安装位置附近的微调，使其满足与系统内其他光学元器件空间上的相对位置关系，满足器件光学特性，发挥器件预定的功能。在调节过程中，一般视情况需要对光学元器件进行平移、旋转等调整，目前市面上可获得的光学调整架普遍使用顶珠、弹簧、调节螺钉实现，结构连接较为离散，且难以实现彻底位置锁定，安装后长期放置过程中具有弹簧性能下降、弹簧预紧力不足、共振等问题，影响调整架稳定性和光学系统性能。此外，多轴光学调整架往往随着调整维度的增加带来结构的大幅复杂化，且安装位置往往受到结构件本身遮挡，造成体积增大，调节困难，光学器件安装后光路走向受限等问题，限制调整架适用空间。

发明内容

本发明在于提供一种结构稳定紧凑、具有多轴调节功能光学安装架，用支撑结构件本身弹性范围来提供调节所需活动空间，代替传统的弹簧拉紧式光学安装架。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种三轴弹性结构光学调整架，包括弹性座、固定座和光学元件固定座；所述弹性座包括Y轴弹性座、Z轴弹性座和X轴弹性座；所述固定座包括Y轴固定座、Z轴固定座、和X轴固定座；、和光学元件固定座；所述Y轴固定座上连接有Y轴弹性座；所述Y轴弹性座与Z轴固定座连接；所述Z轴固定座的一侧与Z轴弹性座连接；所述Z轴弹性座的一侧与X轴固定座连接；所述X轴固定座与X轴弹性座连接；所述光学元件固定座安装于任一弹性座上。

进一步地，所述弹性座的一端为活动部分，另一端为固定部分。

进一步地，所述弹性座靠近固定部分一侧的外形具有圆弧过渡轮廓用于产生形变；所述弹性座其余部分具有厚度连续减小的坡度。

进一步地，所述固定座与弹性座的固定部分不平行，形成夹角，所述固定座与弹性座的活动部分通过调节螺钉调节该夹角。

进一步地，所述固定座与弹性座固定部分形成的初始夹角可为-0.5°～-10°，该夹角的调节范围根据安装初始夹角，最小为-0.5°～+0.5°，最大为-10°～+10°。

进一步地，所述固定座与弹性座通过锁定螺钉和侧边U型槽固定调节后的活动部分。

进一步地，所述U型槽与固定座或弹性座连接。

进一步地，所述U型槽与固定座或弹性座一体成型。

进一步地，所述弹性座的材料优选铝合金、弹簧钢或不锈钢材料。

在上述技术方案中，本发明提供的一种三轴弹性结构光学调整架，具有以下有益效果：使用弹性结构组合实现三轴旋转自由度，可用于光学元件的三轴旋转调节；使用弹性结构本身预设偏移量作为负极限位置，因此在有效调节范围内都可由弹性结构本身提供弹性力压紧调节螺钉及其对应的接触面，无需外加弹簧等弹性元件提供压紧外力，且可以使用单个调节螺钉实现在零位的正负两个方向的有效调节，简化调节装置；使用螺钉锁紧侧边U形槽的形式锁定弹性座自由度，可以避免直接对调节螺钉的螺纹施加额外压力，放置调节螺钉长时间后的偏移；三轴弹性调节结构部分与光学元件安装座部分相对独立，光学元件安装位置前后都具有较大空间，使其除常见反射式元件外，也能够适合透射式光学元件，光路能够在安装架前后方以较大的出射和入射角度布置，适应多种应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的弹性调节原理示意图；

图2为本发明的弹性调节原理示意图；

图3为本发明的弹性调节三轴组合示意图；

图4为本发明实施例的一种三轴弹性结构光学调整架的后侧整体视图；

图5为本发明实施例的一种三轴弹性结构光学调整架的前侧整体视图；

图6为本发明实施例的一种三轴弹性结构光学调整架的拆解视图；

图中，1.Y轴弹性座；2.Y轴固定座；3.Z轴固定座；4.Z轴弹性座；5.X轴固定座；6.X轴弹性座；7.Y轴锁定螺钉；8.Z轴锁定螺钉；9.X轴锁定螺钉；10.Y轴调节螺钉；11.Z轴调节螺钉；12.X轴调节螺钉；13.Y轴弹性座紧固螺钉；14.Z轴固定座紧固螺钉；15.X轴固定座紧固螺钉；16.Y轴弹性座紧固螺钉；17.X轴弹性座紧固螺钉；18.光学元件安装座紧固螺钉；19.光学元件固定座。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

需要说明的是，本文所使用的的术语“上”、“之间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提出的一种三轴弹性结构光学调整架，其核心创意在于：摒弃传统拉簧顶珠结构的调整架中通常使用的拉紧方案，通过结构件本身弹性；同时有利用设置在L形安装底座立面上的两组驱动组件操控调整主体上的光学元件的垂直角度。

本发明提出的一种三轴弹性结构光学调整架，其弹性结构的调节实现原理如下：

如附图1所示，上半部分为弹性座截面示意图，下半部分为固定座截面示意图，弹性座P1位置具有圆弧过渡且厚度较薄，当弹性座P2位置被固定，P3位置受到外力作用时，弹性座整体应变位置将集中在最薄处P1，其余位置几乎无应变，因此图示弹性座P1位置左侧部分为活动部分，右侧为固定部分，活动部分活动时将大致绕P1形变位置中心线转动。同时，P2位置相对于对侧面具有一较小夹角，当弹性座安装于固定座上时，弹性座P2面与固定座P4面贴合紧固。如附图2所示，由于P2位置斜面存在，弹性座安装紧固后不受外力时位于图示A位置，此时为该弹性座调节的负极限位置，弹性座活动部分与固定座底面夹角为负。当安装在固定座上的调节螺钉向弹性座方向拧动时，调节螺钉端头将顶紧弹性座P3位置，推动弹性座发生弹性形变，使用调节螺钉推动弹性座形变至B位置时，弹性座活动部分将与固定座底面相对平行，此时设为弹性调节零位；继续调节调节螺钉，将弹性座活动部分推动至C位置，此时弹性座活动部分与固定座底面夹角为正，为弹性调节的正极限位置，A、C位置相对于B位置对称。使用时，将弹性座与固定座安装紧固后，使用调节螺钉将弹性座活动部分推动至零位，进行调节时，拧动调节螺钉推动弹性座活动部分在A至C位置之间运动，在此范围内由于弹性座始终处于弹性形变状态，因此始终能够提供弹性力将弹性座活动部分与调节螺钉端头压紧；根据所需的调节角度范围，合理设计弹性座应变位置的截面形状及厚度，保证弹性座形变时受到的最大应力小于所用材料的屈服强度，使弹性座在调节活动范围内始终处于弹性形变状态，可确保该弹性结构光学调整架始终在调节范围正负极限位置内可调；该调节结构关键在于形成一个形式如图2所示的初始夹角为负的槽，以及在连接活动部分的位置设计用于形变的强度较弱的过渡段，因此该弹性座与固定座的组合结构也可视情况采用通过直接切割整块材料获得。

本发明所述的一种三轴弹性结构光学调整架，基于上述的弹性调节结构，组合三对弹性座及固定座，使其形成的三个弹性调节轴互相垂直，可获得对安装在其之上的光学元件的三轴转动调节功能。调节完成后，通过侧边螺钉锁紧等方式固定活动部分末端，即可限制弹性座活动部分旋转自由度，实现完全固定。此外，光学元件安装座与调节座相对独立，元件安装座可根据需要安装到弹性座适当位置上，并可根据元件特性及光路进出走向调整安装座结构。

如图3～6所示，本发明公开了一种三轴弹性结构光学调整架，包括Y轴弹性座1、Y轴固定座2、Z轴固定座3、Z轴弹性座4、X轴固定座5、X轴弹性座6和光学元件固定座19。

具体的，所述Y轴固定座2大致为一平板结构，所述Y轴固定座2上方与Y轴弹性座1固定，下方与本发明调整架的安装底板固定，因此Y轴固定座2作为本发明调整架的基座；在其边缘位置设置有6个安装孔用于安装到光学系统上，上侧面设有螺纹孔用于安装Y轴弹性座；所述的Y轴弹性座1大致为一平板结构，其形式与附图1中所示弹性座相同，具有一段厚度相对于弹性座其他部位较小的形变段，并有圆弧过渡防止边角应力集中。所述Y轴固定座2的安装面一侧具有平直台阶用于弹性座安装时的平行定位，并通过Y轴弹性座紧固螺钉13连接Y轴弹性座1；所述Y轴固定座2的一侧设置有一较薄的U形槽，并通过Y轴锁定螺钉7与Y轴弹性座1上对应的螺纹孔配合，实现对Y轴弹性座旋转自由度的锁定；所述Y轴弹性座1与Y轴固定座2的配合面与活动部分具有如原理图附图1～2所示的1°左右夹角；在Y轴弹性座1的活动部分末端设有一贯穿的螺纹孔安装Y轴调节螺钉10，用于调节Y轴弹性座1与Y轴固定座2的间距。

具体的，所述Z轴固定座3大致为一L形柱状结构，并通过Z轴固定座紧固螺钉14与Y轴弹性座1固定。所述Z轴弹性座4其形式与附图1中所示弹性座相同，具有一段厚度相对于弹性座其他部位较小的形变段，并有圆弧过渡防止边角应力集中；固定座的配合面与活动部分具有如原理图所示的1°夹角。所述Z轴固定座3和Z轴弹性座4的安装面一侧均有平直台阶用于安装时的定位。所述Z轴固定座3的垂直面通过Z轴固定座紧固螺钉14与Z轴弹性座4固定，在Z轴固定座3的侧面设有一贯穿的螺纹孔安装Z轴调节螺钉11，用于调节Z轴固定座3与Z轴弹性座4的间距。在活动部分末端设有一较薄的U形槽，通过Z轴锁定螺钉8与Z轴固定座3上对应的螺纹孔配合，实现对Z轴弹性座4旋转自由度的锁定；活动部分有安装孔，通过X轴固定座紧固螺钉15与X轴固定座5连接紧固。

具体的，所述X轴固定座5大致为一柱状结构；所述的X轴弹性座6其形式与附图1中所示弹性座相同，具有一段厚度相对于弹性座其他部位较小的形变段，并有圆弧过渡防止边角应力集中；所述X轴固定座5的配合面与活动部分具有如原理图所示的1°夹角；所述X轴固定座5的安装面一侧具有平直台阶用于安装时的定位。所述X轴固定座5通过X轴弹性座紧固螺钉17与X轴弹性座6固定连接，所述X轴固定座5的一端开有一贯穿螺纹孔，用于安装X轴调节螺钉12，用于调节X轴固定座5与X轴弹性座6的间距。所述X轴弹性座6上设有一较薄的U形槽，通过X轴锁定螺钉9与X轴固定座5上对应的螺纹孔配合，实现对X轴弹性座6旋转自由度的锁定；活动部分另设有安装孔，通过光学元件安装座紧固螺钉18与安装光学元件固定座19固定。

所述弹性座及固定座通过侧边U型槽加螺钉的锁紧方式固定调节结构的活动部分，所述U型槽可设置在弹性座或固定座上，U型槽可独立加工成单个零件再固定到安装位置，或直接在对应的固定部件上一体加工得到。

弹性座的配合面与活动部分具有如原理图所示的特定夹角，本发明弹性座与固定座装配完成后形成的初始夹角为-0.5°～-10°。弹该夹角大小根据使用的材料力学性能及变形段实际设计的形状和厚度决定。按照使用情况和常见材料性能，每个轴调节范围可被设计为±0.5°～±10°

所述光学元件固定座19一侧通过安装孔安装到上述三对组合中的任一弹性调节座上，另一侧用于安装光学元件，其光学元件固定方法和安装配合结构视所安装的光学元件使用特性和结构形状而定。

所述弹性座及固定座通过侧边U型槽加螺钉的锁紧方式固定调节结构的活动部分，U型槽可独立加工成单个零件再固定到安装位置，或直接在对应的固定部件上一体加工得到。

所述弹性座优选铝合金、弹簧钢、不锈钢等弹性较好的材料。

以上所述一种三轴弹性结构光学调整架装配完成后如图4、5所示，三对弹性座与固定座组成三个弹性调节结构，形成互相垂直的调节轴，使用时将光学元件安装到光学元件固定座19上，使用三轴对应的调节螺钉将三个弹性座分别推动至零位，将该调整架与光学元件的组件安装到所需的光学系统上或调试光路中，使用调节螺钉调节光学元件三轴旋转至所需位置后，使用三轴分别对应的锁定螺钉锁定三个弹性座。

综上所述，本发明提供的一种三轴弹性结构光学调整架为一种弹性调节构型，利用结构件本身的弹性提供调整架所需的调节活动范围，并通过预制负角度的初始安装位置使弹性部件获得负极限调节位置，以此实现调节范围内始终能够获得预紧力，及调节零位正负方向上的调节能力；通过组合三对弹性调节结构，使其形成互相垂直的三个调节回转轴，对与安装在该调整架上的光学元件，可获得三轴转动的调节能力，并具有锁定功能。本发明使用弹性结构本身预设偏移量作为负极限位置，因此在有效调节范围内都可由弹性结构本身提供弹性力压紧调节螺钉及其对应的接触面，无需外加弹簧等弹性元件提供压紧外力，且可以使用单个调节螺钉实现在零位的正负两个方向的有效调节，简化调节装置；使用螺钉锁紧侧边U形槽的形式锁定弹性座自由度，可以避免直接对调节螺钉的螺纹施加额外压力，放置调节螺钉长时间后的偏移；三轴弹性调节结构部分与光学元件安装座部分相对独立，光学元件安装位置前后都具有较大空间，使其除常见反射式元件外，也能够适合透射式光学元件，光路能够在安装架前后方以较大的出射和入射角度布置，适应多种应用场景。

以上仅是申请人针对技术方案给出的本发明的基本实施方式，并不代表本发明的全部，本行业的技术人员依据本创意所提出的不具有实质性创新内容的改进均应视为属于本发明保护的范畴。

Claims (5)

1.一种三轴弹性结构光学调整架，其特征在于，包括弹性座、固定座和光学元件固定座（19）；所述弹性座包括Y轴弹性座（1）、Z轴弹性座（4）和X轴弹性座（6）；所述固定座包括Y轴固定座（2）、Z轴固定座（3）、和X轴固定座（5）；所述Y轴固定座（2）上连接有Y轴弹性座（1）；所述Y轴弹性座（1）与Z轴固定座（3）连接；所述Z轴固定座（3）的一侧与Z轴弹性座（4）连接；所述Z轴弹性座（4）的一侧与X轴固定座（5）连接；所述X轴固定座（5）与X轴弹性座（6）连接；所述光学元件固定座（19）安装于任一弹性座上；

所述弹性座的一端为活动部分，另一端为固定部分；

所述弹性座靠近固定部分一侧的外形具有圆弧过渡轮廓用于产生形变；所述弹性座其余部分具有厚度连续减小的坡度；

所述固定座与弹性座的固定部分不平行，形成夹角，所述固定座与弹性座的活动部分通过调节螺钉调节该夹角；所述固定座与弹性座固定部分形成的初始夹角可为-0.5°~-10°，该夹角的调节范围根据安装初始夹角，最小为-0.5°~+0.5°，最大为-10°~+10°。

2.根据权利要求1所述的三轴弹性结构光学调整架，其特征在于，所述固定座与弹性座通过锁定螺钉和侧边U型槽固定调节后的活动部分。

3.根据权利要求2所述的三轴弹性结构光学调整架，其特征在于，所述U型槽与固定座或弹性座连接。

4.根据权利要求2所述的三轴弹性结构光学调整架，其特征在于，所述U型槽与固定座或弹性座一体成型。

5.根据权利要求1所述的三轴弹性结构光学调整架，其特征在于，所述弹性座的材料采用铝合金、弹簧钢或不锈钢材料。