CN114415290A - 一种调焦结构及应用有该调焦结构的光学仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调焦结构及应用有该调焦结构的光学仪器，所述调焦结构包括透镜、向透镜传递光或接收从透镜传递的光的光学器件，其特征在于：所述透镜和光学器件之间设置有由高折射率介质制成的调焦件，所述调焦件直线移动而改变该调焦件位于透镜和光学器件之间部分的厚度，该厚度是指沿以透镜的光轴所在的第一方向上的尺寸。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使得透镜和向透镜传递光或接收从透镜传递的光的光学器件固定，并且透镜和光学器件之间设置可移动的调焦件，能够使得光束的输出角度基本不改变，从而增加系统的稳定性。

Description

一种调焦结构及应用有该调焦结构的光学仪器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是一种调焦结构，以及应用有该调焦结构的光学仪器。

背景技术

光纤准直器是光纤通信中常用的一种元件，其作用是将光纤出射的光扩束准直，准直后的光，可以用来进行各种处理，比如滤波，隔离，分束等，所以，光纤准直器的应用非常广泛。常规光纤准直器的结构一般是：光纤、尾纤和透镜，尾纤和透镜插在套管中。

在有些应用场合，我们需要对准直器的工作距离进行调节，这就需要改变光纤和透镜之间的距离，从而改变准直光束的束腰位置。参见图19，常规做法是将透镜1”固定在螺口支架100上，通过旋转螺口支架100，调节透镜1”的前后位置(上方箭头所示方向)，改变与尾纤2”的距离，从而改变准直光束的束腰位置，起到改变工作距离的目的。

然而由于各种装配公差，透镜1”的光轴”不会准确地在旋转轴心上，同时，螺口之间的配合，使得螺口支架100的旋转轴心和透镜1”的光轴”不在一条线上，根据实际经验，会有十几微米和上百微米甚至更大的偏差，从而造成准直光束角度的旋转，如图中弧形箭头所示方向的摆动。在这种情况下，在调整好光路的前提下，如果调节了焦距，就往往需要重新调节光路，造成调焦工作的不便。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种调焦结构，能够在调节工作距离的同时保持准直光束的输出角度基本不改变，从而增加稳定性。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种应用有上述调焦结构的光学仪器。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种调焦结构，包括透镜、向透镜传递光或接收从透镜传递的光的光学器件，其特征在于：所述透镜和光学器件之间设置有由高折射率介质制成的调焦件，所述调焦件直线移动而改变该调焦件位于透镜和光学器件之间部分的厚度，该厚度是指沿以透镜的光轴所在的第一方向上的尺寸。

优选的，调焦件的厚度变化所采用的结构为，所述调焦件朝向透镜或朝向光学器件的一面为倾斜面，所述倾斜面沿着第二方向由透镜逐渐朝向光学器件倾斜，所述第二方向与第一方向垂直。

为了提高光学器件的回波损耗，通常将光学器件的出射面定为倾斜面，所述透镜或光学器件朝向调焦件的端面为斜面，所述倾斜面靠近该斜面并且互相平行，所述倾斜面的延伸的方向为第三方向，所述调焦件沿着第三方向作直线移动，由此可避免光折射导致的位置偏移。

为提高调焦的精度，所述调焦件具有两个，两个调焦件的倾斜面互相靠近且平行，所述倾斜面的延伸的方向为第三方向，其中一个调焦件固定，另一个调焦件则沿着第三方向移动。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种光学仪器，其特征在于：应用有如上所述的调焦结构。

根据本发明的一个方面，所述光学仪器为准直器，所述光学器件为光纤的尾纤。

根据本发明的一个方面，准直器为方块准直器，所述准直器包括第一固定座、第二固定座以及使得调焦件直线移动的运动机构，所述透镜设置在第一固定座上，所述尾纤设置在第二固定座上，所述运动机构包括滑块、螺杆和螺套，所述螺杆包括螺纹部和光滑的轴部，所述螺套与螺纹部螺纹连接，所述滑块固定套设在轴部的外周，所述滑块还与调焦件固定。

为避免调焦件在调节的过程中摆动，所述准直器还包括限位组件，所述限位组件包括限位座、形成在限位座上的供调焦件穿过的限位槽以及设置在限位座内的弹簧滚珠，所述弹簧滚珠的滚珠端部穿入限位槽而与调焦件朝向透镜或光学器件的表面抵紧。

根据本发明的另一个方面，准直器为插拔式准直器，所述准直器包括第一固定座、第二固定座以及用于使得调焦件运动的运动机构，所述透镜设置在第一固定座上，所述尾纤插拔式地与第二固定座连接，所述运动机构包括支撑块、滑块和螺杆，所述支撑块与第一固定座和/或第二固定座固定，所述滑块滑动地设置在支撑块上，所述螺杆设置在支撑块内并且头部能与外部接触，所述螺杆的尾部则与滑块抵接，所述滑块与调焦件固定，所述螺杆的外周还与支撑块螺纹连接，所述滑块保持朝向螺杆移动的趋势。

根据本发明的另一个方面，所述光学仪器为相机，所述光学器件为成像元件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使得透镜和向透镜传递光或接收从透镜传递的光的光学器件固定，并且透镜和光学器件之间设置可移动的调焦件，能够使得光束的输出角度基本不改变，从而增加系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明第一个实施例的调焦结构的示意图；

图2为本发明第一个实施例的调焦结构调节后的示意图；

图3为本发明第二个实施例的调焦结构的示意图；

图4为本发明第二个实施例的调焦结构调节后的示意图；

图5为本发明第三个实施例的调焦结构的示意图；

图6为本发明第四个实施例的调焦结构的示意图；

图7为本发明的调焦结构应用到第一种准直器的示意图；

图8为本发明的调焦结构应用到第一种准直器的示意图(与图7不同视角)；

图9为本发明的调焦结构应用到第一种准直器的俯视图；

图10为本发明的调焦结构应用到第一种准直器的剖视图；

图11为本发明的调焦结构应用到第一种准直器的分解结构示意图；

图12为本发明的调焦结构应用到第二种准直器的示意图；

图13为本发明的调焦结构应用到第三种准直器的部分示意图；

图14为图13的剖视图(轴向剖面)；

图15为本发明的调焦结构应用到第三种准直器的剖视图；

图16为图13的分解结构示意图；

图17为图13的剖视图(径向剖面)；

图18为本发明的调焦结构应用到相机的剖视图；

图19为现有技术的准直器的剖视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例一

参见图1和图2，一种调焦结构，包括透镜1、光纤的尾纤2和调焦件3，透镜1和尾纤2同轴设置，即均以透镜1的光轴为中心轴设置，透镜1和尾纤2均可设置在套管内固定。记光轴延伸的方向为第一方向X。透镜1可以为C透镜、非球透镜等任意透镜。

设定与第一方向X垂直的方向为第二方向Y，另设定第三方向Z，相对第二方向Y具有小角度的倾斜，具体的将在下文详述，上述的三个方向包括正向和反向。调焦件3设置在透镜1和尾纤2之间，其由高折射率介质制成，如本实施例中采用光学玻璃。调焦件3可以为柱状、块状、板状等，只要在沿着第三方向Z移动时，其在第一方向X上的厚度发生渐变即可，第一方向X为图中所示的左右方向，第二方向Y为图中所示的上下方向，第三方向Z为图2中箭头所示方向。在本实施例中，优选的，调焦件3优选的采用楔角的形式，即调焦件3朝向透镜1或尾纤2的一面为倾斜面31，可沿着第二方向Y由透镜1逐渐朝向尾纤2倾斜，倾斜面31的倾斜方向构成上述的第三方向Z，第二方向Y和第三方向Z之间的夹角即为倾斜面31的倾斜角度。

所谓的工作距离调节，其实是调整尾纤2的出光端面21(朝向透镜1的端面)和透镜1的距离，现有技术一般采用物理调节。事实上，当在尾纤2和透镜1之间放入高折射率介质的时候，其光纤的虚像跟透镜1的距离是拉近的，这个介质厚度越厚，光纤的虚像越靠近透镜，也相当于拉近了光学和透镜的距离。

根据上述原理实现本发明，需要调焦时，将调焦件3沿着第三方向Z移动，由此其位于透镜1和尾纤2之间的厚度发生变化，从而来改变光纤的尾纤2的虚像位置，达到调焦的目的。这种调焦方式的优点是，透镜1和尾纤2均固定，不存在活动部件，活动部件仅为楔角，该楔角在调节过程中，除了改变尾纤2的出光端面21到透镜1的光程，而对应用的光学仪器其他方面没有影响，如应用在准直器中时，对准直系统的其他因素，如方向，位置的影响几乎可以忽略，由此可以极大提高系统的稳定性。

倾斜面31的倾斜角度可自行确定也可以根据出光端面21确定。在本实施例中，尾纤2的出光端面21为斜面，通常为8°抛角。因此，调焦件3的倾斜面31朝向出光端面21，并且和出光端面21呈平行，由此调焦件3还具备实现光同轴的功能，用于弥补尾纤2的8°抛角带来的偏心，其原理可参见申请号为202020134559.4的中国专利公开的《一种利用楔角片实现光同轴的结构及准直器和光电探测器》。出光端面21的抛角也可以为6°、2°等，此时倾斜面31的倾斜角度相应变化。

由于出光端面21所出的光会产生一定的位移，因此将出光端面21和调焦件3的倾斜面31靠近甚至紧贴，使得光从出光端面21出来折射后紧接着折射回调焦件3内，使得光除了光程的变化，不会有位置的变化。在某些场合，如需利用调焦件3的折射，或者倾斜角度较小而可以忽略，则调焦件3也可以沿着其他方向直线移动，如第二方向Y，或与第二方向Y成其他角度的方向，只要使得调焦件3在移动的过程中改变在透镜1和尾纤2之间部分的厚度即可。

调焦件3的宽度需要大于透镜1和尾纤2的宽度，以确保移动时可改变厚度，宽度是指第二方向Y上的尺寸。

实施例二

参见图3和图4，在本实施例中，与上述实施例一的不同之处在于，尾纤2的出光端面21与第二方向Y平行，而透镜1的入光端面11为斜面，与第三方向Z平行，因此调焦件3的倾斜面31朝向透镜1并靠近。

实施例三

参见图5，在本实施例中，与上述实施例一的不同之处在于，在有些情况下，8°的抛角角度太大，影响调节精度，因此采用两个小角度的楔角来做调节。因此，采用两个调焦件3，两个调焦件3的倾斜面31互相靠近且平行，在本实施例中，倾斜面31的倾斜角度为θ1。其中一个调焦件3固定，如图5中所示为左侧的调焦件3，另一个调焦件3则可沿着第三方向Z移动，用于调节尾纤2到透镜1的光程。固定的调焦件3用于补偿活动的调焦件3所产生的光的折射。

实施例四

参见图6，在本实施例中，与上述实施例三的不同之处在于，调焦件3的倾斜面31的倾斜角度为θ2，并且θ2＜θ1。

应用实例一

上述调焦结构可应用到光学仪器中，如准直器，参见图7～图11，为一种方块准直器，包括底座41、第一固定座42、第二固定座43、用于使得调焦件3运动的运动机构44以及限制调焦件3位置的限位组件45。第一固定座42和第二固定座43均固定设置在底座41上，并且第一固定座42和第二固定座43间隔地布置，上述的透镜1设置在第一固定座42上，上述的尾纤2设置在第二固定座43上，尾纤2的出光端面21和透镜1间隔地相对布置，调焦件3可在透镜1和尾纤2之间运动。在本实施例中，第二方向Y为图7中所示的上下方向，即图9中所示的与垂直纸面的方向，透镜1为C透镜，调焦件3的倾斜面31朝向尾纤2，倾斜面31由上至下(图7为例)逐渐朝向透镜1倾斜。

运动机构44和限位组件45分别设置在第一固定座42和第二固定座43构成的整体相对的两侧，如图9中所示，运动机构44位于第一固定座42和第二固定座43构成的整体的下方，而限位组件45则位于第一固定座42和第二固定座43构成的整体的上方。运动机构44包括支撑块441、滑块442、螺杆443和螺套444。其中，支撑块441固定设置在底座41上，螺杆443包括具有外螺纹的螺纹部4431和光滑的轴部4432，螺纹部4431优选的形成在轴部4432的一个端部，轴部4432的另一个端部可滑动地支撑在支撑块441内。螺套444配合螺纹部4431设置，其套设在螺纹部4431的外周，通过内螺纹与螺纹布4431螺纹连接，从而当拧动螺套444时，可使得螺纹部4431相对底座41升降。滑块442固定套设在轴部4432的外周，从而可随轴部4432升降，同时，滑块442还与调焦件3固定，因此，通过螺套444的旋转可带动调焦件3在第三方向Z移动所需的距离，从而改变位于透镜1和尾纤2之间部分的厚度，进而调节准直器的工作距离。

运动机构44还可以包括弹性件445，其套设在轴部4432的外周，并且抵接在滑块442和支撑块441之间，弹性件445优选的为压簧，由此当滑块442向支撑块441方向移动时，可压缩弹性件445，而弹性件445对滑块442施加反向的作用力，也能起到限定滑块442位置的作用。而当螺套444反向转动时，弹性件445的回复力可将滑块442向远离支撑块441的方向推动。进而实现正向、反向的调节。

限位组件45包括限位座451，其形成有限位槽452，在本实施例中，由顶面向下凹陷而形成，调焦件3位于第一固定座41和第二固定座42之外的部分可穿入限位槽452，由此可避免调焦件3在移动的过程中摆动，确保调焦的稳定。为进一步确保调焦件3的稳定移动，限位组件45还包括设置在限位座451内的弹簧滚珠453，弹簧滚珠453的滚珠端部与调焦件3的倾斜面31或与倾斜面31相对的表面抵紧。由于其为弹簧滚珠453，因此可随着调焦件3的位置在弹簧的作用力下调节滚珠伸出的距离，确保始终与调焦件3的表面抵紧。

应用实例二

参见图12，可替代的，上述的透镜1可用非球透镜替代。

应用实例三

参见图13～图17，在本实施例中，与上述应用实例一的区别在于，准直器为插拔式的准直器。因此，尾纤2与第二固定座43以插接的方式连接而不再是固定式。本实施例中调焦件3的倾斜面31的倾斜角度较小，由此使得观察到的调焦件3接近呈长方体。当然也可以并不限定于这种小角度的倾斜。

运动机构44’包括支撑块441’、滑块442’、螺杆443’、弹性件445’和导向杆446。第一固定座42和第二固定座43呈圆柱形或接近圆柱形的形式，支撑块441’与第一固定座42和/或第二固定座43固定，调焦件3插入到透镜1和尾纤2之间。导向杆446固定设置在支撑块441’上，导向杆446穿过滑块442’，由此使得滑块442’可滑动地设置在支撑块441’上。螺杆443’设置在支撑块441’内，并且其头部可与外部接触。螺杆443’的延伸方向与导向杆446一致，其尾部可以与滑块442’抵接。滑块442’与调焦件3固定，弹性件445’同样与滑块442’抵接，螺杆443’和弹性件445’分别抵接在滑块442’相对的两侧。螺杆443’的外周还与支撑块441’螺纹连接。弹性件445’使得滑块442’保持向螺杆443’移动的趋势。

当需要调焦时，借助外部的工具伸入到支撑块441’内，从而拧动螺杆443’使其第三方向Z移动(图16中所示左右方向，图17中所示左右方向，并且均略微倾斜)，如图16中的向右移动，由此推动滑块442’连同调焦件3向右移动到所需的工作距离处，撤除工具，此时由于弹性件445’处于被压缩的状态，因此其可反向推动滑块442’，与螺杆443’配合，确保滑块442’稳定在该位置处。在调节的过程中，导向杆446对滑块442’的移动起到导向的作用。

当外部的工具反向拧动螺杆443’时，如图16中所示的向左移动，此时滑块442’不再被螺杆443’抵紧，弹性件445’可逐渐复位，从而该复位力推动滑块442’连同向左移动，进而实现两个方向的调节。

应用实例四

参见图18，在本实施例中，光学仪器不再是准直器，而是相机。此时用CCD、CMOS或胶片等成像元件2’替代上述的尾纤2作为向透镜1传递光或接收从透镜1传递的光的光学器件，同样可用螺杆拧动的方式推动调焦件3直线移动。

此外，透镜1与相机的结构相同，如为多个透镜的组合。还可在调焦件3和透镜1之间设置固定的楔角，用于调焦件3的角度补偿。

在上述各应用实例中，均通过螺杆实现调焦件3的直线移动，可替代的，可采用现有技术中其他的直线驱动模组。

Claims (10)

1.一种调焦结构，包括透镜(1)、向透镜(1)传递光或接收从透镜(1)传递的光的光学器件，其特征在于：所述透镜(1)和光学器件之间设置有由高折射率介质制成的调焦件(3)，所述调焦件(3)直线移动而改变该调焦件(3)位于透镜(1)和光学器件之间部分的厚度，该厚度是指沿以透镜(1)的光轴所在的第一方向(X)上的尺寸。

2.根据权利要求1所述的调焦结构，其特征在于：所述调焦件(3)朝向透镜(1)或朝向光学器件的一面为倾斜面(31)，所述倾斜面(31)沿着第二方向(Y)由透镜(1)逐渐朝向光学器件倾斜，所述第二方向(Y)与第一方向(X)垂直。

3.根据权利要求2所述的调焦结构，其特征在于：所述透镜(1)或光学器件朝向调焦件(3)的端面为斜面，所述倾斜面(31)靠近该斜面并且互相平行，所述倾斜面(31)的延伸的方向为第三方向(Z)，所述调焦件(3)沿着第三方向(Z)作直线移动。

4.根据权利要求2所述的调焦结构，其特征在于：所述调焦件(3)具有两个，两个调焦件(3)的倾斜面(31)互相靠近且平行，所述倾斜面(31)的延伸的方向为第三方向(Z)，其中一个调焦件(3)固定，另一个调焦件(3)则沿着第三方向(Z)移动。

5.一种光学仪器，其特征在于：应用有如权利要求1～4中任一项所述的调焦结构。

6.根据权利要求5所述的光学仪器，其特征在于：所述光学仪器为准直器，所述光学器件为光纤的尾纤(2)。

7.根据权利要求6所述的光学仪器，其特征在于：所述准直器包括第一固定座(42)、第二固定座(43)以及使得调焦件(3)直线移动的运动机构(44)，所述透镜(1)设置在第一固定座(42)上，所述尾纤(2)设置在第二固定座(43)上，所述运动机构(44)包括滑块(442)、螺杆(443)和螺套(444)，所述螺杆(443)包括螺纹部(4431)和光滑的轴部(4432)，所述螺套(444)与螺纹部(4431)螺纹连接，所述滑块(442)固定套设在轴部(4432)的外周，所述滑块(442)还与调焦件(3)固定。

8.根据权利要求6述的光学仪器，其特征在于：所述准直器还包括限位组件(45)，所述限位组件(45)包括限位座(451)、形成在限位座(451)上的供调焦件(3)穿过的限位槽(452)以及设置在限位座(451)内的弹簧滚珠(453)，所述弹簧滚珠(453)的滚珠端部穿入限位槽(452)而与调焦件(3)朝向透镜(1)或光学器件的表面抵紧。

9.根据权利要求6所述的光学仪器，其特征在于：所述准直器包括第一固定座(42)、第二固定座(43)以及用于使得调焦件(3)运动的运动机构(44’)，所述透镜(1)设置在第一固定座(42)上，所述尾纤(2)插拔式地与第二固定座(43)连接，所述运动机构(44’)包括支撑块(441’)、滑块(442’)和螺杆(443’)，所述支撑块(441’)与第一固定座(42)和/或第二固定座(43)固定，所述滑块(442’)滑动地设置在支撑块(441’)上，所述螺杆(443’)设置在支撑块(441’)内并且头部能与外部接触，所述螺杆(443’)的尾部则与滑块(442’)抵接，所述滑块(442’)与调焦件(3)固定，所述螺杆(443’)的外周还与支撑块(441’)螺纹连接，所述滑块(442’)保持朝向螺杆(443’)移动的趋势。

10.根据权利要求5所述的光学仪器，其特征在于：所述光学仪器为相机，所述光学器件为成像元件(2’)。

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