CN116594136B - 一种光学元件的光轴指向调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高功率光电系统设备技术领域，具体涉及一种光学元件的光轴指向调节装置，其采用内镜组和外镜租的设计，其中内镜组固定光学元件，内镜架和外镜架之间通过柔性膜片连接，利用柔性膜片的连续弹性变形保证光学元件姿态的可连续调节，直线驱动机构的驱动端与内镜架固定连接，而不是直接作用于光学元件，该种柔性调节模式可保证在调节范围内的任意角度位置不影响镜片的面型精度，可广泛适用于科研、民用高功率激光系统和国防科技定向能激光武器领域内对光轴稳定性和光束质量要求较高的高功率光电系统。

Description

一种光学元件的光轴指向调节装置

技术领域

本发明涉及高功率光电系统设备技术领域，具体涉及一种光学元件的光轴指向调节装置。

背景技术

高功率激光光路普遍应用于防空、末端反导和对机载光电设备致盲等领域，作为激光类武器装备的战斗部，配合跟瞄系统实现将激光照射在目标的特定部位，以高能激光束的形式打击目标，实现快速毁伤目标，由于激光打击的实时性和经济性，目前已是军工领域热门研究方向，为提高打击效率和打击距离，对激光功率要求越来越高，目前高功率激光行业内激光功率一般大于20kW。

随着科技的进步，激光系统都朝着高功率、大口径的方向发展，各领域对激光功率的需求越来越高，尽管行业内相关光学元件的光学效率已高达99.9%，在较高的总功率下，光电系统内部透射和散射的无用能量会加热光电系统的相关部位，热变形会导致相关光学元件的姿态发生微小变化，从而造成出光过程中的光轴指向偏差，微小的光轴指向变化对应到较远距离目标上会产生较大的打击位置偏差，从而大幅降低实际效果。

激光口径的提高对光学元件的尺寸也提出了更高的需求，为保证光轴稳定性，大尺寸的镜片要求更高的结构刚度，尤其是应用于外场复杂环境的产品，传统的实验室用途的两点驱动调整镜模式已不再适用，为保证在各种外界及内部因素影响下的光轴稳定性满足使用需求，需要能匹配高功率、大尺寸且适用于外场环境条件，尤其是振动稳定性的高精度光轴稳定电动调节装置。

光电系统中的指向偏差问题是行业内普遍存在的现象，对于远距离跟瞄打击系统光轴指向精度尤其重要。为解决光轴指向偏差问题，行业内普遍都在光学系统中加入指向调节装置对光轴指向进行调节来纠正系统的指向偏差，手动调节装置和电动调节装置均有广泛应用。

行业内手动调节装置普遍采用单极螺纹传动方式，操作人员通过手动操作柄的旋转转化为直线驱动力，通过轴承或柔性结构的变形运动实现光学元件的姿态调整。由于手动调节装置的力道不可控，调节的重复性不好，且目前大功率激光光路系统一般较复杂，且对环境洁净程度要求高，普遍采用密封箱体包裹光学元件，手动调节装置的使用局限性较大，一般只应用于测试系统中，无法在成型的工业或军事类设备中广泛使用。

如图1所示，目前手动和电动调节装置常采用三点式支撑机构支撑光学元件101，三点中一点为固定长度万向铰102，另外两点为可伸缩万向铰103，光学元件101使用弹簧与支撑机构拉紧，这种调节装置为了保证调节精度只使用了三点支撑，在小尺寸光学元件时，光学元件一点悬空，不会造成什么影响，但是在激光系统大口径的使用场景下，一点悬空存在明显的稳定性问题。

为进一步解决大口径光学元件的指向调节稳定性问题，目前行业内出现了四点式支撑机构的调节方式，如图2所示，光学元件101在四点可伸缩万向铰103的支撑下，采用差动式调节方案，对应两点共同调节来实现光学元件的指向调节，四点支撑的方式保证了光学元件的指向稳定性，对于高功率的光学系统，光学元件的效率可达到99.9%，仅剩0.1%的能量需要透射出光学元件，但是在某些超高功率光学系统中，虽然仅剩0.1%的效率不足却仍存在百瓦甚至千瓦级的透射杂光，为了保证指向调节时双轴调节的不关联，此种调节方案中每一对调节机构与镜片的轴线重合，透射杂光会直接照射到调节机构上，上述百瓦甚至千瓦级的透射杂光会对调节机构形成很大安全隐患。

发明内容

基于上述表述，本发明提供了一种光学元件的光轴指向调节装置，以解决现有技术中的上述技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种光学元件的光轴指向调节装置，其包括：

内镜组，包括内镜架和固定件，所述内镜架具有用于容置光学元件的第一容置腔，所述固定件用于将所述光学元件固定于所述第一容置腔；

外镜组，包括外镜架和四个直线驱动机构，所述外镜架具有用于容置所述内镜架的第二容置腔，所述第二容置腔的形状与所述内镜架的形状相适配，四个所述直线驱动机构对应预定的第一矩形的四个顶点位置安装于所述外镜架，所述直线驱动机构的驱动端与所述内镜架固定连接，用于驱动所述内镜架偏转，所述第一矩形的长轴和短轴为所述光学元件的对称轴；

多个柔性膜片，所述柔性膜片柔性连接所述内镜架和外镜架。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

本申请提供的光学元件的光轴指向调节装置，采用内镜组和外镜组的设计，内镜组固定光学元件，内镜架和外镜架之间通过柔性膜片连接，利用柔性膜片的连续弹性变形保证光学元件姿态的可连续调节，其中，直线驱动机构按照矩形顶点的位置安装在外镜架上，其驱动端内镜架固定连接，而不是直接作用于光学元件，该种柔性调节模式可保证在调节范围内的任意角度位置不影响镜片的面型精度，可广泛适用于科研、民用高功率激光系统和国防科技定向能激光武器领域内对光轴稳定性和光束质量要求较高的高功率光电系统。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述外镜组还包括多个限位件，所述限位件连接于所述外镜架上且部分延伸至所述第二容置腔的开口内，以限制所述内镜架的偏转角度。

进一步的，所述直线驱动机构包括步进电机、减速箱、螺纹副和连接轴，所述步进电机和所述减速箱固定于所述外镜架，所述螺纹副包括螺纹轴和运动螺母，所述螺纹轴同轴连接于所述减速箱的输出轴，所述运动螺母螺纹连接于所述螺纹轴且被配置为相对于所述外镜架不可转动，所述连接轴的一端与所述运动螺母连接，另一端与所述内镜架固定。

进一步的，所述外镜组还包括四个预紧机构，所述预紧机构对应预定的第二矩形的四个顶点位置安装于所述外镜架，所述预紧机构与所述内镜架连接，以保持所述内镜架和所述外镜架之间保持一定的预紧力。

进一步的，所述第二矩形的长轴和短轴与所述第一矩形的长轴和短轴对应重合，所述预紧机构一一对应的设置于所述直线驱动机构的一侧。

进一步的，所述预紧机构包括弹性件，所述弹性件连接所述内镜架和外镜架，所述弹性件被预先拉伸或压缩预定长度，使所述内镜架和所述外镜架之间形成预紧力。

进一步的，所述外镜组还包括四个传感器组件，四个所述传感器组件一一对应的安装于四个所述直线驱动机构的一侧，用于检测所述内镜组的姿态。

进一步的，所述固定件为镜片压板，所述固定件设置于所述第一容置腔的角落处，用于将所述第一容置腔内的光学元件压紧固定。

进一步的，所述内镜架为矩形框架，所述镜片压板对应设置于所述内镜架的顶角处。

进一步的，所述外镜架也为矩形框架，所述柔性膜片连接所述外镜架的矩形边和所述内镜架对应的矩形边，所述限位件设置于所述外镜架的矩形边，所述直线驱动机构靠近所述外镜架的顶角设置，所述第一矩形的长轴和短轴与所述外镜架的长轴和短轴一一对应重合。

附图说明

图1为现有技术中三点式支撑机构的结构示意图；

图2为现有技术中四点式支撑机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光学元件的光轴指向调节装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中内镜组的结构示意图；

图5为本申请实施例中外镜组的结构示意图；

图6为本发明实施例中直线驱动机构的结构示意图；

图7为本发明实施例的姿态调节说明示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90°或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

如图3所示，本申请提供了一种为满足高功率激光光路中的指向调节需求，同时满足具备高角度稳定性和高调节精度，本申请提供的光轴指向调节装置分为内镜组10、外镜组20和柔性膜片30三大部分。

其中，内镜组10中安装所需的光学元件101，外镜组20作为固定基座用于对外安装接口和安装驱动机构，内镜组10和外镜组20之间使用柔性膜片22连接，利用柔性膜片22的连续弹性变形实现光学元件姿态的连续、稳定调节，在光学元件角度姿态调节的同时，通过柔性膜片的变形可确保光学元件的面型精度不劣化。

具体的，内镜组10的结构根据实际需安装的光学元件类型和构造而定，主要实现对光学元件101的固定，为便于叙述，本实施例中，如图4所示，光学元件101以长方形镜片为例，内镜组10主要由内镜架110和固定件120组成，光学元件101安装到内镜架110内部的第一容置腔中，可以理解的是为了保证长方形镜片的固定，内镜架110整体也为长方形框架结构，

在本实施例中，固定件为镜片压板120，镜片压板120设置于内镜架的顶角处，将光学元件101的四个顶角压住，从而将光学元件101固定在内镜架110中，可以理解的是，内镜架110上预留有与外镜组20的安装接口以及驱动机构和传感器的对应安装接口。

外镜组20的的结构根据实际需安装的内镜组10的结构而定，主要实现对内镜组10的柔性固定和输出直线推力实现对内镜组10的姿态调节，进而实现对光学元件101的姿态调节。

在本实施例中，如图5所示，外镜组20主要由外镜架210、四个直线驱动机构220、四个传感器组件230、限位件240、四个预紧机构250组成。

其中，外镜架210内部具有用于容置内镜架110的第二容置腔，第二容置腔的形状与内镜架110的形状相适配。

四个直线驱动机构220对应预定的第一矩形的四个顶点位置安装于外镜架210，直线驱动机构220的驱动端与内镜架110固定连接，用于对内镜组10施加推力从而调整姿态，第一矩形的长轴和短轴为光学元件101的对称轴，其中，由于直线驱动机构220对称分布在长方形内镜架110的四个顶角外侧，由此可避开高功率激光束的透射杂光。

内镜组10安装于外镜组20内部，通过对应四条边上安装的柔性膜片30将内镜组10固定到相对于外镜组20的初始位置，柔性膜片30根据本装置所驱动光学元件101负载大小设计好结构参数确保在稳固固定内镜组10的同时减小对直线驱动机构220输出能力的要求。

其中，柔性膜片30柔性连接内镜架110和外镜架210，可以理解的是，柔性膜片30为软质膜片结构，其具有良好的折弯性能，实际使用中，可选择胶带、塑料卷材、橡胶片或者硅胶片等结构，柔性膜片可根据需要采用高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)、氯磺聚乙烯(CSPE)、塑化聚烯烃(ELPO)、乙烯一丙烯橡胶(EPDM)、氯丁橡胶(CBR)、丁烯橡胶(PBR)、热塑性合成橡胶、氯醇橡胶等任一材料制成，只需要满足可将内镜架110限制在外镜架210的第二容置腔中同时内镜架110在第二容置腔中的各个边可以晃动，以保证其姿态的调节即可。

在本实施例中，直线驱动机构220包括步进电机221、减速箱222、螺纹副223和连接轴224，步进电机221和减速箱222固定于外镜架210，螺纹副223包括螺纹轴2231和运动螺母2232，螺纹副223的结构是机械结构领域中较常用的驱动结构，本实施例中，通过螺纹轴2231的转动实现运动螺母2232的轴向推动，因此，螺纹轴2231同轴连接于减速箱222的输出轴，运动螺母2232螺纹连接于螺纹轴2231且被配置为相对于外镜架210不可转动，连接轴224的一端与运动螺母2232连接，另一端与内镜架110固定。

具体的，步进电机221匹配好合适的减速箱222后安装到外镜架210上的驱动机构支座上，螺纹轴2231和运动螺母2232为精密配磨的成对零件，螺纹轴2231的旋转运动可通过螺旋配合转换为运动螺母2232的直线运动，减速箱222的输出轴与螺纹轴2231固连，连接轴224一端与运动螺母2232固连，另一端与需要调节姿态的内镜架110固连。整个直线驱动机构220通过驱动机构支座3上与外镜组20对应的接口固定到外镜组20上，步进电机221输出的旋转运动经过各级传动后转化为连接轴224的直线运动，从而推动内镜架110偏摆。

连接轴224即为直线驱动机构220的驱动端，本申请实施例中的连接轴224的刚度根据所驱动光学元件101负载大小设计，确保在稳固固定内镜架110的同时减小对步进电机221输出能力的要求，为了保证连接轴224在内镜架110发生偏转时能有效产生剪切变形，该连接轴224在材质或者结构上优选抗拉压能力强抗剪切能力弱的柔性轴，从而保证内镜组10姿态调整时不会造成光学元件101的面型精度劣化。

四个传感器组件230一一对应的安装于四个直线驱动机构220的一侧，用于检测内镜组10的姿态。

限位件240为连接于外镜架210上且部分延伸至第二容置腔的开口内的限位挡块，用于对内镜组10进行机械行程限位，以限制内镜架110的偏转角度，优选的，限位件240设置在外镜架210的两条边上，每条边靠近两端的位置分别设置一个限位件240。

四个预紧机构250对应预定的第二矩形的四个顶点位置安装于外镜架210，预紧机构250与内镜架110连接，以保持内镜架110和外镜架210之间保持一定的预紧力。

四个预紧机构250需要在匹配直线驱动机构220驱动能力的前提下对驱动机构的运动部件进行预紧，消除直线传动的回程间隙，确保调节装置的重复定位精度，并进一步提高结构的刚度，防止在振动条件下内镜组10相对外镜组20晃动。

故优选的，第二矩形的长轴和短轴与第一矩形的长轴和短轴对应重合，预紧机构250一一对应的设置于直线驱动机构220的一侧。

在一种具体的实施方式中，预紧机构250包括弹性件，弹性件连接内镜架110和外镜架210，弹性件被预先拉伸或压缩预定长度，使内镜架110和外镜架210之间形成预紧力。

例如，以拉伸弹簧为例，在内镜架110和外镜架210上分别具有两个挂钩，根据预先的初始位置，使内镜架110和外镜架210大于拉伸弹簧一定的长度，将拉伸弹簧拉长后两端挂在挂钩上，即可形成预紧力。

四个传感器组件230一一对应的安装于四个直线驱动机构220的一侧，用于检测内镜组10的姿态。

上述的调节装置，内镜组10由四处直线驱动机构220和柔性膜片30连接固定到外镜组20上，当本调节装置下电时，即可看做是一组普通的固定光学元件，直线驱动机构220所采用的螺纹传动方式具备优异的反向自锁性能，配合预紧机构250将内镜组10压紧到四处直线驱动机构220上，可保证本调节装置在任意位置具备优异的角度稳定性。同时预紧机构250将螺纹传动结构的螺纹配合压实，可有效消除螺纹传动的回程间隙，减小回程间隙对重复定位精度的影响。

本调节装置调节镜片角度时，4组驱动机构采用两正两负的差分式调节方式，如图7所示，以位于图形左上方的直线驱动机构起始沿顺时针方向依次标号为第一驱动机构1、第二驱动机构2，第三驱动机构3，第四驱动机构4。

两正两负的差分式调节方式具体为，当第一驱动机构1和第二驱动机构2对应的步进电机正向旋转时，第三驱动机构3和第四驱动机构4对应的步进电机负向旋转，长方形镜片发生绕镜片长轴L的偏转；当第一驱动机构1和第三驱动机构3对应的步进电机正向旋转时，第二驱动机构2和第四驱动机构4对应的步进电机负向旋转，长方形镜片发生绕镜片短轴S的偏转，每次调节所产生的角度偏摆量为：

式中，∆θ为偏转角，n为一次调整给定的电机步距角数量，α为步进电机步距角，p为螺纹传动机构螺距，L为电机间距，ω为减速比。

可以理解的是，为降低镜片单轴调节时镜片绕另一轴角度的精度，需确保各驱动机构成对运动时运动量的一致性。在装配前，四组直线驱动机构需要采用同工艺、同批次生产的零件制作，提前对各驱动机构进行标定，采用光学测量的方式对各驱动机构的直线步进精度进行测量和标定，最终挑选直线步进精度误差±5‰的四组直线驱动机构成套使用。

本调节装置中直线驱动机构附近的传感器组件可实时监控各直线驱动机构的实际输出直线位移量，通过软件算法换算可用于监测光学元件的当前角度姿态，也可用于本发明中直线驱动机构的位置闭环调节。

结合实施产品的参数计算，本发明的角度调节分辨率高达1微弧度，驱动机构直线步进距离小于0.1微米，由此传感器组件需要较高的测量精度和稳定性，因此，优选的，本发明中传感器组件采用同工艺、同批次的电子元件经过筛选后使用，结合本发明的差分式调节方案，可有效保证振动、温度等环境对传感器测量精度的影响。

四个直线驱动机构沿本发明方案布置时，镜片的透射光线可直接穿过该调节装置，可确保该调节装置不受高功率废光的影响，本调节装置非常适合在对杂光处理有特殊要求的高功率光学系统中使用。

综上，本申请提供的调节装置可保证在预定的调节范围内连续稳定调节光学元件的姿态，且不影响光学元件的面型精度，可广泛适用于科研、民用高功率激光系统和国防科技定向能激光武器领域内对光轴稳定性和光束质量要求较高的高功率光电系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光学元件的光轴指向调节装置，其特征在于，包括：

内镜组，包括内镜架和固定件，所述内镜架具有用于容置光学元件的第一容置腔，所述固定件用于将所述光学元件固定于所述第一容置腔；

外镜组，包括外镜架和四个直线驱动机构，所述外镜架具有用于容置所述内镜架的第二容置腔，所述第二容置腔的形状与所述内镜架的形状相适配，四个所述直线驱动机构对应预定的第一矩形的四个顶点位置安装于所述外镜架，所述直线驱动机构的驱动端与所述内镜架固定连接，用于驱动所述内镜架偏转，所述第一矩形的长轴和短轴为所述光学元件的对称轴；

多个柔性膜片，所述柔性膜片柔性连接所述内镜架和外镜架；

所述外镜组还包括四个预紧机构，所述预紧机构对应预定的第二矩形的四个顶点位置安装于所述外镜架，所述预紧机构与所述内镜架连接，以保持所述内镜架和所述外镜架之间保持一定的预紧力；

所述第二矩形的长轴和短轴与所述第一矩形的长轴和短轴对应重合，所述预紧机构一一对应的设置于所述直线驱动机构的一侧；

所述直线驱动机构包括步进电机、减速箱、螺纹副和连接轴，所述步进电机和所述减速箱固定于所述外镜架，所述螺纹副包括螺纹轴和运动螺母，所述螺纹轴同轴连接于所述减速箱的输出轴，所述运动螺母螺纹连接于所述螺纹轴且被配置为相对于所述外镜架不可转动，所述连接轴的一端与所述运动螺母连接，另一端与所述内镜架固定；所述连接轴为抗拉压能力强抗剪切能力弱的柔性轴。

2.根据权利要求1所述的光学元件的光轴指向调节装置，其特征在于，所述外镜组还包括多个限位件，所述限位件连接于所述外镜架上且部分延伸至所述第二容置腔的开口内，以限制所述内镜架的偏转角度。

3.根据权利要求2所述的光学元件的光轴指向调节装置，其特征在于，所述预紧机构包括弹性件，所述弹性件连接所述内镜架和外镜架，所述弹性件被预先拉伸或压缩预定长度，使所述内镜架和所述外镜架之间形成预紧力。

4.根据权利要求3所述的光学元件的光轴指向调节装置，其特征在于，所述外镜组还包括四个传感器组件，四个所述传感器组件一一对应的安装于四个所述直线驱动机构的一侧，用于检测所述内镜组的姿态。

5.根据权利要求4所述的光学元件的光轴指向调节装置，其特征在于，所述固定件为镜片压板，所述固定件设置于所述第一容置腔的角落处，用于将所述第一容置腔内的光学元件压紧固定。

6.根据权利要求5所述的光学元件的光轴指向调节装置，其特征在于，所述内镜架为矩形框架，所述镜片压板对应设置于所述内镜架的顶角处。

7.根据权利要求6所述的光学元件的光轴指向调节装置，其特征在于，所述外镜架也为矩形框架，所述柔性膜片连接所述外镜架的矩形边和所述内镜架对应的矩形边，所述限位件设置于所述外镜架的矩形边，所述直线驱动机构靠近所述外镜架的顶角设置，所述第一矩形的长轴和短轴与所述外镜架的长轴和短轴一一对应重合。