TWI806619B - 高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，該機構以柔性鉸鏈製作，在一應力範圍作用下可導致鉸鏈中較薄弱的區域實現彈性位移或旋轉。透過致動器之螺絲與彈簧等可動件，精密的移動該區域，進而達到精準對光的功能。柔性鉸鏈因施力而造成結構相對移動時，必須確保機構各區域在材料的彈性區域內作動，才不會因永久變形使調整功能失效。此設計有助於使雷射系統的光路趨近於最佳化，或使雷射系統間的光軸具有一定關聯。
Description
本發明係關於柔性鉸鏈對光機構，特別是關於一種高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構。
複雜的光學系統牽涉到多個光學元件的組合，將這些元件安裝於機構形成光機械系統(opto-mechanical system)，是常見的對光與系統組成方式。在考慮特殊的光學系統使用場景(如應用於航太)或組合功能(如超快雷射系統或外腔調制半導體雷射系統)，它們的光機械系統必須提供高的精準度(accuracy)與穩定度(stability)。由於製造與機械組裝存在公差，光學系統必須經過對光的程序，使光學元件位置或角度達到與光學設計相同條件，進而讓系統達到特定的操作功能與輸出效率。在光機械系統中，常見的方法是將系統的光學元件安裝於對光機構(alignment mechanisms)；這些機構在設計過程中被容許具有較大的調整裕度，以提供對光所需之自由度；然而，對光機構的引入會增加系統的複雜度，且未適當設計的光機無法提供足夠的精準度或穩定度。
習知應用於四軸車床之柔性調整精密夾持工具，以柔性鉸鏈結構優化傳統四軸車床的旋轉加工精度。設
計之夾持工具具有三軸的旋轉自由度，調整的精度可達到次微米(sub-micron)等級。配合實際使用於車床的需求，夾持工具增加一高度調整的自由度。這些移動機構的調整機制為手動或壓電材料組成的微米級調整器(manual micrometer adjusters)，但設計的夾持工具，具有避免結構過度形變的檔片區域，致使加工的複雜度提升，且組裝與過程較為複雜，也必須注意調整時的順手性。
習知可調式雷射系統，以單一的可調鉸鏈作為可調式雷射的調整機制。當鉸鏈的轉軸位置製作完成後，其內部光柵元件的旋轉支點隨之固定，但柔性鉸鏈結構未設計避免結構過度形變的機制，且單靠單一致動器無法達到兩個方向的旋轉維度。此外，調整至最佳位置後，也無設計鎖固機構將該位置固定。
習知雷射模組，具有一平台以作為懸臂(cantilever)內光纖之支撐部分。此懸臂長度必須夠長，得以提供內部雷射元件與光纖之間的準直。此結構的調整維度或許是X軸、Y軸或X-Y兩軸向。對光平台的外部會覆蓋一外殼以避免對光過程中受外部環境因素干擾。於對光過程中將會調整光纖位置，即時監控雷射耦合至內部光纖的耦合效率(coupling efficiency)關聯，但由於是利用改變懸臂量本身向封裝內部凸出去的長度，來改變內部光纖的位置以達到對準效果，此方法只適用於較小體積與小的功率輸出。由於未揭露
具有適當的固定機制，預期系統易有穩定度不佳的問題。
習知應用於FIZEAU干涉儀之柔性鉸鏈相位偏移配接器，採用單一本體(monolithic body)設計之配接器(adapter)，用於安裝在干涉儀上，以提供參考光或本身輸出光之相位偏移。該配接器含有兩個部分：第一部分為固定部分，用以與干涉儀對鎖固定；第二部分為可動部分，用以使光束通過。配接器與柔性鉸鏈結合下，可應用於軸向位置的調整。系統可在加入致動器(actuator)，以提供自動化的軸向位置調整。在小的體積內做到精準的軸向位置調整，導致可調整的裕度不高以外，因為體積小故製作需高精度的機具，提升了製作的所需門檻。也要注意配接器調整鉸鏈的壁厚若過薄，鎖固的應力可能導致柔性鉸鏈失效。
綜上所述，目前高功率光學系統之對光機構仍有改進空間，因此本案之申請人研究發展出了高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，有效解決對光機構所遭遇到之問題。
鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，以達成高精密度、穩定度且快速方便的對光程序；此設計除了有助於提升系統的光學特性(如轉換效率)外，並且可具有較高的環境抵抗性(如振動與溫度變化)，並兼顧對光過程的人員安全性。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一種高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，包括：對光機構本體，係為單一塊狀的彈性材料，以一體成形製作；第一鉸鏈，係設置於該對光機構本體之第一高度上，於第一方向上具有第一缺口，該第一缺口係由第一上平台及第一下平台所形成；第二鉸鏈，係設置於該對光機構本體之第二高度上，於第二方向上具有第二缺口，該第二缺口係由第二上平台及第二下平台所形成；第一致動器，係設置於該第一缺口的第一上平台上，用以使該第一上平台相對於該第一下平台產生正、負角度的位移；以及第二致動器，係設置於該第二缺口的第二上平台上，用以使該第二上平台相對於該第二下平台產生正、負角度的位移。
較佳地，第一鉸鏈及第二鉸鏈係可由線切割或傳統機械加工方式削減部分材料，以形成第一缺口及第二缺口。
較佳地，第一致動器可包括螺絲與彈簧，當螺絲克服彈簧的作用力與第一鉸鏈的平衡力時，而繼續提供向上的外部作用力，將可使第一上平台以正的方向作角度調整；而相對的，當彈簧的作用大於第一鉸鏈的平衡力時，則第一上平台以負的方向作角度調整。
較佳地，第二致動器可包括螺絲與彈簧，當螺絲克服彈簧的作用力與第二鉸鏈的平衡力時，而繼續提供向上的外部作用力，將可使第二上平台以正的方向作角度調整；
而相對的，當彈簧的作用大於第二鉸鏈的平衡力時，則第二上平台以負的方向作角度調整。
較佳地，可進一步移除部分第二上平台材料，以縮短第二鉸鏈之支點長度。
較佳地，可進一步包括第一鎖固機構及第二鎖固機構，係分別設置於第一鉸鏈及第二鉸鏈上，當第一上平台及第二上平台調整至定位後，用以固定第一缺口及第二缺口。
較佳地，第一鎖固機構及第二鎖固機構可分別具有一通孔餘隙，用以避免第一上平台及第二上平台位移範圍超過彈性限度。
較佳地，對光機構本體之表面可以介面高吸收鍍膜處理、陽極染黑及介面打毛粗糙化。
較佳地，可進一步包括冷卻機構，係設置於對光機構本體上。
較佳地，第一方向可垂直於第二方向。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
1:對光機構本體
2:第一鉸鏈
20:第一缺口
21:第一上平台
22:第一下平台
23:第一致動器
24:第一鎖固機構
240:通孔餘隙
3:第二鉸鏈
30:第二缺口
31:第二上平台
32:第二下平台
33:第二致動器
34:第二鎖固機構
4:冷卻機構
l:結構長度
t:厚度
第一圖係為本發明之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構示意圖。
第二圖係為本發明之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構之對光機構本體示意圖。
第三圖係為本發明之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構之對光機構本體之側視圖。
第四圖係為本發明與未優化前之機構位移場分布圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
請參閱第一圖係為本發明之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構示意圖，及第二圖係為本發明之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構之對光機構本體示意圖。本發明在於提供高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，包括：對光機構本體1，其為單一塊狀的彈性材料，以一體成形製作，使用單塊機構實現多維度調整，降低多組件組合造成之累積誤差問題。對光機構本體1上設置有第一鉸鏈2、第二鉸鏈3，以柔性鉸鏈設計，作為角度(或位移)的高精準度與穩定度調整機制。
第一鉸鏈2係設置於對光機構本體1之第一高度上(例如：Z軸方向上之高度)，於第一方向(例如：X軸方向)
上具有第一缺口20，在本實施方式中，可由線切割或傳統機械加工方式削減部分材料來形成第一缺口20，第一缺口20係由第一上平台21及第一下平台22所形成，而第一致動器23係設置於第一缺口20的第一上平台21上，用以使第一上平台21相對於第一下平台22產生正、負角度的位移。
在本實施方式中，第一致動器23可包括螺絲與彈簧，當螺絲克服彈簧的作用力與第一鉸鏈2的平衡力時，而繼續提供向上的外部作用力，將可使第一上平台21以正的方向作角度調整；而相對的，當彈簧的作用大於第一鉸鏈2的平衡力時，則第一上平台21以負的方向作角度調整。
第二鉸鏈3係設置於對光機構本體1之第二高度上(例如：Z軸方向上之高度)，於第二方向(例如：Y軸方向)上具有第二缺口30，在本實施方式中，可由線切割或傳統機械加工方式削減部分材料來形成第二缺口30，第二缺口30係由第二上平台31及第二下平台32所形成，而第二致動器33設置於第二缺口30的第二上平台31上，用以使第二上平台31相對於第二下平台32產生正、負角度的位移。
在本實施方式中，第二致動器33可包括螺絲與彈簧，當螺絲克服彈簧的作用力與第二鉸鏈3的平衡力時，而繼續提供向上的外部作用力，將可使第二上平台31以正的方向作角度調整；而相對的，當彈簧的作用大於第二鉸鏈3的平衡力時，則第二上平台31以負的方向作角度調整。
更詳言之，柔性鉸鏈結構透過外部施力作用，材料的變形導致相鄰剛性材料間產生相對移動。我們通常是在一矩行截面或圓形截面梁上，由線切割等技術削減部分材料，形成一個缺口，並利用材料相對較為薄弱的位置實現旋轉或位移調整。對光機構的調整維度與精準度，按其所安裝光學元件於光學系統內的作用而定。此外，系統以高精度的致動器作為調整機制，將可提升調整的精準度。以具有柔性鉸鏈的對光機構實現旋轉調整為例，無論是考慮正或負兩個方向的角度調整，都必須施加一個大於柔性鉸鏈本身平衡力的外部作用力。此處以螺絲與彈簧作為此作用力之來源，且彈簧會套入一個螺絲來控制彈簧力。當螺絲克服彈簧的作用力與柔性鉸鏈的平衡力，而繼續提供向上的外部作用力，將可使上方的平台以正的方向作角度調整；而相對的，當彈簧的作用大於柔性鉸鏈的平衡力，則上方的平台以負的方向作角度調整。上述方式只是柔性鉸鏈調整的部分方式，並不以此為限。
另外，在高功率光學系統中高功率元件之操作，系統經常伴隨大量的廢熱產生。此廢熱依據熱密度與散熱面積等參數，需設計以風冷或水冷方式帶出系統外，以保證系統操作的穩定性，在本實施方式中，可設置冷卻機構4於對光機構本體1上。此外，考量系統操作過程所產生的雜散光，可在系統內的對光機構處理為霧面黑色(例如：對光機構本體
1之表面以高吸收鍍膜處理、陽極染黑及打毛粗糙化)，以及在適當的位置加裝吸光元件。將光學系統以全功率或部分功率方式開啟，應用對光機構改變光學元件的角度或位置，所監控的相關光學輸出參數將隨之變化。此搭配適當的對光程序，最終使系統的光學輸出性質符合需求，柔性鉸鏈的位置隨之固定。
在本實施方式中，透過第一鎖固機構24、第二鎖固機構34將第一鉸鏈2、第二鉸鏈3的位置固定，可增加光學系統的穩定度。第一鎖固機構24、第二鎖固機構34為一彈性材料製作的薄片，其上方存在適當的通孔用以穿過固定螺絲。第一鎖固機構24、第二鎖固機構34上螺絲與通孔的餘隙，恰可做為第一鉸鏈2、第二鉸鏈3之角度或(或位移)拘束，以確保所設計之機構於彈性區域內作動。更詳言之，第一鎖固機構24及第二鎖固機構34係分別設置於第一鉸鏈2及第二鉸鏈3上，當第一上平台21及第二上平台31調整至定位後，用以固定第一缺口20及第二缺口30。第一鎖固機構24及第二鎖固機構34可分別具有一通孔餘隙240，用以避免第一上平台21及第二上平台31位移範圍超過彈性限度。高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構調整過程，以第一鎖固機構24及第二鎖固機構34作限制；至定位後，用第一鎖固機構24及第二鎖固機構34將對光機構本體1長時間固定。
本發明使用有限元素法配合結構力學模組，對柔
性鉸鏈方法製作之對光機構進行機械性質分析。以實際製作的材料與幾何特徵，代入對光機構的施力位置與數值，對結構的位移場與應力分布進行定量分析。在柔性鉸鏈的作用過程中，最常見的失效形式為塑性變形。這是由於柔性鉸鏈必須在材料的彈性極限範圍內，才能夠在調整過程中提供一恢復力。相對的，若柔性鉸鏈的總應力值高於材料的降伏強度(yield strength)，則可預期結構因塑性變形破壞而失效(包含應力應變失去線性關係)，結構將失去原本的彈性與可調整性。由此可知，應用柔性鉸鏈概念所設計之對光機構，具有較高的設計門檻；設計者必須以數值分析，對所設計的柔性鉸鏈機構進行應力場分布計算，確保調整過程對應的應力值小於降伏強度，並確認此調整的角度或位移量符合對光需求。考量製作的材料需容易取得與加工的製程可行性，所設計之機構以AL7075材料製作，該材料對應的彈性模數(elastic modulus)為71.7GPa，降伏強度為503MPa，由模擬結果可知，柔性鉸鏈對光機構在彈性區作用的可容許最大位移量約為正負1.5mm。
在本實施例中，配合分析結果對機構進行最佳化設計：第一缺口20及第二缺口30挖空的縫隙寬度為1.5mm，作為限制向下角度的調整極限；而向上的調整極限則使用鎖固機構的通孔餘隙240約束。此外，鎖固機構配合精準的計算位移場分布，可用於將最佳的對光完成位置或角度，配合
螺絲與墊圈進行鎖固，以增加光學系統完成後的穩定度。為達成鎖固機構之功能性，要求使用者在對光過程，就必須將鎖固機構以螺絲與墊圈靠於所設計的位置，但尚不能夠鎖緊以提供對光流程所需之作動環境。鎖固機構之調整極限約束如第三圖所示；假設鉸鏈往正角度調整至容許的最大角度位置時，恰好接近於此鎖固機構上方螺絲餘隙所允許之最大位移，以此作為正方向之拘束(此處省略螺絲與墊圈以便呈現相對位置)。
請參閱第四圖係為本發明(下圖)與未優化前(上圖)之機構位移場分布圖，改變柔性鉸鏈對光機構的幾何結構，可優化對光過程的機構位移場分布，而有助於提升調整裕度或降低安裝光學元件之受力作用。上述柔性鉸鏈對光機構已初步優化；而在未優化之柔性鉸鏈對光機構，考慮同樣的邊界條件設定，模擬最大彈性限度內對應的最大位移分布，計算結果如第四圖之上圖所示，而第四圖之下圖為初步優化後的鉸鏈對光機構位移分布。結果顯示，未優化之柔性鉸鏈對光機構當角度調整至最大值，因兩個鉸鏈間存在交互作用，影響下方鉸鏈也會向正角度位移，故位移場將呈斜向分布。相對的，優化結構係藉由移除部分幾何結構的方式(移除部分第二上平台31材料，如移除結構長度l與厚度t之材料)，以縮短第二鉸鏈3之支點長度，補償位移至趨近平行分布；同時支點較短的鉸鏈也代表具有較大的可容許最大位
移，有助於提升調整裕度。總結來說，優化後結構成功降低單一鉸鏈調整對兩方向維度的相依調整，故機構能移動的角度趨近於獨立。位移越趨近平行分布，將有助於降低調整過程中機構彎曲或光學元件的受力，因而更適合應用於精密的光學系統之對光場合，例如可降低半導體雷射二極體的smile effect，或避免光柵因應力作用而導致失效。
綜上所述，本發明係一種高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，應用此概念所設計之機構，具有高調整精度與長時間位置穩定性，同時對於環境變化有較大的抵抗性(如溫度與振動)。考量應用於高功率光學系統，將機構表面處理為霧面黑色，以及在適當的為位置加裝吸光元件，可有效降低散射光的危害。若必須要在高功率輸出環境下(如雷射)操作對光流程，可將調整的介面改成高精度的自動調整螺絲(adjustment screw)或壓電材料，以避免對光過程人員接觸到光束的風險。藉由加入鎖固機構設計，可將柔性鉸鏈的角度或位置長時間固定在已完成對光之位置，並且於對光過程中具有限制角度與位移調整的功能。實際設計柔性鉸鏈對光機構，往往會受限於安裝的光學元件尺寸、調整維度與調整距離、角度數值。此外，手動調整螺絲與彈簧等可動件的順手性，與拆裝光學元件所需空間等因素，也必須納入設計考量。本發明所提出的優化方式，可為柔性鉸鏈對光機構實際設計時，遇到上述問題提供解決方案。例如，移除部分區域，以
縮短第二鉸鏈3之支點長度，降低單一鉸鏈調整對兩方向維度的改變，且可供下方鉸鏈的致動器安裝或作為鎖固機構安裝區域。配合對光機構的其他軸向調整機制，可修正角度調整過程對元件平面與垂直位置之影響。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1:對光機構本體
2:第一鉸鏈
3:第二鉸鏈
4:冷卻機構
Claims (9)
- 一種高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，包括：一對光機構本體，係為單一塊狀的彈性材料，以一體成形製作；一第一鉸鏈，係設置於該對光機構本體之第一高度上，於一第一方向上具有一第一缺口，該第一缺口係由一第一上平台及一第一下平台所形成；一第二鉸鏈，係設置於該對光機構本體之第二高度上，於一第二方向上具有一第二缺口，該第二缺口係由一第二上平台及一第二下平台所形成；一第一致動器，係設置於該第一缺口的第一上平台上，用以使該第一上平台相對於該第一下平台產生正、負角度的位移；以及一第二致動器，係設置於該第二缺口的第二上平台上，用以使該第二上平台相對於該第二下平台產生正、負角度的位移，進一步移除部分第二上平台材料，以縮短該第二鉸鏈之支點長度。
- 如申請專利範圍第1項所述之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，其中該第一鉸鏈及該第二鉸鏈係由線切割或傳統機械加工方式削減部分材料，以形成該第一缺口及該第二缺口。
- 如申請專利範圍第1項所述之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，其中該第一致動器包括螺絲與彈簧，當螺絲克服彈簧的作用力與該第一鉸鏈的平衡力時，而繼續提供向上的外部作用力，將可使該第一上平台以正的方向作角度調整；而相對的，當彈簧的作用大於該第一鉸鏈的平衡力時，則該第一上平台以負的方向作角度調整。
- 如申請專利範圍第1項所述之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，其中該第二致動器包括螺絲與彈簧，當螺絲克服彈簧的作用力與該第二鉸鏈的平衡力時，而繼續提供向上的外部作用力，將可使該第二上平台以正的方向作角度調整；而相對的，當彈簧的作用大於該第二鉸鏈的平衡力時，則該第二上平台以負的方向作角度調整。
- 如申請專利範圍第1項所述之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，進一步包括一第一鎖固機構及一第二鎖固機構，係分別設置於該第一鉸鏈及該第二鉸鏈上，當該第一上平台及該第二上平台調整至定位後，用以固定該第一缺口及該第二缺口。
- 如申請專利範圍第5項所述之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，其中該第一鎖固機構及該第二鎖固機構分別具有一通孔餘隙，用以避免該第一上平台及該第二上平台位移範圍超過彈性限度。
- 如申請專利範圍第1項所述之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，其中該對光機構本體之表面以高吸收鍍膜處理、陽極染黑及打毛粗糙化。
- 如申請專利範圍第7項所述之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，進一步包括一冷卻機構，係設置於該對光機構本體上。
- 如申請專利範圍第1項所述之高功率光學系統之柔性鉸鏈對光機構，其中該第一方向垂直於該第二方向。
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