一种多自由度光学调装装置及调装方法与流程

本发明涉及高精度光路调装与集成领域，更具体地，涉及一种在光路一体化集成技术中的多自由度同时原位光学调节优化调装方法及其装置。

背景技术

一体化的超稳集成光学系统是精密光学测量、高精度光学仪器等领域的核心技术组件，特别是在航空航天等应用领域所需的便携式的超稳光学系统对地球科学、空间科学具有重要意义。

集成光路包括常用的基于光纤、波导等器件的光学系统，其优点是轻便和便于装配，但其稳定性较容易受环境噪声干扰。对于光路复杂度较高、以及对光学稳定度要求较高的系统，如高精度激光干涉仪等，单片式的集成光学平台是更适合的超稳光学系统。单片式的集成光路是指采用黏着剂胶合或者采用化学催化粘结等方式，将玻璃反射镜、透镜、分束/合束镜等光学元件根据所需光路固定在同一个玻璃底座上，形成一个稳定的一体化集成空间光路。由于光学元件和底座都采用同样的玻璃材料，而且在粘结固化后光路将完全固定，使其足够稳定而不易受环境噪声干扰。

由于单片式集成光路在粘合固定后不可调，光学元件的精密定位和调装是其关键技术难点。对于光路中定位精度要求较低的光学元件和底座之间的粘合组装，可采用模板对其进行辅助定位；而对于定位精度要求较高的关键光学元件，如激光合束镜、光纤耦合或准直透镜、激光成像系统等，则需要在粘合前在光路中对其进行高精度激光对准调节。对一束高斯激光进行相对于其他光路的对准调节需要至少五个自由度包括：两维平移、两维指向角以及高斯腰斑的纵向位置可调。

目前对单片式集成光学平台中关键元件的精密调装一般采用高精度的辅助设备如三坐标仪等，通过对关键元件的几何坐标进行精密测量，同时结合光路坐标定位软件进行光路组装。然而，对于单片式的集成光路而言，即使采用三坐标仪进行辅助调节，也只能在光路平面上进行一个自由度平移和一个自由度转动的定位调节。由于底座表面与元件粘结面之间是不可调的，对于第三、四维度的光轴高度与俯仰角，目前一般需要采用自由度拆分的方式，分多次对不同自由度的坐标进行测量与调节。

但是，上述方法只适用于光学轴心可根据元件几何坐标测量值进行精确估算的情况，对于非平面的、非完美球面的光学作用面，其光学轴心与几何轴心会有不可估计的偏差，无法直接通过几何坐标的测量进行激光光束的真实定位和调节，只能通过光学实时测量的方式对光路进行原位的多自由度同时调节与装配。

针对上述情况，本领域急需一种可以对单片式集成光路进行多自由度的、实时的、原位的、并且简单易实现的光学调节与装配方法。

技术实现要素：

本发明为了解决目前在集成光学领域中，非平面的、非完美球面的光学元件高精度调装无法通过机械坐标测量完成的情况，以及对于单片式的集成光路很难实现多自由度同时原位调节的情况，本发明提供了一种可多自由度光学调装装置与调装方法，其能多自由度的、实时的、原位的光学调节。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种多自由度光学调装装置，其特征在于：包括固定台、自由度分解机构，所述自由度分解机构设置在固定台上；所述自由度分解机构包括玻璃底座、第一玻璃元件、第二玻璃元件；所述第一玻璃元件垂直设置在玻璃底座的上表面,且可水平方向平移或转动；所述第二玻璃元件垂直设置在第一玻璃元件的另一面上，且可上下方向平移或俯仰角度转动连接设置，第二玻璃元件与玻璃底座平行；所述待调光学元件设置在第二玻璃元件上；所述玻璃底座下表面与固定台连接。

优选地，还包括第一调节指针、第二调节指针、第三调节指针、第四调节指针、第五调节指针、第六调节指针；所述第一调节指针、第二调节指针与第一玻璃元件的一个侧面可拆卸连接；所述第三调节指针、第四调节指针与第二玻璃元件的下表面可拆卸连接；所述第五调节指针、第六调节指针分别与第一玻璃元件和第二玻璃元件的另一个侧面可拆卸连接；所述第一调节指针、第二调节指针组装于水平移动和转动机械调节机构上，所述第三调节指针、第四调节指针组装于上下移动和俯仰机械调节机构上，所述第五调节指针、第六调节指针组装于轴向维度调节机构上，所述水平移动和转动机械调节机构、上下移动和俯仰机械调节机构、轴向维度调节机构均固定于固定台上。

优选地，所述固定台设置为倾斜角结构，其中一侧面设置倾斜45°，相邻的另一侧面设置倾斜3~5°，且倾斜面的最小角相邻。

优选地，所述玻璃底座与第一玻璃元件粘结连接，第二玻璃元件与第一玻璃元件粘结连接，待调光学元件与第二玻璃元件粘结连接。

优选地，通过操作水平移动和转动机械调节机构，从而调节第一调节指针和第二调节指针作精密的水平移动，若所述第一调节指针和第二调节指针向同个方向移动相同距离时，第一玻璃元件和第二玻璃元件将沿水平方向平移；若所述第一调节指针和第二调节指针移动距离不相同或朝反方向移动时，第一玻璃元件和第二玻璃元件将沿水平角度方向转动。

优选地，通过操作上下移动和俯仰机械调节机构，从而调节第三调节指针和第四调节指针作精密的上下移动，若所述第三调节指针和第四调节指针向同个方向移动相同距离时，第二玻璃元件将沿上下方向平移；若所述第三调节指针和第四调节指针移动距离不相同或朝反方向移动时，第二玻璃元件将沿俯仰角度方向转动。

优选地，通过操作轴向维度调节机构，从而调节第五调节指针和第六调节指针作精密的轴向移动，若所述第五调节指针和第六调节指针向同个方向移动相同的距离时，第一玻璃元件和第二玻璃元件将沿光束轴向方向位移。

一种基于以上所述的多自由度调装装置的调装方法，该调装方法步骤如下：

1）选择固定台：根据光路组成和光学平台的尺寸选择合适尺寸的固定台；

2）组装：将水平移动和转动维度机械调节机构与第一调节指针和第二调节指针组装于一体、将上下移动和俯仰维度机械调节机构与第三调节指针和第四调节指针组装于一体、将轴向维度机械调节机构与第五调节指针和第六调节指针组装于一体；

3）固定：将组装完成的水平移动和转动维度机械调节机构、上下移动和俯仰维度机械调节机构和轴向维度机械调节机构与玻璃底座一起固定于固定台上，并且使得调节机构与底座之间处于合适的相对位置和角度；

4）放入待调光学元件：将第一玻璃元件、第二玻璃元件和待调光学元件放入光学平台光路中，第一玻璃元件、第二玻璃元件与各自相应的调节指针连接，待调光学元件固定在第二玻璃元件的上表面；

5）多自由度调节：一边对光路进行观察和光学参数测量，一边通过同时操作三套不同维度的机械调节机构调节六个不同的相应的精密调节指针，对待调光学元件进行五自由度位置和角度的同时原位调节，优化光路；

6）粘结光路：光路优化调节完成后，在玻璃底座与第一玻璃元件的接触面、第一玻璃元件与第二玻璃元件的接触面处滴入粘结液以固定光路，完成调装。

本发明的有益效果如下：本发明中玻璃底座、第一玻璃元件、第二玻璃元件均设置可以相对转动，使待调光学元件在复杂光学光路中多自由度转动，实现多自由度调装。本发明多自由度光学调装装置不需要使用昂贵和复杂的坐标测量仪器作辅助，结构与操作相对简单，容易实现。多自由度光学调装装置采用了自由度空间分解的方法，使待调光学元件不同自由度的调装能同时进行，无需在时间上对其分次执行，减少操作时间，也增加调节的准确性。

附图说明

图1是本发明一种自由度分解机构示意图。

图2是本发明一种自由度分解机构中机械调节指针连接示意图。

图3是本发明一种多自由度同时原位调装方法的结构框图。

图中，1.固定台、2.玻璃底座、5.第一玻璃元件、6.第二玻璃元件、7.待调光学元件、8.第一玻璃元件与玻璃底座的接触面、9.第一玻璃元件与第二玻璃元件的接触面、10.第一调节指针、11.第二调节指针、12.第三调节指针、13.第四调节指针、14.第五调节指针、15.第六调节指针、16.水平移动和转动维度机械调节机构、17.上下移动和俯仰维度机械调节机构、18.轴向维度机械调节机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图1所示，一种多自由度光学调装装置，包括固定台1、自由度分解机构，所述自由度分解机构设置在固定台1上；所述自由度分解机构包括玻璃底座2、第一玻璃元件5、第二玻璃元件6；所述第一玻璃元件5垂直设置在玻璃底座2的上表面，且可水平方向平移或转动；所述第二玻璃元件6垂直设置在第一玻璃元件5的另一面上，且可上下方向平移或俯仰角度转动，第二玻璃元件6与玻璃底座2平行；所述待调光学元件7设置在第二玻璃元件6上；所述玻璃底座2下表面固定在固定台1上。本实施例中为了提高实验调装精度，所述的第一玻璃元件5与第二玻璃元件6的垂直度偏差要求小于5角秒，以减少自由度分解后的残余自由度耦合偏差。所述玻璃底座2与第一玻璃元件5粘结连接，第二玻璃元件6与第一玻璃元件5粘结连接，待调光学元件7与第二玻璃元件6粘结连接。所述自由度分解机构用于多个自由度定位调节优化待调装的光学元件光路。

所述固定台1设置为倾斜角结构，其中一侧面设置倾斜45°，相邻的另一侧面设置倾斜3~5°，且倾斜面的最小角相邻，所述固定台1底部为矩形。所述固定台1用于固定自由度分解机构、水平移动和转动维度调节机构、上下移动和俯仰维度调节机构以及轴向维度调节机构。

如图2、图3所示，本发明还包括第一调节指针10、第二调节指针11、第三调节指针12、第四调节指针13、第五调节指针14、第六调节指针15；所述第一调节指针10、第二调节指针11与第一玻璃元件5的一个侧面可拆卸连接；所述第三调节指针12、第四调节指针13与第二玻璃元件6的下表面可拆卸连接；所述第五调节指针14、第六调节指针15分别与第一玻璃元件5和第二玻璃元件6的另一个侧面可拆卸连接；所述第一调节指针10、第二调节指针11组装于水平移动和转动机械调节机构16上，所述第三调节指针12、第四调节指针13组装于上下移动和俯仰机械调节机构17上，所述第五调节指针14、第六调节指针15组装于轴向维度调节机构18上，所述水平移动和转动机械调节机构16、上下移动和俯仰机械调节机构17、轴向维度调节机构18均固定于固定台1上。

本实施例通过操作水平移动和转动机械调节机构16，从而调节第一调节指针10和第二调节指针11作精密的水平移动，若所述第一调节指针10和第二调节指针11向同个方向移动相同距离时，第一玻璃元件5和第二玻璃元件6将沿水平方向平移；若所述第一调节指针10和第二调节指针11移动距离不相同或朝反方向移动时，第一玻璃元件5和第二玻璃元件6将沿水平角度方向转动。

本实施例通过操作上下移动和俯仰机械调节机构17，从而调节第三调节指针12和第四调节指针13作精密的上下移动，若所述第三调节指针12和第四调节指针13向同个方向移动相同距离时，第二玻璃元件6将沿上下方向平移；若所述第三调节指针12和第四调节指针13移动距离不相同或朝反方向移动时，第二玻璃元件6将沿俯仰角度方向转动。

本实施通过操作轴向维度调节机构18，从而调节第五调节指针14和第六调节指针15作精密的轴向移动，若所述第五调节指针14和第六调节指针15向同个方向移动相同的距离时，第一玻璃元件5和第二玻璃元件6将沿光束轴向方向位移。

基于以上多自由度光学调装装置的调装方法，该调装步骤具体如下：

1）选择固定台：根据光路组成和光学平台的尺寸选择合适尺寸的固定台1；

2）组装：将水平移动和转动维度机械调节机构16与第一调节指针10和第二调节指针11组装于一体、将上下移动和俯仰维度机械调节机构17与第三调节指针12和第四调节指针13组装于一体、将轴向维度机械调节机构18与第五调节指针14和第六调节指针15组装于一体；

3）固定：将组装完成的水平移动和转动维度机械调节机构16、上下移动和俯仰维度机械调节机构17和轴向维度机械调节机构18与玻璃底座2一起固定于固定台1上，并且使得调节机构与底座2之间处于合适的相对位置和角度；

4）放入待调光学元件：将第一玻璃元件5、第二玻璃元件6和待调光学元件7放入光学平台光路中。第一玻璃元件5、第二玻璃元件6与各自相应的机械调节指针可拆卸连接，待调光学元件7固定在第二玻璃元件6的上表面；

5）多自由度调节：一边对光路进行观察和光学参数测量，一边通过同时操作三套不同维度的机械调节机构调节六个不同的相应的精密调节指针，对待调光学元件进行五自由度位置和角度的同时原位调节，优化光路；精密调节过程中对耦合光功率、光斑大小、光束指向等光学参数进行实时测量观察；

6）粘结光路：光路优化调节完成后，在玻璃底座2与第一玻璃元件5的接触面8、第一玻璃元件5与第二玻璃元件6的接触面9处滴入粘结液以固定光路，完成调装。所述粘结液可以采用特定性能参数的环氧树脂，或者对玻璃具有化学粘合作用的碱性溶液等。

本发明采用倾斜角结构的固定台1主要作用是利用第一玻璃元件5和第二玻璃元件6在重力的作用下相互挤压，并同时靠向对应的机械调节指针，从而允许光学元件实现往返调节的可能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。