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您現(xiàn)在的位置：首頁 > 技術(shù)文章 > 從夾持到調(diào)整：光學(xué)調(diào)整架核心知識(shí)科普，卓立漢光OMHS調(diào)整架靈敏度揭秘
在光學(xué)系統(tǒng)搭建中，光路的精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)是保證系統(tǒng)性能的核心前提。光學(xué)調(diào)整架作為固定和精確調(diào)控光學(xué)元件姿態(tài)的關(guān)鍵裝置，能通過細(xì)微調(diào)整實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件（如透鏡、反射鏡、棱鏡等）在空間位置或角度上的精準(zhǔn)定位，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。本文將系統(tǒng)介紹光學(xué)調(diào)整架的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。
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光學(xué)調(diào)整架（也稱鏡架、調(diào)整架、膜片架等）是光機(jī)產(chǎn)品中一個(gè)重要的組成部分，主要解決各類光學(xué)元器件的裝卡（夾持、固定）和調(diào)整。光學(xué)調(diào)整架從結(jié)構(gòu)上來說，通常包括：固定板、活動(dòng)板、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（螺紋副）、復(fù)位機(jī)構(gòu)（彈簧）、鎖緊機(jī)構(gòu)等部分。
光學(xué)元件的夾持：
光學(xué)元件的夾持主要有：頂絲式、固定式和壓圈式（參見圖1）
圖1. 光學(xué)元件的夾持方式
對(duì)于圓形光學(xué)元件，通常我們根據(jù)其厚度來考慮夾持方式：
光學(xué)元件厚度小于2.5mm時(shí)，推薦壓圈式（參見圖2a）裝卡方式； 光學(xué)元件厚度小于1mm時(shí)，使用壓圈式卡緊時(shí)，請(qǐng)使用隔圈（參見圖2b）保護(hù)
光學(xué)元件厚度在2.5~5mm時(shí)，壓圈式、頂絲式的調(diào)整架，基本都可以正常使用
光學(xué)元件厚度大于5mm時(shí)，大多使用頂絲式（參見圖2c）裝卡方式
如果光學(xué)元件厚度太厚，則需要考慮采用特殊的機(jī)構(gòu)或裝卡方式
圖2.壓圈、隔圈與頂絲
對(duì)于方形或長(zhǎng)方形的片狀光學(xué)元件，更多是采用固定式的裝卡方式（參見圖3）：
圖3.方形元件的固定方式
對(duì)于立方體、圓柱體或其它形狀的光學(xué)元件，我們也有很多解決方案（參見圖4）：
圖4.立方體、圓柱體的裝卡
光學(xué)元件的調(diào)整：
同卓立漢光的電動(dòng)/手動(dòng)滑臺(tái)類似，光學(xué)元件的調(diào)整從總體上說包括空間六個(gè)自由度（參見圖5），分別是平移方向的X軸、Y軸和Z軸（光軸），角度方向的俯仰（θx）、 偏擺（θy）和旋轉(zhuǎn)（θz）。
圖5. 光學(xué)元件的調(diào)整坐標(biāo)系
光學(xué)調(diào)整架的結(jié)構(gòu)：
調(diào)整俯仰、偏擺的結(jié)構(gòu)，通常分為兩種 ：一種稱為非共面調(diào)整，另一種稱為共面調(diào)整（或萬向調(diào)整）。
圖6. 光學(xué)調(diào)整架的結(jié)構(gòu)
光學(xué)調(diào)整架的非共面調(diào)整機(jī)構(gòu)中，繞俯仰、偏擺的轉(zhuǎn)軸相交在一個(gè)角上（通常是鋼球所在的位置），由鋼球和一套螺紋副，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，調(diào)整另一套螺紋副時(shí)，相當(dāng)于調(diào)整架的前面板（活動(dòng)板）繞此軸轉(zhuǎn)動(dòng)（參見圖6a）。
共面調(diào)整是指繞俯仰、偏擺的轉(zhuǎn)軸正交在光學(xué)元件的中心位置，這樣一來，當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，光學(xué)元件的中心位置，不會(huì)發(fā)生變化（參見圖 6b）。
萬向調(diào)整機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上來看，在光路調(diào)整時(shí)，似乎更方便一些（參見 圖6c），但實(shí)際上，萬向調(diào)整機(jī)構(gòu)若想發(fā)揮其光軸不發(fā)生位置偏移的特性，有一個(gè)重要前提：光斑的中心位置，要同轉(zhuǎn)軸的中心位置重合。也就是說，我們要對(duì)鏡片的厚度、光斑的位置等做出嚴(yán)格要求，才有可能實(shí)現(xiàn)萬向調(diào)整。而且萬向調(diào)整的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)物理尺寸較大，故常用于大尺寸的光學(xué)元件調(diào)整架中，如卓立漢光的NMVG系列產(chǎn)品。常規(guī)尺寸光學(xué)元件調(diào)整，多用 “非共面調(diào)整機(jī)構(gòu)" 這種形式。
光學(xué)調(diào)整架的非共面調(diào)整機(jī)構(gòu)中，為了約束其它自由度方向的偏移，通常有“點(diǎn)-線-面"和“線-線-線"的結(jié)構(gòu)形式（參見圖7）：
圖7.調(diào)整架的結(jié)構(gòu)
所謂“點(diǎn)-線-面"結(jié)構(gòu)，是指三個(gè)接觸位置，分別對(duì)一定的空間自由度進(jìn)行約束（參見圖7a），以保證所需自由度上的調(diào)整精度，我們分析如下：
與錐形窩接觸的鋼球，主要約束XYZ三個(gè)自由度的移動(dòng)，而對(duì)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度沒有約束
同V型槽接觸的鋼球，主要約束俯仰（θx）和旋轉(zhuǎn)（θz）兩個(gè)自由度
同平面接觸的鋼球，主要約束偏擺（θy）自由度“線-線-線"結(jié)構(gòu)，是三個(gè)鋼球分別與V型槽接觸（參見圖7b），能更好的約束不需要調(diào)整的自由度，保證所需自由度上的調(diào)整精度。該結(jié)構(gòu)的分析如下：
位置1與位置2的接觸共同作用，約束XYZ三個(gè)自由度的移動(dòng)，同時(shí)約束俯仰（θx）和旋轉(zhuǎn)（θz）兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度
位置3與位置2的接觸共同作用，約束XYZ三個(gè)自由度的移動(dòng)，同時(shí)約束偏擺（θy）和旋轉(zhuǎn)（θz）兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度
光學(xué)調(diào)整架的靈敏度：
類似于電動(dòng)滑臺(tái)的分辨率或手動(dòng)滑臺(tái)的靈敏度，光學(xué)調(diào)整架也存在靈敏度。結(jié)合上述光學(xué)調(diào)整架的結(jié)構(gòu)和我們?cè)谑謩?dòng)滑臺(tái)產(chǎn)品中介紹的螺紋副的靈敏度概念，我們可以大致推算出光學(xué)調(diào)整架的靈敏度（參見圖8）：
圖8. 調(diào)整架的靈敏度示意圖
若螺紋副的靈敏度為2.5µm（詳見手動(dòng)滑臺(tái)產(chǎn)品介紹中相關(guān)說明），以卓立漢光OMHS20調(diào)整架為例，旋轉(zhuǎn)半徑取37mm，則我們可以計(jì)算出，該調(diào)整架的調(diào)整靈敏度：θ=arctg（2.5µm/37mm） ≈0.00387°≈0.23′≈13.9″。
上述情況是在理想狀況下的理論計(jì)算值，實(shí)際使用中，各個(gè)自由度之間，存在一定的影響，所以通常我們并未標(biāo)稱光學(xué)調(diào)整架的靈敏度。
有部分廠商將光學(xué)調(diào)整架的靈敏度指標(biāo)，標(biāo)的非常高，這時(shí)請(qǐng)?zhí)貏e留意。比如某廠家標(biāo)稱某款調(diào)整架的靈敏度為3.8″，經(jīng)了解是手輪旋轉(zhuǎn)1°時(shí)的指標(biāo)，但我們?cè)谑謩?dòng)滑臺(tái)綜合說明中已經(jīng)指出：
人手對(duì)角度的靈敏度不高，應(yīng)該以弧長(zhǎng)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)
直徑10mm的手輪，旋轉(zhuǎn)1°對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)是0.087mm，人手根本無法分辨所以這樣的標(biāo)稱，變得沒有意義，有誤導(dǎo)消費(fèi)者的可能。
靈敏度的標(biāo)稱：
關(guān)于調(diào)整架靈敏度的概念和計(jì)算方法供您參考。卓立漢光建議以兩種方式進(jìn)行規(guī)范標(biāo)稱 ：
按螺紋副旋轉(zhuǎn)一周（360°）時(shí)，調(diào)整架活動(dòng)板的角度變化量來衡量，單位為：°/rev（度/圈）或mrad/rev（毫弧度/圈）。按照此種計(jì)算方法，我們可以計(jì)算出：卓立漢光OMHS20的整圈調(diào)整時(shí)的靈敏度為：θ=arctg（0.25mm/37mm）≈0.39°/rev≈6.8mrad/rev
按照我們?cè)谑謩?dòng)滑臺(tái)綜合說明中提到的螺紋副的靈敏度，結(jié)合調(diào)整架的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行說明：
我們建議最小旋轉(zhuǎn)弧長(zhǎng)取0.2mm~0.5mm的中間值0.35mm。旋轉(zhuǎn)周長(zhǎng)是指調(diào)節(jié)手輪的周長(zhǎng)，卓立漢光調(diào)整架產(chǎn)品的手輪直徑一般為 12mm~18mm，我們?nèi)?5mm。調(diào)整架的旋轉(zhuǎn)半徑由其結(jié)構(gòu)決定，對(duì)于小尺寸鏡片通常在20mm~40mm，我們?nèi)?0mm。按照這樣的計(jì)算，卓立漢光的調(diào)整架靈敏度通常為12.8″（0.062mrad）左右。
光學(xué)調(diào)整架的主要部件：
光學(xué)調(diào)整架主要由固定板（通常為后板）、活動(dòng)板（通常為前板）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（通常為螺紋副）、復(fù)位機(jī)構(gòu)（通常為彈簧）、鎖緊機(jī)構(gòu)組成。 其中固定板、活動(dòng)板作為光學(xué)調(diào)整架的主體部分，主要同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料有關(guān)。
復(fù)位機(jī)構(gòu)：
調(diào)整架的復(fù)位機(jī)構(gòu)，通常都是由彈簧構(gòu)成，光學(xué)調(diào)整架中常用的彈簧有碟形彈簧（簡(jiǎn)稱碟簧）、拉簧和壓簧等（參見圖9）：
圖9. 光學(xué)調(diào)整架常用彈簧
碟形彈簧通常是由若干組呈碟形的簧片組合、疊加而成，碟簧具有變形小、彈力大的特點(diǎn)。但使用中若過載，容易出現(xiàn)變形、斷裂而徹*損毀，并且在壓縮過程中，彈力分布通常為拋物曲線（非線性），若多組疊加使用時(shí)，情況更為復(fù)雜，容易出現(xiàn)非線性的彈力變化或者 “跳變"，一定程度上會(huì)影響調(diào)整架的使用，故在卓立漢光新型光學(xué)調(diào)整架中，已經(jīng)較少使用。
拉簧和壓簧是通過拉伸或壓縮彈簧而產(chǎn)生彈力，拉簧和壓簧在行程范圍內(nèi)，都遵循胡克定律，即：F（彈力）=kX，k為彈簧的彈性系數(shù)（與彈簧的材料、線徑、圈徑、總?cè)?shù)等相關(guān)），X為彈簧變形量。從胡克定律可以看出，拉簧、壓簧的彈力屬于線性變化，比較符合調(diào)整習(xí)慣，但行程較大時(shí)，彈力較大，容易影響手感。
光學(xué)調(diào)整架的鎖緊：
由于光學(xué)調(diào)整架的鎖緊大部分是通過鎖緊螺紋副來實(shí)現(xiàn)，所以嚴(yán)格意義上，應(yīng)該屬于螺紋副的鎖緊。螺紋副的鎖緊，分為沿著運(yùn)動(dòng)方向（軸向）鎖緊和垂直于運(yùn)動(dòng)方向（徑向）鎖緊。軸向鎖緊和徑向鎖緊，基本上都是通過螺套的變形， 如 ：抱緊、擠壓螺紋副而達(dá)到鎖緊的目的，卓立漢光部分常見的螺紋副鎖緊形式（參見圖10）。
圖10. 卓立漢光調(diào)整架（或螺紋副）的鎖緊方式
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