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在光學係統搭建中,光路的精準對準是保證係統性能的核心前提。光學調整架作為固定和精確調控光學元件姿態的關鍵裝置,能通過細微調整實現光學元件(如透鏡、反射鏡、棱鏡等)在空間位置或角度上的精準定位,從而實現係統的最佳性能。本文將係統介紹光學調整架的相關基礎知識。
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光學調整架(也稱鏡架、調整架、膜片架等)是小优视频app官网產品中一個重要的組成部分,主要解決各類光學元器件的裝卡(夾持、固定)和調整。光學調整架從結構上來說,通常包括:固定板、活動板、驅動機構(螺紋副)、複位機構(彈簧)、鎖緊機構等部分。
光學元件的夾持:
光學元件的夾持主要有:頂絲式、固定式和壓圈式(參見圖1)
圖1. 光學元件的夾持方式
對於圓形光學元件,通常小优视频app为爱而生根據其厚度來考慮夾持方式:
光學元件厚度小於2.5mm時,推薦壓圈式(參見圖2a)裝卡方式; 光學元件厚度小於1mm時,使用壓圈式卡緊時,請使用隔圈(參見圖2b)保護
光學元件厚度在2.5~5mm時,壓圈式、頂絲式的調整架,基本都可以正常使用
光學元件厚度大於5mm時,大多使用頂絲式(參見圖2c)裝卡方式
如果光學元件厚度太厚,則需要考慮采用特殊的機構或裝卡方式
圖2.壓圈、隔圈與頂絲
對於方形或長方形的片狀光學元件,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
對於立方體、圓柱體或其它形狀的光學元件,小优视频app为爱而生也有很多解決方案(參見圖4):
圖4.立方體、圓柱體的裝卡
光學元件的調整:
同小优视频app为爱而生的電動/手動滑台類似,光學元件的調整從總體上說包括空間六個自由度(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(θz)。
圖5. 光學元件的調整坐標係
光學調整架的結構:
調整俯仰、偏擺的結構,通常分為兩種 :一種稱為非共麵調整,另一種稱為共麵調整(或萬向調整)。
圖6. 光學調整架的結構
光學調整架的非共麵調整機構中,繞俯仰、偏擺的轉軸相交在一個角上(通常是鋼球所在的位置),由鋼球和一套螺紋副,構成一個轉動軸,調整另一套螺紋副時,相當於調整架的前麵板(活動板)繞此軸轉動(參見圖6a)。
共麵調整是指繞俯仰、偏擺的轉軸正交在光學元件的中心位置,這樣一來,當進行調節時,光學元件的中心位置,不會發生變化(參見圖 6b)。
萬向調整機構從結構上來看,在光路調整時,似乎更方便一些(參見 圖6c),但實際上,萬向調整機構若想發揮其光軸不發生位置偏移的特性,有一個重要前提:光斑的中心位置,要同轉軸的中心位置重合。也就是說,小优视频app为爱而生要對鏡片的厚度、光斑的位置等做出嚴格要求,才有可能實現萬向調整。而且萬向調整的轉軸結構物理尺寸較大,故常用於大尺寸的光學元件調整架中,如小优视频app为爱而生的NMVG係列產品。常規尺寸光學元件調整,多用 “非共麵調整機構" 這種形式。
光學調整架的非共麵調整機構中,為了約束其它自由度方向的偏移,通常有“點-線-麵"和“線-線-線"的結構形式(參見圖7):
圖7.調整架的結構
所謂“點-線-麵"結構,是指三個接觸位置,分別對一定的空間自由度進行約束(參見圖7a),以保證所需自由度上的調整精度,小优视频app为爱而生分析如下:
與錐形窩接觸的鋼球,主要約束XYZ三個自由度的移動,而對三個轉動自由度沒有約束
同V型槽接觸的鋼球,主要約束俯仰(θx)和旋轉(θz)兩個自由度
同平麵接觸的鋼球,主要約束偏擺(θy)自由度“線-線-線"結構,是三個鋼球分別與V型槽接觸(參見圖7b),能更好的約束不需要調整的自由度,保證所需自由度上的調整精度。該結構的分析如下:
位置1與位置2的接觸共同作用,約束XYZ三個自由度的移動,同時約束俯仰(θx)和旋轉(θz)兩個旋轉自由度
位置3與位置2的接觸共同作用,約束XYZ三個自由度的移動,同時約束偏擺(θy)和旋轉(θz)兩個旋轉自由度
光學調整架的靈敏度:
類似於電動滑台的分辨率或手動滑台的靈敏度,光學調整架也存在靈敏度。結合上述光學調整架的結構和小优视频app为爱而生在手動滑台產品中介紹的螺紋副的靈敏度概念,小优视频app为爱而生可以大致推算出光學調整架的靈敏度(參見圖8):
圖8. 調整架的靈敏度示意圖
若螺紋副的靈敏度為2.5µm(詳見手動滑台產品介紹中相關說明),以小优视频app为爱而生OMHS20調整架為例,旋轉半徑取37mm,則小优视频app为爱而生可以計算出,該調整架的調整靈敏度: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算值,實際使用中,各個自由度之間,存在一定的影響,所以通常小优视频app为爱而生並未標稱光學調整架的靈敏度。
有部分廠商將光學調整架的靈敏度指標,標的非常高,這時請特別留意。比如某廠家標稱某款調整架的靈敏度為3.8″,經了解是手輪旋轉1°時的指標,但小优视频app为爱而生在手動滑台綜合說明中已經指出:
人手對角度的靈敏度不高,應該以弧長作為衡量標準
直徑10mm的手輪,旋轉1°對應的弧長是0.087mm,人手根本無法分辨所以這樣的標稱,變得沒有意義,有誤導消費者的可能。
靈敏度的標稱:
關於調整架靈敏度的概念和計算方法供您參考。小优视频app为爱而生建議以兩種方式進行規範標稱 :
按螺紋副旋轉一周(360°)時,調整架活動板的角度變化量來衡量,單位為:°/rev(度/圈)或mrad/rev(毫弧度/圈)。按照此種計算方法,小优视频app为爱而生可以計算出:小优视频app为爱而生OMHS20的整圈調整時的靈敏度為:θ=arctg(0.25mm/37mm)≈0.39°/rev≈6.8mrad/rev
按照小优视频app为爱而生在手動滑台綜合說明中提到的螺紋副的靈敏度,結合調整架的結構尺寸,進行說明:
小优视频app为爱而生建議最小旋轉弧長取0.2mm~0.5mm的中間值0.35mm。旋轉周長是指調節手輪的周長,小优视频app为爱而生調整架產品的手輪直徑一般為 12mm~18mm,小优视频app为爱而生取15mm。調整架的旋轉半徑由其結構決定,對於小尺寸鏡片通常在20mm~40mm,小优视频app为爱而生取30mm。按照這樣的計算,小优视频app为爱而生的調整架靈敏度通常為12.8″(0.062mrad)左右。
光學調整架的主要部件:
光學調整架主要由固定板(通常為後板)、活動板(通常為前板)、驅動機構(通常為螺紋副)、複位機構(通常為彈簧)、鎖緊機構組成。 其中固定板、活動板作為光學調整架的主體部分,主要同結構設計、材料有關。
複位機構:
調整架的複位機構,通常都是由彈簧構成,光學調整架中常用的彈簧有碟形彈簧(簡稱碟簧)、拉簧和壓簧等(參見圖9):
圖9. 光學調整架常用彈簧
碟形彈簧通常是由若幹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。但使用中若過載,容易出現變形、斷裂而徹*損毀,並且在壓縮過程中,彈力分布通常為拋物曲線(非線性),若多組疊加使用時,情況更為複雜,容易出現非線性的彈力變化或者 “跳變",一定程度上會影響調整架的使用,故在小优视频app为爱而生新型光學調整架中,已經較少使用。
拉簧和壓簧是通過拉伸或壓縮彈簧而產生彈力,拉簧和壓簧在行程範圍內,都遵循胡克定律,即:F(彈力)=kX,k為彈簧的彈性係數(與彈簧的材料、線徑、圈徑、總圈數等相關),X為彈簧變形量。從胡克定律可以看出,拉簧、壓簧的彈力屬於線性變化,比較符合調整習慣,但行程較大時,彈力較大,容易影響手感。
光學調整架的鎖緊:
由於光學調整架的鎖緊大部分是通過鎖緊螺紋副來實現,所以嚴格意義上,應該屬於螺紋副的鎖緊。螺紋副的鎖緊,分為沿著運動方向(軸向)鎖緊和垂直於運動方向(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、擠壓螺紋副而達到鎖緊的目的,小优视频app为爱而生部分常見的螺紋副鎖緊形式(參見圖10)。
圖10. 小优视频app为爱而生調整架(或螺紋副)的鎖緊方式