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激光扩束器物镜微调机构设计 第34卷第5期 激光扩束器物镜微调机构设计 3l 文章编号：1004—2539(20m}05—0031—03 激光扩束器物镜微调机构设计 王小庆1，2高云国1谭启檐1，2 (1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033) (2中国科学院研究生院。北京100039) 摘要设计了一个激光扩束器的物镜微调机构，当环境温度变化时，调整扩束器的光学间隔，补偿 热变形的影响。该机构采用螺纹传动方式。通过拧动微调螺母使物镜产生位移，从而调整光学间隔。该 机构结构简单，操作方便，微调精度可达到0．...
3l 文章编号：1004—2539(20m}05—0031—03 激光扩束器物镜微调机构设计 王小庆1，2高云国1谭启檐1，2 (1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033) (2中国科学院研究生院。北京100039) 摘要设计了一个激光扩束器的物镜微调机构，当环境温度变化时，调整扩束器的光学间隔，补偿 热变形的影响。该机构采用螺纹传动方式。通过拧动微调螺母使物镜产生位移，从而调整光学间隔。该 机构结构简单，操作方便，微调精度可达到0．02mm。在不方便手动调节的场合，经过简单改进即可具有 自动调节的功能，并对自动微调的设计方案做了介绍。 关键词微调机构 螺纹传动扩束器 自动微调 DesignoftheFineAdjustmentMechanismforObjectiveoftheLaserBeamExpander Wangxiaoqi耐，2GaoYungu01TanQiyanl’2 (1Changchunlnstitute0f0pti∞，FineMechanicsandPhysics，(】IiI,teseA∞d目叮ofSciences，Changchun130033，China) (2GraduateSchool0ftheChineseA明蛔0fSciences，B蜘iIlg100039，alina) AbstractAfineadjustmentmechanismforobjectiveofthelaserbeamexpanderisdesigned．Whentheenviron— mentaltemperaturechanges，adjustingtheopticalintervalofexpandertocompensatethethermaldeformation．The mechanismusesthescrewdrive，thmushscrewingthenuttomovingtheobjective，thusadjustingtheopticalinterval． Themechanismhavesimplestructureandconvenientoperation，theadjustingprecisioncanreach0．02mm．Onthe occasionwhenmanualadjustingisinconvenient，themechanismcanbemodifiedtohavingthehavingthefunctionof automaticadjusting，themethodofautomaticadjustingispresented． KeywordsFineadjustmentmechanismScrewdriveBeamexpanderAutomaticadjusting O引言 激光扩束器在激光雷达、激光测距、激光跟踪瞄准 等领域中有着十分广泛的应用。在这类远距离的激光 发射系统中，为了增大作用距离，提高发射系统精度， 要求发射激光的光束到达目标时的光斑大小适当，能 量集中，尽量减少在传播过程中的能量损失。激光束 是高斯光束，在传播过程中有发散角，这会造成光斑扩 散，能量损失。使用激光扩束器，可以用扩大激光束腰 直径的办法，来减小激光发散角，提高激光发射的准直 度。 激光扩束器由物镜、目镜等光学元件，和镜筒组件 组成。激光扩束器的一般设计方法为：先由光学设计 确定物镜和目镜的光学参数，以及物镜和目镜之间的 间隔，再根据这些参赛设计镜筒。某激光跟踪、瞄准、 发射系统在使用环境中的温差很大，使扩束器镜筒产 生热变形，造成物镜和目镜之间光学间隔的变化，这种 光学间隔的微小变化对扩束器的使用效果有很多影 响，以至于该系统只能在温度等于系统装配温度的时 候才可以较好地工作，不能满足全天候工作的要求。 为解决此问
，在扩束器镜筒设计中，设计了可以使物 镜沿光轴移动的物镜微调机构，用来补偿热变形的影 响。 1移动镜微调方法 某激光跟踪、瞄准、发射系统的跟踪架采用水平式 结构，跟踪架由基座、经轴、纬轴、驱动电机、编码器等 组成。激光扩束器作为准直激光的出射端，和标星组 件一起安装于纬轴上，扩束器光轴与标星组件的光轴 平行。在系统每次使用前，要检测光学间隔是否发生 了变化，并调节扩束器的物镜，使扩束器的物镜和目镜 之间具有正确的光学间隔。检测光路如图1所示。检 测时以平行光管代替激光器。平行光管发出的平行光 通过扩束器、转折镜组，进入标星组件，在标星CCD上 万方数据 32 机械传动 2010矩 成像。观察CCD上的像点，并通过微调机构调节物镜 位置，直到CCD上的像点又小又亮时，说明扩束器物 镜的焦点与目镜的焦点重合，这时激光扩束器可以对 激光束达到较好的扩束和准直效果。 物镜 扩束器 标星系统 转折镜 图1检测光路不意图 在微调机构中，可以采用的微调方式有[1]：螺纹传 动的微调方式，蜗轮、蜗杆传动的微调方式，丝杠、螺母 传动的微调方式，以及凸轮传动的微调方式。其中，蜗 轮、蜗杆传动方式有结构体积大的缺点；丝杠、螺母传 动方式装配繁琐，装配精度要求高；凸轮传动方式的结 构也比较复杂；螺纹传动方式的结构最简单，且能满足 一般的精度要求【2]。因此，根据实际任务的需要选择 使用螺纹传动的微调方式。 2微调机构的结构 移动物镜微调机构的结构如图2所示。整个装置 由微调螺母、活动镜筒、固定轴套、滚珠、保持架、压紧 螺母、隔圈、防转挡板、防转螺钉、挡块、链接螺钉等构 1．压紧螺母 2．微调螺母 3．活动镜筒 4．同定套筒 5．保持架 6．滚珠 7-8．调整隔圈 9．物镜 lO．防转螺钉 11．防转挡板 12．挡块 13．固定镜筒 图2微调机构装配图 件组成。防转挡板与固定轴套用螺钉固定连接，挡块 与防转挡板用螺钉固定连接，固定轴套与固定镜筒之 间螺钉固定连接，活动镜筒与固定轴套之间装入精密 滚珠。目镜通过隔圈固定在固定镜筒中，物镜固定在 活动镜筒中。通过微调机构使活动镜筒带动物镜在固 定轴套中前后移动，从而改变物镜与目镜之间的光学 间隔，实现调焦。使物镜产生沿光轴移动的微调工作 原理为：活动镜简上开有一段键槽，通过键槽、防转挡 板、防转螺钉，使得活动镜筒只能前后移动而不能转 动；微调螺母和活动镜筒之间是精密螺纹配合，通过挡 块限制微调螺母的轴向移动；这样，转动螺母即可实现 活动镜筒的前后移动。 3分析 3．1螺纹传动的分析 在图2中，通过在微调螺母上施加拧紧力矩来调 节物镜的位置，当拧紧力矩过小时，不足以克服各种摩 擦力，不能使活动镜筒移动，所以拧动微调螺母时的调 节力矩应大于最小拧紧力矩％。。活动镜筒移动时， 受到的阻力有3种【3】：螺旋副间的摩擦力矩n、活动 镜筒上键槽与防转螺钉问的摩擦力F．、活动镜筒与固 定轴套间的滚动摩擦力见(据经验估计约为2．ON)。 根据功能守恒定理，有公式 27rTmi。=2aT1+sFl+sF2(1) F1=2‰。∥d1 (2) T1=(Fl+F2)d2tan(驴+仍)／2(3) 式中s——传动螺纹的螺距，设计为1．5mm。 厂——键槽与防转螺钉问的摩擦系数，约为0．150 d，——活动镜筒的外径，取为48mm。 d2——传动螺纹中径，取为48mm。 驴——传动螺纹的螺纹升角， 妒=arctan(s／，rd2)=0．570。 ‰——传动螺纹螺旋副的当量摩擦角，约为90。 联立式(1)一式(3)并带人数据，得‰。=0．1294 N·m。微调螺母的外径为60mm，所以可计算出调节微 调螺母时所需的最小拧紧力为F拧=2．16N，也就是 说：当人手的拧紧力大于2．16N时，就可以通过微调螺 母稳定地控制活动镜筒的前后移动，并且具有一定的 精度。可见，所需的拧紧力是很小的，用手可以灵巧地 操作。由于驴
]-光学精密工程 2009(05) 2.耿记波;高云国;吴延巽 大型光电设备动基座自动支撑调平方法及结构[期刊论文]-工程设计学报 2007(05) 3.杨可桢;程光蕴 机械设计基础 1998 4.黄和平;夏寅辉;安成斌 大口径、长焦距红外系统调焦机构设计[期刊论文]-激光与红外 2005(10) 5.丁亚林;田海英;王家骐 空间遥感相机调焦机构设计[期刊论文]-光学精密工程 2001(01) 本文链接：
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