科普篇|如何挑选一款合适的光学调整架产品

2022-07-30 02:29:11, 光电行业都会关注北京卓立汉光仪器有限公司

精工品质，致力精准应用

北京卓立汉光仪器有限公司多年来，一直致力于精密光学仪器和精密机械运动与控制技术产品的研发与生产，为广大光电行业从业者提供针对性的产品及解决方案。为了满足很多用户对于调整架的好奇心，今天小编为大家分享一篇光学调整架的综合介绍，让您轻松挑选一款合适的光学调整架。全是干货，建议收藏！

如您对下列产品感兴趣，欢迎拨打咨询电话13810664973，或在微信后台留言，通过官微购买产品的用户都将获得卓立汉光送出的精美礼品一份！

光学调整架

如何挑选一款合适的调整架产品？

光学调整架（也称镜架、调整架、膜片架等）是光机产品中一个重要的组成部分，主要解决各类光学元器件的装卡（夹持、固定）和调整。

光学调整架从结构上来说，通常包括：固定板、活动板、驱动机构（螺纹副）、复位机构（弹簧）、锁紧机构等部分。

卓立汉光可提供品种多样、性能优良、质量可靠的光学调整架产品。由于光学调整架种类较多而且配件也比较繁杂，所以选型时相对比较费时，为了提升您选型的效率，我们推荐您采用以下方法：

首先，请确认光学元件的参数，包括：类别、形状、尺寸等。

其次，确认光学元件的使用要求，比如：透镜通常不需要调整俯仰、偏摆，但反射 / 分光镜调整架必须有此功能；而对于波片、偏振片等元件，最基本的使用要求是要绕光路中心旋转。

第三，确定光路中心高，以便正确地选择相关附件，如：接杆、杆架、底板等。

在上述三个问题落实清楚后，按照我们文章、网站中的说明，基本上就能找到合适的调整架产品及附件了。

光学元件的夹持

光学元件的夹持主要有：顶丝式、固定式和压圈式（参见图1）

图1. 光学元件的夹持方式

对于圆形光学元件，通常我们根据其厚度来考虑夹持方式：

• 光学元件厚度小于2.5mm时，推荐压圈式（参见图2a）装卡方式；光学元件厚度小于1mm时，使用压圈式卡紧时，请使用隔圈（参见图2b）保护

• 光学元件厚度在2.5~5mm时，压圈式、顶丝式的调整架，基本都可以正常使用

• 光学元件厚度大于5mm时，大多使用顶丝式（参见图2c）装卡方式

• 如果光学元件厚度太厚，则需要考虑采用特殊的机构或装卡方式

图2.压圈、隔圈与顶丝

对于方形或长方形的片状光学元件，更多是采用固定式的装卡方式（参见图3）：

图3.方形元件的固定方式

对于立方体、圆柱体或其它形状的光学元件，我们也有很多解决方案（参见图4）：

图4.立方体、圆柱体的装卡

光学元件的调整：

同卓立汉光的电动 / 手动滑台类似，光学元件的调整从总体上说包括空间六个自由度（参见图 5），分别是平移方向的 X 轴、Y 轴和 Z 轴（光轴），角度方向的俯仰（θx）、偏摆（θy）和旋转（θz）。

图5. 光学元件的调整坐标系

光学调整架的结构：

调整俯仰、偏摆的结构，通常分为两种：一种称为非共面调整，另一种称为共面调整（或万向调整）。

光学调整架的非共面调整机构中，绕俯仰、偏摆的转轴相交在一个角上（通常是钢球所在的位置），由钢球和一套螺纹副，构成一个转动轴，调整另一套螺纹副时，相当于调整架的前面板（活动板）绕此轴转动（参见图 6a）。

共面调整是指绕俯仰、偏摆的转轴正交在光学元件的中心位置，这样一来，当进行调节时，光学元件的中心位置，不会发生变化（参见图 6b）。

万向调整机构从结构上来看，在光路调整时，似乎更方便一些（参见图 6c），但实际上，万向调整机构若想发挥其光轴不发生位置偏移的特性，有一个重要前提：光斑的中心位置，要同转轴的中心位置重合。也就是说，我们要对镜片的厚度、光斑的位置等做出严格要求，才有可能实现万向调整。而且万向调整的转轴结构物理尺寸较大，故常用于大尺寸的光学元件调整架中，如卓立汉光的 NMVG 系列产品。常规尺寸光学元件调整，多用“非共面调整机构”这种形式。

光学调整架的非共面调整机构中，为了约束其它自由度方向的偏移，通常有“点 - 线 - 面”和“线 - 线 - 线”的结构形式（参见图 7）：

a. 非共面调整机构示意图

b. 共面（万向）调整机构示意图

c．非共面与共面（万向）调整架比较

图6. 光学调整架的结构

所谓“点-线-面”结构，是指三个接触位置，分别对一定的空间自由度进行约束（参见图7a），以保证所需自由度上的调整精度，我们分析如下：

• 与锥形窝接触的钢球，主要约束XYZ三个自由度的移动，而对三个转动自由度没有约束

• 同V型槽接触的钢球，主要约束俯仰（θx）和旋转（θz）两个自由度

• 同平面接触的钢球，主要约束偏摆（θy）自由度

a.点-线-面结构

b.线-线-线结构

图7.调整架的结构

“线-线-线”结构，是三个钢球分别与V型槽接触（参见图7b），能更好的约束不需要调整的自由度，保证所需自由度上的调整精度。该结构的分析如下：

• 位置1与位置2的接触共同作用，约束XYZ三个自由度的移动，同时约束俯仰（θx）和旋转（θz）两个旋转自由度

• 位置3与位置2的接触共同作用，约束XYZ三个自由度的移动，同时约束偏摆（θy）和旋转（θz）两个旋转自由度

台光学调整架的灵敏度：

类似于电动滑台的分辨率或手动滑台的灵敏度，光学调整架也存在灵敏度。结合上述光学调整架的结构和我们在手动滑台产品中介绍的螺纹副的灵敏度概念，我们可以大致推算出光学调整架的灵敏度（参见图 8）：

图8. 调整架的灵敏度示意图

若螺纹副的灵敏度为 2.5µm（详见手动滑台产品介绍中相关说明），以卓立汉光 OMHS20 调整架为例，旋转半径取 37mm，则我们可以计算出，该调整架的调整灵敏度：θ=arctg（2.5µm/37mm） ≈ 0.00387°≈ 0.23′≈ 13.9″。

上述情况是在理想状况下的理论计算值，实际使用中，各个自由度之间，存在一定的影响，所以通常我们并未标称光学调整架的灵敏度。

有部分厂商将光学调整架的灵敏度指标，标的非常高，这时请特别留意。比如某厂家标称某款调整架的灵敏度为 3.8″，经了解是手轮旋转 1°时的指标，但我们在手动滑台综合说明中已经指出：

• 人手对角度的灵敏度不高，应该以弧长作为衡量标准

• 直径10mm 的手轮，旋转 1°对应的弧长是 0.087mm，人手根本无法分辨

所以这样的标称，变得没有意义，有误导消费者的可能。

灵敏度的标称：

关于调整架灵敏度的概念和计算方法供您参考。卓立汉光建议以两种方式进行规范标称：

• 按螺纹副旋转一周（360°）时，调整架活动板的角度变化量来衡量，单位为：°/rev（度/圈）或mrad/rev（毫弧度/圈）。

• 按照此种计算方法，我们可以计算出：卓立汉光OMHS20的整圈调整时的灵敏度为：θ=arctg（0.25mm/37mm）≈0.39°/rev≈6.8mrad/rev

按照我们在手动滑台综合说明中提到的螺纹副的灵敏度，结合调整架的结构尺寸，进行说明

我们建议最小旋转弧长取 0.2mm~0.5mm 的中间值 0.35mm。旋转周长是指调节手轮的周长，卓立汉光调整架产品的手轮直径一般为 12mm~18mm，我们取 15mm。调整架的旋转半径由其结构决定，对于小尺寸镜片通常在 20mm~40mm，我们取 30mm。按照这样的计算，卓立汉光的调整架灵敏度通常为 12.8″（0.062mrad）左右。

无论哪种标识方法，都应该清楚、明白的告诉消费者。我们在需要标识调整架灵敏度的地方，会做出对应的说明。

事实上，相比于灵敏度而言，调整架的稳定性是需要优先解决的问题，关于调整架的稳定性，请参照本文后附的“卓立汉光光学调整架稳定性的相关说明”

光学调整架的主要部件：

光学调整架主要由固定板（通常为后板）、活动板（通常为前板）、驱动机构（通常为螺纹副）、复位机构（通常为弹簧）、锁紧机构组成。其中固定板、活动板做为光学调整架的主体部分，主要同结构设计、材料有关。驱动机构（螺纹副）我们已经在手动滑台的综合说明中阐述过，不再赘述。

复位机构：

调整架的复位机构，通常都是由弹簧构成，光学调整架中常用的弹簧有碟形弹簧（简称碟簧）、拉簧和压簧等（参见图 9）：

图9. 光学调整架常用弹簧

碟形弹簧通常是由若干组呈碟形的簧片组合、叠加而成，碟簧具有变形小、弹力大的特点。但使用中若过载，容易出现变形、断裂而彻底损毁，并且在压缩过程中，弹力分布通常为抛物曲线（非线性），若多组叠加使用时，情况更为复杂，容易出现非线性的弹力变化或者“跳变”，一定程度上会影响调整架的使用，故在卓立汉光新型光学调整架中，已经较少使用。

拉簧和压簧是通过拉伸或压缩弹簧而产生弹力，拉簧和压簧在行程范围内，都遵循胡克定律，即：F（弹力）=kX，k 为弹簧的弹性系数（与弹簧的材料、线径、圈径、总圈数等相关），X 为弹簧变形量。从胡克定律可以看出，拉簧、压簧的弹力属于线性变化，比较符合调整习惯，但行程较大时，弹力较大，容易影响手感。

光学调整架的锁紧：

由于光学调整架的锁紧大部分是通过锁紧螺纹副来实现，所以严格意义上，应该属于螺纹副的锁紧。螺纹副的锁紧，分为沿着运动方向（轴向）锁紧和垂直于运动方向（径向）锁紧。轴向锁紧和径向锁紧，基本上都是通过螺套的变形，如：抱紧、挤压螺纹副而达到锁紧的目的，卓立汉光部分常见的螺纹副锁紧形式（参见图 10）。