專利名稱：光學準直儀及其用于制作光學瞄準儀的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及光學瞄準儀，特別是一種光學準直儀及其用于制作具有精密對準光路的光學瞄準儀的方法。
背景技術(shù)：
光學瞄準儀已廣泛運用于光纖通訊網(wǎng)絡、系統(tǒng)與裝置等，以準直光纖所傳輸?shù)墓庠矗绱四軌蚍€(wěn)妥地形成各種光學裝置中所具有的自由空間的光束，尤其是針對非集成光學裝置，包括(例哪)光學開關(guān)、隔離器、衰減器、電子束分裂器和電子束并合器等。光學瞄準儀具有防止因這些光學裝置的自由空間中的光束散亂所引起的過度插入耗損的功能。
圖1顯示的是，具有用來準直由光纖所傳輸?shù)墓馐臐u變折射率(GRIN)透鏡的傳統(tǒng)的瞄準儀的剖視圖。圖1中，光纖區(qū)段2具有一終端4，該終端4連結(jié)到具有折射率n1的毛細管6。典型的毛細管6為一具有中心軸8的圓柱體。一種具有漸變折射率透鏡12的傳統(tǒng)式準直儀，其特有的毛細管6具有一末端表面10稍微向中心軸8傾斜，以防止來自光纖2的光束全部反射回光纖。漸變折射率透鏡12，也特別具有一以中心軸8為中心的圓柱，以及一末端表面14與毛細管6的末端表面10相對。
傳統(tǒng)的瞄準儀，其漸變折射率透鏡12的末端表面14也稍微向著軸8傾斜。特在毛細管6的末端表面14之間預留了間隙16。舉例來說，這二個末端表面可能以8°的角度向中心軸8傾斜，并互相平行。傳統(tǒng)的瞄準儀，其間隙16充滿了某種氣體(例如空氣)，其折射率為n2；漸變折射率透鏡12則有折射率n3。裝了GRIN透鏡12的傳統(tǒng)式準直儀，因其GRIN透鏡12與毛細管6的制作材料不同，因此，GRIN透鏡12的折射率n3與毛細管6的折射率n1也有差異。由于毛細管6的末端表面10的折射率n1與n2之間以及GRIN透鏡12的末端表面14的折射率n2與n3之間的差異，沿中心軸8進到毛細管6的光束。在出GRIN透鏡12時，將以與中心軸8成角度偏差α的狀態(tài)偏離中心軸8。
毛細管6與GRIN透鏡12二者都包覆著圓柱形金屬套筒18，可能是用鍍金不銹鋼制成，其具有中心軸8為中心的圓柱形內(nèi)表面20與一圓柱形外表面22。視瞄準儀的結(jié)構(gòu)而定，在金屬套筒18的圓柱形內(nèi)表面20與毛細管6和GRIN透鏡12等的側(cè)壁之間可能設有一層或多層的同心圓柱保護材料層。由于制造如圖1所示的傳統(tǒng)瞄準儀制程中的變數(shù)，毛細管6與GRIN透鏡12的傾斜末端表面10與14的角度發(fā)生些微變異，可能導致無法預測輸出光束24對瞄準儀的中心軸8所成的角度偏差α。
此外，由于圓柱形瞄準儀可能在組裝到光學裝置時被意外轉(zhuǎn)動，因此，來自瞄準儀的輸出光束24的方向更無法預測。此外，從光纖2進入瞄準儀毛細管6的光束可能未恰到好處地對準中心軸8，因而除了對應于中心軸8成角度偏差α之外還導致了平移偏離Δ。其他的制程變數(shù)(例如GRIN透鏡規(guī)格的公差)也可能是導致無法預測發(fā)射自準直儀的輸出光束24的方向的因素之一。
當圖1所示及如上所述的傳統(tǒng)式瞄準儀組裝到光學裝置，而該裝置中至少有一些光束需要在瞄準儀之間的自由空間行進時，要對準不同瞄準儀的光束可能非常困難而且耗時。無論是采用何種透鏡，例如傳統(tǒng)式GRIN透鏡12、環(huán)形透鏡、或C透鏡，即使制造規(guī)格非常嚴謹，發(fā)自瞄準儀的光束的平移偏離Δ與角度偏差α通常仍存在并且無法預測。發(fā)自傳統(tǒng)式瞄準儀的輸出光束24，其尺寸屬非常小的點，直徑小到200μm。因此，即使是些微的偏離Δ或偏差α，都可能導致光學裝置中的準直儀之間的光路無法對準。
圖2表明的是一個典型的無集成光學裝置的剖視圖，該裝置可能是光學開關(guān)、隔離器、衰減器、電子束分裂器和電子束并合器等，其具有二個瞄準儀26和28作為該裝置的光通道。光學裝置元件30或可被移動設置到瞄準儀26與28之間。舉例來說，如果該光學裝置是光學開關(guān)，則光學裝置元件30可能是稜鏡或反射鏡；如果該光學裝置是一個衰減器或隔離器，則該光裝置元件30可能是衰減器或隔離器元老派件。該光學裝置具有金屬封裝層32，用以包覆光學元件30。圖2中，準直儀26與28分別固定在金屬封層32的側(cè)壁34與36，可能以各種傳統(tǒng)方式固定，，例如以環(huán)氧樹脂粘牢或采用錫焊或激光焊接等。
典型的非集成光學裝置(例如多通道光學開關(guān))，其瞄準儀26與28的位置可能彼此遠離以厘米計的距離。多通道光學裝置的不同瞄準儀26與28之間的距離甚至使得瞄準儀26與28之間的對準更加困難。在光學裝置中的自由空間內(nèi)行進的光束，特別是具有一狹小寬度，以產(chǎn)生非常小的具有高斯分布的光點，在點的區(qū)域外則有微弱的低度光。接收光束的瞄準儀26與28，即使與傳輸?shù)拿闇蕛x26與28所發(fā)射的光束的光路只有些微不對準，也可能無法收集到足夠的光能，因而導致光信號的大量流失。
典型的非集成光學裝置可能借由反覆試驗而達到瞄準儀26與28對準，即使這種方法需要大量的人力。對于像MXN光學開關(guān)的多通道光學裝置而言，采用反覆試驗方法所存在的對準問題更加嚴重；此種裝置需要藉由光學開關(guān)元件30(例如傾斜反射鏡或稜鏡)的不同組合，使瞄準儀26與28之間光路的許多不同組合精密對準。與光對準有關(guān)的問題，是致使目前典型集成多通道光學開關(guān)成本高和生產(chǎn)力低的主要因素。
此外，當瞄準儀26與28固定在典型光學裝置的封裝層32時，無論是采用環(huán)氧粘劑、錫焊或激光焊接的方式固定，在其固定過程中，裝配技師可能需不斷調(diào)整每一瞄準儀26與28的方位。傳統(tǒng)粘著或軟焊技術(shù)的制程變數(shù)也可能對瞄準儀26與28的光對準有影響。例如，環(huán)氧粘劑需花數(shù)小時來養(yǎng)護，而在養(yǎng)護過程中，環(huán)氧粘劑可能發(fā)生些微變形，因而導致瞄準儀26與28在使用該粘劑之后定位不當。又如，瞄準儀26與28如以錫焊方式焊接于光學裝置的封裝層32，則瞄準儀26與28的對準可能因瞄準儀套筒周圍的加熱、冷卻與軟焊劑的凝固等而受到不利影響。
為了促進光學裝置的瞄準儀26與28能夠?qū)室匝a償光路的平移偏離Δ與角度偏差α，已有提出在電腦上采用激光源、光電探測器或最佳化軟件等最佳化技術(shù)來對準瞄準儀26與28的提議。例如，可將激光源(未在此顯示)連結(jié)到圖2中顯示的與第一瞄準儀26相連接的輸入光纖38；而光電探測器(未在此顯示)可連結(jié)到與第二瞄準儀28相連接的輸出光纖40。
激光源提供了瞄準儀26發(fā)射后順著光路42進入到自由空間的一道光束，該光束與第一瞄準儀26的中心軸43成平移偏離與角度偏差。第一瞄準儀26最初可能固定于光學裝置對裝層32；而第二瞄準儀28最初可能可以活動以便能夠抵達光路42(其中發(fā)自第一瞄準儀26的光束順著該光路在光學裝置內(nèi)行進)，使得連結(jié)于第二瞄準儀28的光電探測器能夠偵測該光束。如果第二瞄準儀28能夠接收到光束42的一些光能，則以最佳化軟件運作的電腦，在理論上可能至少可以找到讓第二瞄準儀28能夠接收到發(fā)自第一瞄準儀26的光束42的最理想位置與方位。
然而，人們需要夠幸運才能夠找到一個最初的位置與方位好讓第二瞄準儀28得以在第一位置接收到至少可偵測到的光能，因為順著光路42行進且受到準直的光可能只會產(chǎn)生一微小光點，其直徑可能像200μm那么小。順著光路42所產(chǎn)生的光點區(qū)域的外圍，只具有非常低功率密度的高斯分布。倘連結(jié)于第二瞄準儀28的光電探測器無法偵測到第一位置的光束，則要電腦最佳化軟件找到讓第二瞄準儀28接收到光束的最理想位置與方位將是無濟于事的嘗試。因此，雖有電腦最佳化軟件輔助以對準光學裝置的不同瞄準儀26與28之間的光路42，人們?nèi)孕枰锤苍囼灥卣{(diào)整瞄準儀26與28的位置與方位，以便在電腦能夠建立用以運轉(zhuǎn)最佳化軟件的最初資料點以找到解決對準問題的適當方法之前，能夠達到至少是粗略的對準。
傳統(tǒng)光學對準技術(shù)所引起的勞力集中與低生產(chǎn)率，通常是高成本制作非集成光學裝置的主要原因。此外，對于像MXN光學開關(guān)這樣的多通道光學裝置，其每一對輸入輸出瞄準儀的切換式組合需要達到精密的光路對準。在以手動調(diào)整瞄準儀以獲得精密光對準的情況下，需在瞄準儀26與28與光學元件30(例如光學開關(guān)，則是指稜鏡或反射鏡)之間提供適度間隔，以便能夠?qū)⒚闇蕛x26與28做如此的調(diào)整。因需運用傳統(tǒng)光學技術(shù)進行手動調(diào)整，以致于很難生產(chǎn)出在瞄準儀26與28與光學30元件之間留有準確間隔的小巧的非集成光學裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中困難，提供一種光學準直儀及其用于制作光學瞄準儀的方法，使所生產(chǎn)的光學瞄準儀不用調(diào)整就可自動滿足光路的平移偏離和角度偏差的補償。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于光學瞄準儀外套加工的光學準直儀，其特征在于它包括一可調(diào)支座，供安裝待加工光學瞄準儀，該支座可相對應于一穩(wěn)定的軸承軸進行平移調(diào)整和或角度調(diào)整；一連結(jié)于待加工光學瞄準儀的光源；一光感應器定位在一滑臂上，該滑臂套在一平行于軸承軸的導軌上，并可沿該導軌縱向地位移；一連接于該光感應器電腦處理器，一連接該電腦處理器的顯示器；一能環(huán)繞穩(wěn)定的軸承軸轉(zhuǎn)動的切割器。
所述的切割器包括一能夠環(huán)繞該穩(wěn)定軸承軸轉(zhuǎn)動的軸承，該軸承為一氣動軸承，該氣動軸承的內(nèi)圓柱體為一外環(huán)形體所環(huán)繞，該外環(huán)形體被固定，該內(nèi)圓柱體和該外環(huán)形體之間為可填充加壓空氣的間隙，該內(nèi)圓柱體的下軸端連接一輪子，由馬達驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)；一鉆石切削刀安裝在內(nèi)圓柱體上，并可調(diào)整該鉆石切削刀與穩(wěn)定軸承軸的距離，該鉆石切削刀具有一精密的垂直的切削緣。
所述的光感應器是一電荷耦合器件CCD攝影機。
所述的光源是一激光源，通過一光纖與所述光學瞄準儀的毛細管相連。
至少設置有一反射器，用以將輸出光束反射到接收反射的第一與第二光路；第一與第二光感應器設置在適當位置，以分別偵測在接收反射的第一與第二光路上的第一與第二光點；一連結(jié)于光感應器的顯示器，用以顯示第一光感應器在橫向平面座標上所偵測到的第一光點以及第二光感應器在橫向平面座標上所偵測到的第二光點；所述一可調(diào)支承件，用以支撐瞄準儀，并以平移和成角度的方式移動準直儀，以便根據(jù)顯示器上所顯示的第一與第二光點位置使輸出光束與穩(wěn)定軸對準。
利用本發(fā)明光學準直儀制作光學瞄準儀的方法，其特點是包括下列步驟①.將待加工的光學瞄準儀(120)沿軸承軸(102)方向安裝在可調(diào)支座(122)上，使待加工的光學瞄準儀的中心軸線與軸承軸(102)一致；②.將與光源(124)相連的光纖(126)的另一端與光學瞄準儀(120)的輸入端相連；③.利用滑臂(132)在導軌(134)上縱向移位，確定在第一縱向位置Z1，利用電荷耦合器件CCD照像機(130)檢測出相應的光點的第一中心位置(X1、Y1)，經(jīng)電腦(136)處理后在顯示器(138)上顯示(X1、Y1)，確定在第二縱向位置Z2，利用電荷耦合裝置照像機(130)檢測出相應的光點的第二中心位置(X2、Y2)，并在顯示器(138)上顯示(X2、Y2)；利用電腦(136)計算出兩中心位置之間的距離D＝[(X2-X1)2+(Y2-Y1)2]1/2(1)第二縱向位置與第一縱向位置之間的縱向距離Z＝Z2-Z1(2)角度偏差α＝arctan D/Z (3)④.將待加工的光學瞄準儀(120)以其輸入端的圓心為軸旋轉(zhuǎn)一角度α，并作平移使光學瞄準儀(120)的輸出光路與軸承軸(102)的方向一致且重合；⑤.移開電荷耦合裝置照相機(130)；⑥.根據(jù)光學瞄準儀外套的外徑要求確定鉆石切削刀(118)在內(nèi)圓柱體(104)上的安裝位置，使該切削刀(118)具有精確的垂直的切削緣；⑦.啟動馬達(112)，驅(qū)動內(nèi)圓柱體(104)和切削刀(118)高速旋轉(zhuǎn)，對光學瞄準儀(120)的外套進行高速切削，以去除外套筒多余部位；⑧.加工完畢后，該外套的外圓柱形表面的中心線與該光學瞄準儀的輸出光路同心。
本發(fā)明的技術(shù)效果由根據(jù)本發(fā)明的各項具體形式所成的儀器所制造的具有一個與傳輸來自瞄準儀的光束的光路同心的圓柱形外表面的瞄準儀，確實能夠適用于光學裝置，且無需為了達到精密的光對準而調(diào)整瞄準儀在光學裝置中的位置或方位。此外，采用根據(jù)本發(fā)明的各項具體形式所制成的瞄準儀，能夠大大地降低制造各種光學裝置所需的時間與勞力成本，因而大大地提升了生產(chǎn)力。


圖1是具有GRIN透鏡的傳統(tǒng)式準直儀剖視圖。
圖2是一典型光學裝置的簡化剖視圖。
圖3是具有GRIN透鏡的瞄準儀剖視圖。
圖4是具有一C透鏡的瞄準儀剖視圖。
圖5是具有一球形透鏡的瞄準儀剖視圖。
圖6是本發(fā)明用于制作光學瞄準儀的光學準直儀實施例1的氣動軸承與金剛刀的剖視圖。
圖7為本發(fā)明用于制作光學瞄準儀的光學準直儀實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8A-8B分別表示圖7的CCD攝影機在一橫向平面座標上的二個不同縱向位置所偵測到的光點的影像；圖9顯示圖8A與8B的光點在同一平面座標上所重疊的中心位置(X1、Y1)與(X2、Y2)。
圖10是角度偏差α對平面中心位置(X1、Y1)、(X2、Y2)與CCD攝影機所移動的縱向距離Z的關(guān)系示意圖。
圖11是顯示圖6中去除了瞄準儀外套筒的一部位的切削器械，其中該瞄準儀被移動到一傾斜位置以示明偏離與偏差。
圖12是顯示圖11中除了瞄準儀外套筒的另一部位的切削器械，其中該瞄準儀已被移動到一傾斜位置以示明偏離與偏差。
圖13是一具有GRIN透鏡的瞄準儀成品的側(cè)面剖視圖，其中外套筒的一部位已被去除以形成一圓柱形外表面。
圖14是與圖13相似的瞄準儀成品的側(cè)面剖視圖，其具有C透鏡而非GRIN透鏡。
圖15與圖13相似的瞄準儀成品的側(cè)面剖視圖，其具有球形透鏡而非GRIN透鏡。
圖16是本發(fā)明光學準直儀實施例2結(jié)構(gòu)示意圖，其中該瞄準儀具有三個稜鏡與二個電荷藕合器件(CCD)攝影機。
圖17瞄準儀組合成件成品的側(cè)面剖視圖，其中該組成件在瞄準儀透鏡的輸出處具有一額外的光學元件，例如濾光器或隔離器等。
圖中2-光纖區(qū)段4-終端 6-毛細管 8-中心軸10、14-末端表面 12-GRIN透鏡 16-間隙18-金屬套筒20-圓柱形內(nèi)表面 22-圓柱形外表面24-輸出光束26-第一瞄準儀 28-第二瞄準儀 30-光學裝置元件32-金屬封裝層 34、36-側(cè)壁 38-輸入光纖40-輸出光纖 42-光路 43-中心軸n1、n2、n3-折射率(共用部分)Δ-平移偏離 α-角度偏差(發(fā)明部分)
50、160-GRIN瞄準儀透鏡(GRIN透鏡)52、162-毛細管54-光纖區(qū)段 56、144-金屬套筒58、60-圓柱形側(cè)壁62-幾何軸 64-圓柱形內(nèi)表面 66、68-末端表面70、108-間隙72、154、204、210、 216、218-光路74-圓柱形外表面 76、78-區(qū)段 80、82-虛線84、86-參考虛線 88、164-C透鏡 90-彎曲準直表面92-半球透鏡 100-氣動軸承102-軸承軸 104-內(nèi)圓柱體106-外環(huán)110-高壓空氣源 112-電動馬達 114-輪116-皮帶118-切割器 119-直形切割邊緣120-瞄準儀 122-可調(diào)支承件 124-光源 126-光纖130、220、222-CCD攝影機 132-滑臂 134-導軌136-電腦處理器 138、224-螢屏 140、142-光點146、148-去除區(qū)段 150、152-直線 166-彎曲外表面202-聚焦透鏡206-中空內(nèi)腔208、214-全反射稜鏡212-半反射稜鏡 226-第一光點228-第一中心230-第二光點232-第二中心240-光學元件Z1-第一縱向位置Z2-第二縱向位置 X1、Y1-第一中心位置X2、Y2-第二中心位置 D-平移距離 Z-縱向距離X、Y、Z-三度空間笛卡兒座標 X、Y-笛卡兒座標
具體實施例方式首先，請參閱圖3所示，該圖是本發(fā)明光學瞄準儀的剖視圖，該瞄準儀的構(gòu)成部件包括一漸變折射率(GRIN)瞄準儀透鏡50、設置在透鏡50的鄰近位置用以將光傳輸?shù)皆撏哥R50的毛細管52，連結(jié)于毛細管52用以將光傳輸?shù)矫毠?2的光纖區(qū)段54，以及包覆著瞄準儀透鏡50與毛細管52的外金屬套筒56。GRIN透鏡50與毛細管52分別具有圓柱形側(cè)壁58與60，兩者均以幾何軸62為中心，金屬套筒56具有一與GRIN透鏡50和毛細管52同心的圓柱形內(nèi)表面64，也是以瞄準儀軸62為中心。
視瞄準儀的特殊結(jié)構(gòu)而定，金屬套筒56的內(nèi)表面64可分別與GRIN透鏡50和毛細管52的側(cè)壁58和60直接接觸。或代之以另一情況是，可在GRIN透鏡50和毛細管52的側(cè)壁58、60等與金屬套筒56的內(nèi)表面64之間，設置一同心玻璃層，且該層須為精通于本設計的人員所能輕易看到。是否要在金屬套筒56的內(nèi)表面與瞄準儀透鏡50、毛細管52等之間設置一媒介同心層對本現(xiàn)有發(fā)明而言非屬必要。
如圖3所示，毛細管52具有一對應于瞄準儀的軸62成一超乎正常角度傾斜的末端表面66，用以防止來自光纖區(qū)段54的光全部被末端表面66反射回光纖區(qū)段54。同樣地，GRIN透鏡50也具有一末端表面68，與毛細管52的末端表面66相對，且對應于瞄準儀的軸62成一超乎正常角度的傾斜。毛細管52與GRIN透鏡50的末端表面66與68之間形成一間隙70。
即使從光纖區(qū)段54進入毛細管52的光束與瞄準儀的軸62對準，從瞄準儀透鏡50傳輸進入自由空間的輸出光束，也通常會因在毛細管52、間隙70中的空氣或氣體以及GRIN透鏡50的折射率n1、n2和n3等有所差異而與瞄準儀的軸62偏離。由于折射率n1、n2和n3與毛細管52和GRIN透鏡50的傾斜表面66、68等差異，致使發(fā)自GRIN透鏡50的輸出光束順著光路72行進，而該光路對應于瞄準儀的軸62形成角度偏差α。
此外，毛細管52與GRIN透鏡50的末端表面66與68，可能因瞄準儀制造過程中的制程變數(shù)而無法互相完全平行。由于制造瞄準儀的制程變數(shù)與其他因素，使角度偏差α可能隨機產(chǎn)生而無法預測。再者，從光纖區(qū)段54進入毛細管52的光束可能無法完全以瞄準儀的軸62為中心，因而導致發(fā)自瞄準儀的輸出光束，除了發(fā)生角度偏差α之外，也可能產(chǎn)生平移偏離Δ。甚至在同一制造廠商所生產(chǎn)的同型同批瞄準儀中，每一瞄準儀的平移偏離Δ與角度偏差α也可能不同。
根據(jù)本發(fā)明所成的具體形式，其中瞄準儀的金屬套筒56經(jīng)過切削以產(chǎn)生一圓柱形外表面，該表面以與外光路72一致的軸為中心，來自GRIN透鏡50的輸出光束，以與瞄準儀的軸62成平移偏離Δ和角度偏差α的情況下，在該光路上傳輸，進入自由空間。金屬套筒56特具有一圓柱形外表面74，雖然外表面74可能因瞄準儀初步制造過程中的制程變數(shù)而未完全成圓柱形，但其根據(jù)本發(fā)明的具體形式進行切削之前，大致上與內(nèi)表面64同心并以瞄準儀的幾何軸62為中心。該外表面74在切削之前是否成圓柱形對本發(fā)明而言并非屬必要。
在根據(jù)本發(fā)明所成的具體形式中，由金屬套筒56的區(qū)段76、78所表示的外部位被去除，以便沿著圖3的側(cè)面剖視圖中的虛線80與82形成一圓柱形外表面。虛線80、82所標示的圓柱形外表面，與自瞄準儀的GRIN透鏡50所發(fā)射出的輸出光束成同心。換句話說，虛線80、82所指示的圓柱形外表面以與光路72一致的軸為中心，其中自GRIN透鏡50傳輸出來的輸出光束的中心沿著該光路72行進到自由空間之中。由于輸出光路72與瞄準儀的幾何軸62成平移偏離Δ和角度偏差α，因此，做為虛線80與82所指示的圓柱形外表面的中心的軸，也比照平移偏離Δ和角度偏差α偏離了瞄準儀的幾何軸62。
參照圖3所示的剖視圖，其中金屬套筒56的區(qū)段76、78所指示的外部位被去除，以便形成由虛線80、82所指示的圓柱形外表面，該外表面對應于參考虛線84、86成平移偏離Δ和角度偏差α。假設選擇此等參考線是為了能夠去除足夠的金屬套筒56的外部位76、78以形成與輸出光路72同心的圓柱形外表面，但要避免將金屬套筒56過度去除，那么，參考虛線84與86最初可能是任意選取且它們與瞄準儀的軸62之間的距離定為相等。
圖4顯示了與圖3相似的瞄準儀的剖視圖，其中圖3的GRIN透鏡50為具有彎曲準直表面90的C透鏡88所取代。圖5顯示了與圖3相似的瞄準儀的剖視圖，其中采用了半球透鏡92以取代圖3中的GRIN透鏡50。這些瞄準儀的外金屬套筒56可經(jīng)過切削以形成圓柱形外表面用以補償外光路的平移偏離Δ和角度偏差α，補償方式與圖3所述類似。
具有它種透鏡或它種光學構(gòu)造的瞄準儀，也可經(jīng)由切削使能以相似的方式補償可能發(fā)生的平移偏離Δ與角度偏差α。在每一瞄準儀的外套筒經(jīng)由切削而形成以與發(fā)自瞄準儀的外光路一致的軸為環(huán)繞中心的圓柱形外表面之后，瞄準儀即可裝設到光學裝置，以達到光路72的精密對準，免除了耗時且勞力密集的傳統(tǒng)式對準過程所需的為補償平移偏離Δ和角度偏差α而將每一瞄準儀位置或方位加以調(diào)整的需求。
對典型的瞄準儀來說，角度偏差α與平移偏離Δ通常非常微小。參看上述圖3至圖5，為了解說的目的，或可將角度偏差α與平移偏離Δ增大。實際上，甚至小角度偏差α與小平移偏離Δ也可能導致傳統(tǒng)的對準過程發(fā)生大困難。此外，在切削金屬套筒56以形成圓柱形外表面以補償角度偏差α與平移偏離Δ之前，需精密測出輸出光路72對應于瞄準儀的軸62所成的角度偏差α與平移偏離Δ，不可采用反覆試驗的嘗試方式。
圖6為本發(fā)明光學準直儀實施例1的部分結(jié)構(gòu)，表示了用以切削瞄準儀的金屬套筒56以形成圓柱形外表面以補償角度偏差α與平移偏離Δ的光學準直儀的具體形式。其中設置了一氣動軸承100，能夠環(huán)繞著穩(wěn)定的軸承軸102而轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)速率非常高的氣動軸承100(例如每分鐘約10000轉(zhuǎn))具有非常高的軸穩(wěn)定度，目前可以購得。典型的氣動軸承100，有一受到外環(huán)106所包圍的內(nèi)圓柱體104，并不直接接觸。內(nèi)圓柱體104與外環(huán)106之間，由一充滿增壓空氣或氣體的間隙108所隔離。增壓空氣可由高壓空氣源110，例如空氣泵或增壓氣瓶所供應。
圖6所示的實施例1，其中氣動軸承100的外環(huán)106在內(nèi)圓柱體104轉(zhuǎn)動時被固定住。由一電動馬達112(例如步進馬達)以高轉(zhuǎn)速率驅(qū)動內(nèi)圓柱體104。氣動軸承100的內(nèi)圓柱體104連接于輪114，該輪由連接于電動馬達112的皮帶116所傳動。只要氣動軸承100在轉(zhuǎn)動時能夠維持高度的軸向穩(wěn)定度，那么該軸承100的傳動機構(gòu)對本發(fā)明而言并非必要。
在圖6中，氣動軸承100的內(nèi)圓柱體104上設置了一切割器118，用以切除瞄準儀金屬套筒56的某部位，以形成所要的發(fā)自瞄準儀的外輸出光路72同心的圓柱形外表面。由于傳統(tǒng)式瞄準儀的金屬套筒56是由硬材質(zhì)(例如不銹鋼)所制成，因此可預想切割器118能夠高度穩(wěn)定且精密地切割金屬套筒56。在某具體形式中，切割器118含有用來切割金屬套筒56外部的精密的筆直邊緣的金剛刀具118。該金剛切割刀具118附著于氣動軸承100，能夠藉由環(huán)繞著極高度穩(wěn)定的軸承軸102而切割該金屬套筒56部位，這是因為氣動軸承100的內(nèi)圓柱體104能夠以極其高的轉(zhuǎn)速環(huán)繞著該極高度同心的軸承軸102而轉(zhuǎn)動。
圖7所顯示的是，用以在瞄準儀金屬套筒受到圖6所示的光學準直儀切削之前判定典型瞄準儀的輸出光路的平移偏離與角度偏差的儀器。圖7中，附著金剛切割刀具118的氣動軸承100具有一高度穩(wěn)定軸102，該軸102的用途是做為判定平移偏離Δ與角度偏差α的基準。
瞄準儀120被固定在可平直移動或成角度移動的可調(diào)支承件122上?？山逵墒謩踊蜃詣涌刂破饕云街被虺山嵌任灰频姆绞骄氄{(diào)整該可調(diào)支承件122來非常精密地移動瞄準儀120。瞄準儀120藉由光纖126(例如單一波型光纖)連接于光源124(例如能夠發(fā)射出具有所要波長的激光束的激光源)。該光源124經(jīng)由瞄準儀120輸送出光束，以提供一沿著發(fā)自瞄準儀120的輸出光路72的光點。視提供瞄準儀的光纖126系統(tǒng)所用的波長頻譜而定，光源124可以是根據(jù)該頻譜的中心波長發(fā)射出激光束的激光源。例如，典型的光纖通訊網(wǎng)可運用約1300nm與1550nm波長的紅外線波譜。
在實施例1中，像光電藕合器件(CCD)攝影機130這樣的光感應器也已設置，用以偵測由光源124所產(chǎn)生、經(jīng)由瞄準儀120、位于沿著軸承軸102的不同縱向位置Z1、Z2上的光點。在圖7所示的某具體形式中，該CCD攝影機130設置在可沿著導軌134縱向移動的滑臂132上。在此具體形式中，導軌134與氣動軸承100的軸102平行，使得CCD攝影機130在偵測光點影像時能夠只以縱向移動。
瞄準儀120產(chǎn)生并由CCD攝影機130所偵測到的光點影像，為電腦處理器136捕捉顯示在螢屏138(例如電腦顯示器)上。電腦處理器136可藉由傳統(tǒng)的界面連結(jié)到CCD攝影機130。CCD攝影機130最初設置在第一預定縱向位置Z1處，使得電腦處理器136能夠捕捉到在橫向平面座標上，例如圖8A所示的笛卡兒座標的光點的第一影像。光點140影像，特具有圖8A所示的圓形或橢圓形，并顯現(xiàn)在圖7中的電腦螢屏138上，其顯現(xiàn)的位置以具有X軸與Y軸的笛卡兒座標為準?；趫D8A所顯示的光點140影像，當CCD攝影機130在圖7所示的第一縱向位置時，電腦就判別出光點140的第一中心點(X1、Y1)。
在CCD攝影機130從第一縱向位置z1縱向移動到圖7所示的距離Z而到達第二縱向位置Z2之后，就會有圖8B所示的光點142第二影像為電腦處理器136所捕捉并顯現(xiàn)在螢屏138上。基于此影像，電腦就判別出圖8B所示的光點142的第二中心點(X2、Y2)，出現(xiàn)在與圖8A相同的同一橫向平面笛卡兒座標上。如圖7所示的瞄準儀120所發(fā)出的輸出光路128對應于氣動軸承100的軸102成角度偏差α，則當CCD攝影機130在第二縱向Z2位置時，圖8B所示的光點142的第二中心點(X2、Y2)就會與CCD攝影機130在第一縱向位置Z1時圖8A所顯示的光點140的第一中心點(X1、Y1)互為不同。
為了要補償發(fā)自瞄準儀120的輸出光束除了角度偏差α之外又可能發(fā)生的平移偏離Δ，則做為圖8A與8B所示的光點142的中心基準點的笛卡兒座標原點，可設定在沿著圖7所示氣動軸承100的軸102的某預定點處。在某具體形式中，軸承軸102的某任意點被選出做為絕對基準點，如同第一縱向位置Z1做為CCD攝影機130的基準點一樣。在第一縱向位置Z1的CCD攝影機130的最初平移位置經(jīng)調(diào)整直到CCD攝影機130的中心點與所選定的軸承軸102的絕對基準點相對應為止。在CCD攝影機130的中心被定位在沿著軸承軸102的那個點之后，CCD攝影機130的平移位置就固定在滑臂132上，且后續(xù)只能與導軌134平行縱向運作。
當CCD攝影機130從第一縱向位置Z1移動到第二縱向位置Z2時，平移平面笛卡兒座標的原點并未對應于軸承軸102而改變。如果發(fā)自瞄準儀120的光束存有角度偏差α，那么，當CCD攝影機130位于第二縱向位置Z2時的橫向平面笛卡兒座標上光點142的中心位置，就不同于當CCD攝影機130位于第一縱向位置Z1時的同一座標上的光點142的中心位置。電腦在取得位于CCD攝影機130的二個縱向位置Z1、Z2的光點142的中心點之后，可將此笛卡兒座標上的二個光點142重疊在電腦螢屏138上，如圖9所示。此二個中心點之間的平移距離是D＝[(X2-X1)2+(Y2-Y1)2]1/2。
圖10表示輸出光束的角度偏差α對應于平移距離D與三度空間笛卡兒座標(X、Y、Z)上的縱向距離z的關(guān)系。圖10中的第一與第二中心點(X1、Y1)以及(X2、Y2)為圖9所示的同一中心點。垂直位移Z是圖7所示的CCD攝影機130的第一與第二縱向位置Z1與Z2之間的距離。參照圖10，角度偏差α可經(jīng)由光點與縱向距離Z的第一與第二中心點(X1、Y1)(X2、Y2)之間的平移距離D依據(jù)下列的關(guān)系式求得α＝arctan D/Z。此角度偏差α或可由處理器136自動計算出。另一個替代方式是圖8A、8B所示由CCD攝影機130在第一、第二縱向位置Z1、Z2所取得的光點142影像或可被捕捉顯現(xiàn)在顯示器138上，供人力計算角度偏差α。
在圖8A和圖8B所示的光點142的中心位置業(yè)經(jīng)取得且針對圖7的瞄準儀120的輸出光72的角度偏差α業(yè)經(jīng)判定之后，穩(wěn)固支撐著瞄準儀120的支承件122就被調(diào)整直到由CCD攝影機130所偵測到的光點142的中心被定位在橫向平面笛卡兒座標(X、Y)的原點為止。對于可調(diào)支承件122，可以手動精微調(diào)整的方式移動；或者，可采已判定角度偏差α的電腦處理器136自動控制。
圖7的瞄準儀120所發(fā)射出的輸出光束，倘無角度偏差α而僅有平移偏離Δ，則可調(diào)支承件122只需平直移動，直到由CCD攝影機130所偵測到的光點142的中心被定位在橫向平面笛卡兒座標(X、Y)的原點為止，以使輸出光路128與氣動軸承100的軸102對準。瞄準儀120所發(fā)射出的輸出光束，倘無平移偏離Δ而僅有角度偏差α，則穩(wěn)固支撐著瞄準儀120的可調(diào)式支承件122需做角度轉(zhuǎn)動，直到由CCD攝影機130所偵測到的光點142的中心被定位在橫向平面笛卡兒座標(X、Y)的原點為止。
瞄準儀120所發(fā)射出的輸出光束，倘平移偏置Δ與角度偏差α二者都出現(xiàn)，則可調(diào)式支承件122不僅需要平移而且需要做角度轉(zhuǎn)動，直到由CCD攝影機130所偵測到的光點142的中心被定位在橫向平面笛卡兒座標(X、Y)的原點為止。這些情況中無論哪一種，發(fā)自瞄準儀120的光束所沿著以行進在自由空間之中的輸出光路128都與氣動軸承100的軸102對準。無論CCD攝影機130的縱向位置Z如何，當CCD攝影機130的中心位于軸承軸102上時，即達到對準。在偵測與捕捉光點、判定角度偏差及移動可調(diào)式支承件122以使軸承軸102達到光對準的種種過程中，氣動軸承100的內(nèi)圓柱體104維持著高速轉(zhuǎn)動，以使軸承軸102高度穩(wěn)定以提供一絕對基準點做為橫向平面座標(X、Y)的原點。
在瞄準儀120的位置與方位經(jīng)過調(diào)整以使輸出光路128精密對準氣動軸承100的軸102之后，CCD攝影機130就被移離瞄準儀120的輸出光路128。穩(wěn)固支撐著瞄準儀120的可調(diào)式支承件122成縱向向著附著于旋轉(zhuǎn)的氣動軸承100的切割器118移動，以除去瞄準儀120的金屬套筒56的某部位，因而根據(jù)圖3補償輸出光路的平移偏離Δ與角度偏差α。為確保精密地去除金屬套筒56的外部位而不變形，切割器118含有一具有直形切割邊緣119的金剛刀具118用以制造出與輸出光束同心的圓柱形外表面。
圖11顯示了具有附著于氣動軸承100的旋轉(zhuǎn)內(nèi)圓柱體104的金剛切割刀118的切削器械，圖中表示為瞄準儀120的金屬套筒144去除146區(qū)段的情況。同樣地，圖12解說了當金剛刀118轉(zhuǎn)到準直儀120另一側(cè)時，去除了區(qū)段148所指示的金屬套筒144的情形。金屬套筒144的146、148部位被去除以形成直線150與152所分別指示的圓柱形外表面，如圖13剖視圖所示。
圖13中，由金剛切割刀118在準直儀120的金屬套筒144上所形成的圓柱形外表面150、152，是與光路154同心的；其中發(fā)自瞄準儀120的輸出光束沿著該路徑在自由空間中行進，對應于瞄準儀的軸62成平移偏離Δ與角度偏差α。換句話說，金屬套筒144的圓柱形外表面150、152是以根據(jù)平移偏離Δ與角度偏差α而從瞄準儀的軸62移位的某軸為環(huán)繞中心。
圖11中，金剛刀具118的切割邊緣119對應于軸承軸102的位置，是根據(jù)圖3所示的虛線84與86來決定的，以防過度切削金屬套筒144，但要確保形成夠大的圓柱形外表面150、152供穩(wěn)妥裝設到光學裝置中。圖13所示的瞄準儀外套筒144的已切削表面150與152，已備妥可運用傳統(tǒng)技術(shù)(例如激光焊接)裝設于光學裝置，使輸出光束從瞄準儀傳輸出來，沿著與某一軸(即做為已切削的圓柱形外表面150、152的中心的軸)一致的光路154行進。
圖13顯示了瞄準儀的成品，該瞄準儀120具有一GRIN透鏡1 60與一由套筒144所包覆的毛細管162；該套筒144具有與發(fā)自GRIN透鏡160的光束同心的圓柱形外表面150、152。圖14與圖13相似，但具有一含彎曲外表面166的C透鏡164而非GRIN透鏡160。圖15與圖13相似，但具有半球透鏡取代了GRIN透鏡160°根據(jù)本發(fā)明光學準直儀的各種實施例也可運用于切削其他多種瞄準儀120以補償可能發(fā)生的光路172偏離Δ或偏差α，無論瞄準儀120內(nèi)部的光學元件的類型或構(gòu)造是何等特殊。
圖16是用以判定發(fā)自瞄準儀的光束的偏離與偏差光學準直儀器更優(yōu)良實施例2，其中具有二個用來偵測光點的固定式CCD攝影機，而非圖7所示及以上述的單一活動式CCD攝影機。圖16所示的實施例2中，沿著發(fā)自瞄準儀的輸出光路204設置了聚焦透鏡202。在此具體形式中，氣動軸承100的旋轉(zhuǎn)圓柱體104具有圓柱形的中空內(nèi)腔206，其作用是使得沿著輸出光路204行進的光能夠貫穿通過氣動軸承100。
在此實施例中，設置了一個全反射稜鏡208，以便將行進貫通氣動軸承100的旋轉(zhuǎn)圓柱體104之中空內(nèi)腔206的光束反射到被反射的光路210。如圖16所示，沿著光路210額外設置了二個稜鏡，其中一個是半透半反稜鏡212，另一個是全反射稜鏡214，其作用是將輸出光束分別反射到分光路216與218。稜鏡208、212、214互相對應且對應于氣動軸承100而設置在固定位置上。
二個CCD攝影機220、222設置在適當位置，以分別偵測沿著被反射的光路216與218行進的光束。CCD攝影機220與222固定的位置與半透半反稜鏡212及全反射稜鏡214相互對應。CCD攝影機220與222連接到電腦螢屏224，該螢屏顯示由CCD攝影機220與222在笛卡兒座標(X，Y)上所感應到的光點。
如果發(fā)自瞄準儀120的輸出光路204與氣動軸承100的中心軸102完全對準，那么，二個CCD攝影機220與222所偵測到的光點，都會以笛卡兒座標的原點為中心。如果輸出光路204對應于氣動同承100的中心軸102產(chǎn)生了平移偏移，那么，CCD攝影機220與222所偵測到的光點，就會偏離笛卡兒座標的原點。假如輸出光路204對應于中心軸102產(chǎn)生了角度偏差，則螢屏224就會顯示CCD攝影機220與222所偵測到的二個分開光點。
圖16中，電腦螢屏224顯示了CCD攝影機220與222所偵測到的具有第一中心228的第一光點226以及具有第二中心232的第二光點230，此說明了輸出光路204對應于氣動軸承100的軸102存在著平移偏離Δ與角度偏差α。光點226與230在笛卡兒座標(X，Y)上的中心位置228與232，使電腦得以判斷對準直儀120的位置與方位所需做的適當調(diào)整，以使發(fā)自準直儀120的輸出光路204與氣動軸承100的中心軸102對準。
在某具體形式中，穩(wěn)妥支撐著瞄準儀120的支承板122，可平移或成角度活動執(zhí)行精細調(diào)整，以使光路204與氣動軸承100的中心軸102對準，一旦光路204與氣動軸承100的中心軸102對準，CCD攝影機220與222所偵測到的光點就會互相重疊，并以螢屏224上的笛卡兒座標原點為中心。
根據(jù)本發(fā)明光學準直儀的各具體實施例，并非只限定對瞄準儀120本身的切削作業(yè)?？蓪γ闇蕛x120的輸出加裝額外的光學元件，例如濾光器或光隔離器等。根據(jù)本發(fā)明的光學準直儀的實施例，也可被運用于切削具有額外光學元件240的瞄準儀組成件。在某具體形式中，額外的光學元件240(例如濾光器或隔離器等)在測得發(fā)自瞄準儀的輸出光路之偏離與偏差之前被裝設于瞄準儀，以形成該瞄準儀組成件。例如瞄準儀組成件的整體偏離與偏差將導致由于額外光學元件與瞄準儀120透鏡的任何可能發(fā)生的偏離或偏差列入了考量。在測得整體偏與偏差之后，瞄準儀套筒就會被切削，以形成所要的圓柱形外表面。
圖17顯示了類似于圖13的瞄準儀組成件，但其具有額外的光學元件240設置在瞄準儀的透鏡160的輸出鄰近位置。此額外的光學元件240可以是濾光器、光隔離器或其他任何類型的光學裝等。瞄準儀組成件的套筒144以類似于圖13的方式切削，以形成圓柱形外表面150、152。
有關(guān)本發(fā)明，已針對實施例加以述明，同時可做許多修正，此等修正均含蓋于本發(fā)明的保護范疇特此申明。
權(quán)利要求
1.一種用于光學瞄準儀外套加工的光學準直儀，其特征在于它包括一可調(diào)支座(122)，供安裝待加工光學瞄準儀(120)，該支座(122)可相對應于一穩(wěn)定的軸承軸(102)進行平移調(diào)整和或角度調(diào)整；一連結(jié)于待加工光學瞄準儀(120)的光源(124)；一光感應器(130)定位在一滑臂(132)上，該滑臂(132)套在一平行于軸承軸(102)的導軌(134)上，并可沿該導軌(134)縱向地位移；一連接于該光感應器(130)電腦處理器(136)，一連接該電腦處理器(136)的顯示器(138)；一能環(huán)繞穩(wěn)定的軸承軸(102)轉(zhuǎn)動的切割器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學準直儀，其特征在于所述的切割器包括一能夠環(huán)繞該穩(wěn)定軸承軸(102)轉(zhuǎn)動的軸承，該軸承為一氣動軸承(100)，該氣動軸承(100)的內(nèi)圓柱體(104)為一外環(huán)形體(106)所環(huán)繞，該外環(huán)形體(106)被固定，該內(nèi)圓柱體(104)和該外環(huán)形體(106)之間為可填充加壓空氣的間隙(108)，該內(nèi)圓柱體(104)的下軸端連接一輪子(114)，由馬達(112)驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)；一鉆石切削(118)安裝在內(nèi)圓柱體(104)上，并可調(diào)整該鉆石切削刀(118)與穩(wěn)定軸承軸(102)的距離，該鉆石切削刀(118)具有一精密的垂直的切削緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學準直儀，其特征在于所述的光感應器(130)是一電荷耦合器件CCD攝影機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學準直儀，其特征在于所述的光源(124)是一激光源，通過一光纖(126)與所述光學瞄準儀(120)的毛細管(6)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學準直儀，其特征在于至少設置有一反射器，用以將輸出光束反射到接收反射的第一與第二光路；第一與第二光感應器設置在適當位置，以分別偵測在接收反射的第一與第二光路上的第一與第二光點；一連結(jié)于光感應器的顯示器，用以顯示第一光感應器在橫向平面座標上所偵測到的第一光點以及第二光感應器在橫向平面座標上所偵測到的第二光點；所述一可調(diào)支承件，用以支撐瞄準儀，并以平移和成角度的方式移動準直儀，以便根據(jù)顯示器上所顯示的第一與第二光點位置使輸出光束與穩(wěn)定軸對準。
6.利用如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的光學準直儀對光學瞄準儀進行加工的方法，其特征在于包括下列步驟①.將待加工的光學瞄準儀(120)沿軸承軸(102)方向安裝在可調(diào)支座(122)上，使待加工的光學瞄準儀的中心軸線與軸承軸(102)一致；②.將與光源(124)相連的光纖(126)的另一端與光學瞄準儀(120)的輸入端相連；③.利用滑臂(132)在導軌(134)上縱向移位，確定在第一縱向位置Z1，利用電荷耦合器件CCD照像機(130)檢測出相應的光點的第一中心位置(X1、Y1)，經(jīng)電腦(136)處理后在顯示器(138)上顯示(X1、Y1)，確定在第二縱向位置Z2，利用電荷耦合裝置照像機(130)檢測出相應的光點的第二中心位置(X2、Y2)，并在顯示器(138)上顯示(X2、Y2)；利用電腦(136)計算出兩中心位置之間的距離D＝[(X2-X1)2+(Y2-Y1)2]1/2(1)第二縱向位置與第一縱向位置之間的縱向距離Z＝Z2-Z1(2)角度偏差α＝arctan D/Z(3)④.將待加工的光學瞄準儀(120)以其輸入端的圓心為軸旋轉(zhuǎn)一角度α，并作平移使光學瞄準儀(120)的輸出光路與軸承軸(102)的方向一致且重合；⑤.移開電荷耦合裝置照相機(130)；⑥.根據(jù)光學瞄準儀外套的外徑要求確定鉆石切削刀(118)在內(nèi)圓柱體(104)上的安裝位置，使該切削刀(118)具有精確的垂直的切削緣；⑦.啟動馬達(112)，驅(qū)動內(nèi)圓柱體(104)和切削刀(118)高速旋轉(zhuǎn)，對光學瞄準儀(120)的外套進行高速切削，以去除外套筒多余部位；⑧.加工完畢后，該外套的外圓柱形表面的中心線與該光學瞄準儀的輸出光路同心。
全文摘要
一種用于光學瞄準儀外套加工的光學準直儀及其用于制作光學瞄準儀的方法，其特征在于它包括一可調(diào)支座，供安裝待加工光學瞄準儀，該支座可相對應于一穩(wěn)定的軸承軸進行平移調(diào)整和或角度調(diào)整；一連結(jié)于待加工光學瞄準儀的光源；一光感應器定位在一滑臂上，該滑臂套在一平行于軸承軸的導軌上，并可沿該導軌縱向地位移；一連接于該光感應器電腦處理器，一連接該電腦處理器的顯示器；一能環(huán)繞穩(wěn)定的軸承軸轉(zhuǎn)動的切割器。本發(fā)明光學準直儀用于制作光學瞄準儀之后，所生產(chǎn)的光學瞄準儀不用調(diào)整就可自動滿足光路的平移偏離和角度偏差的補償。
文檔編號G02B27/30GK1553245SQ0314133
公開日2004年12月8日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者茅仲明, 沈培生 申請人:萊特爾科技公司