用于光學(xué)元件的支撐機(jī)構(gòu)和用于調(diào)節(jié)光學(xué)元件的方法
【專利說(shuō)明】用于光學(xué)元件的支撐機(jī)構(gòu)和用于調(diào)節(jié)光學(xué)元件的方法
[0001]本發(fā)明涉及用于相對(duì)于光束路徑的光軸精確地調(diào)節(jié)光學(xué)元件的位置和取向的方法和支撐機(jī)構(gòu)，尤其是在激光裝置中使用。
[0002]此類支撐機(jī)構(gòu)被用于將光學(xué)元件聯(lián)接到機(jī)械總成上。例如透鏡以及所有類型的光學(xué)元件(例如激光裝置的反射鏡)都需要這種支撐機(jī)構(gòu)。在很多包含光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用中，單個(gè)光學(xué)元件(比如，透鏡、反射鏡或棱鏡)的調(diào)節(jié)必須非常精確。特別是，如果涉及到干涉量度法，精度必須精確到波長(zhǎng)的若干分之一。這種支架的普遍問(wèn)題是會(huì)損壞安裝起來(lái)的光學(xué)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)的各種實(shí)施方式中早就已知超短脈沖激光系統(tǒng)，即能夠產(chǎn)生或放大具有在飛秒或皮秒范圍內(nèi)的一個(gè)特征脈沖持續(xù)時(shí)間的激光脈沖的激光裝置，飛秒和皮秒激光器被越來(lái)越多的用于各種類型的應(yīng)用中。例如，在歐洲專利申請(qǐng)EP 2284965中公開了這種激光裝置。這類激光系統(tǒng)使用空腔諧振器或激光諧振器，所述諧振器具有用來(lái)定義光束路徑的兩個(gè)反射鏡元件并具有激光介質(zhì)。在這里，模式耦合飛秒和皮秒激光器通常使用所謂的擴(kuò)展空腔，該空腔具有多重反射鏡元件以引導(dǎo)光束，折疊光路從而確保設(shè)計(jì)的期望緊湊性。特別是當(dāng)脈沖重復(fù)頻率是位于兆赫范圍時(shí)，例如在典型脈沖重復(fù)頻率在I到120MHz范圍的情況下，這樣的設(shè)計(jì)是有重大關(guān)系的。為了維持可行的緊湊性，這樣的重復(fù)頻率需要使用這樣的擴(kuò)展腔，其具有兩個(gè)或兩個(gè)以上具有曲率或可設(shè)計(jì)成平面的偏轉(zhuǎn)鏡或折疊反射鏡。
[0004]這類激光裝置的典型諧振器在一些元件的情況下具有50 μ rad的靈敏度，即在一個(gè)元件由于該角度而傾斜偏離最佳狀態(tài)的情況(非想要的)下，性能顯著的損失了幾個(gè)百分比的結(jié)果。
[0005]因此，需要一種支撐機(jī)構(gòu)和一種方法，用來(lái)高度精確和可靠地布置光學(xué)元件的位置和取向。
[0006]各種不同類型的用于光學(xué)元件的支撐機(jī)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)已知的，并且公開在例如文獻(xiàn) US 6，016，230、DE 3 531 640 或 DE 10 2008 039 788 中。
[0007]DE 103 03 549 B3公開了一種光學(xué)裝置，其具有管狀的支撐機(jī)構(gòu)，用來(lái)保持光學(xué)元件。所公開的光學(xué)裝置包括控制裝置，用來(lái)控制支撐機(jī)構(gòu)的變形單元，例如壓電陶瓷模塊或形狀記憶合金。借助變形單元，支撐機(jī)構(gòu)的變形可以被主動(dòng)控制，使得支撐機(jī)構(gòu)可以通過(guò)被夾緊而保持光學(xué)元件，或者釋放光學(xué)元件。然而不利的是這種設(shè)置的工程工作量是相當(dāng)大的。
[0008]在一些已知的系統(tǒng)中，鍵合的(即其外套相對(duì)于光軸傾斜的)光學(xué)元件通過(guò)在底座中旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了在調(diào)節(jié)后固定光學(xué)元件的調(diào)節(jié)過(guò)的取向，光學(xué)元件通過(guò)彈簧力或限定的動(dòng)量被壓向抵接件。這種方案有三個(gè)主要缺點(diǎn)。首先，這種機(jī)構(gòu)的抗沖擊能力很低，所以沖擊或震動(dòng)會(huì)輕易地使調(diào)整喪失。其次，光學(xué)元件的調(diào)整也會(huì)因?yàn)閴毫Χ鴨适?。第三，在調(diào)整過(guò)程中，很難接近光學(xué)元件。
[0009]因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的支撐機(jī)構(gòu)和方法，用于相對(duì)于光束路徑的光軸精確地調(diào)節(jié)光學(xué)元件的位置和取向，并且固定調(diào)節(jié)后的位置和取向。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)特別目的在于提供這樣一種支撐機(jī)構(gòu)，其為調(diào)節(jié)過(guò)程提供很好的可接近性，尤其是允許機(jī)動(dòng)調(diào)節(jié)光學(xué)元件的位置和取向。
[0011]另一個(gè)目的是提供這樣一種低構(gòu)造成本和材料成本的支撐機(jī)構(gòu)，尤其是包括少量部件。
[0012]還有一個(gè)目的是提供這樣一種支撐機(jī)構(gòu)，其具有提高的穩(wěn)健性和穩(wěn)定性，從而提供穩(wěn)定的、抗沖擊的光學(xué)元件的位置和取向的調(diào)整。
[0013]另一個(gè)目的是提供這樣一種支撐機(jī)構(gòu)，即使經(jīng)過(guò)了相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，其仍具有穩(wěn)健性和穩(wěn)定性提高的性能參數(shù)。
[0014]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣一種支撐機(jī)構(gòu)，其相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)減少了工程工作量和材料成本，尤其是其中對(duì)調(diào)節(jié)光學(xué)元件的位置和取向來(lái)說(shuō)，不需要通過(guò)控制裝置進(jìn)行主動(dòng)控制。
[0015]這些目的中的至少一個(gè)根據(jù)第一方面的支撐機(jī)構(gòu)、根據(jù)第九方面中的用于光學(xué)元件的定位和取向的方法和/或本發(fā)明的其它方面得以實(shí)現(xiàn)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，具有圓形截面的光學(xué)元件被夾頭保持在安裝框架的空心圓柱形的開口中。該光學(xué)元件尤其是或者包括用于激光裝置和激光應(yīng)用中的光學(xué)透鏡、反射鏡或棱鏡。通過(guò)旋轉(zhuǎn)空心圓柱形開口中的夾頭來(lái)調(diào)整光學(xué)元件的傾斜取向。夾頭內(nèi)的光學(xué)元件隨著夾頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。夾頭的內(nèi)輪廓相對(duì)于其外輪廓傾斜，以便通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)空心圓柱形開口中的夾頭來(lái)調(diào)節(jié)光學(xué)元件的角度。通過(guò)利用加緊螺母來(lái)使夾頭加緊，從而實(shí)施光學(xué)元件在夾頭中的位置的調(diào)整。這些特征使得激光系統(tǒng)允許調(diào)整設(shè)置。
[0017]安裝框架可連接至一個(gè)表面上，特別是激光裝置的表面，例如，利用螺釘、螺栓、膠等。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，安裝框架是由鋁制成的，而空心圓柱形的開口是圓形孔。安裝框架，特別是空心圓柱形的開口，優(yōu)選是耐磨的，特別是硬質(zhì)氧化的或覆有陶瓷涂層的。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，安裝框架的開口具有第一端和第二端，其中螺紋位于第一端。優(yōu)選的是，在第一端和第二端之間，開口具有空心圓柱形表面，用于容納夾頭。優(yōu)選的是，在第二端設(shè)置錐形頸部，其被設(shè)計(jì)成用來(lái)阻擋夾頭，并且充當(dāng)夾頭爪的配對(duì)件。當(dāng)然，安裝框架的開口不需要是完全空心圓柱形的。例如，空心圓柱體不需要完全閉合，而是可以具有橫向開口或若干縱向槽，特別是用于減少材料成本和重量。而且，開口可以包括兩個(gè)或更多個(gè)不同直徑的空心圓柱體。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，夾頭包括多個(gè)夾頭爪，并且設(shè)計(jì)成至少將光學(xué)元件松保持在圓形開口中，優(yōu)選的是具有至少一個(gè)自由度。在夾頭中優(yōu)選設(shè)置錐形鍵，其致使光學(xué)元件跟隨夾頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。夾頭爪被設(shè)計(jì)成與安裝框架的配對(duì)件相互作用，從而在夾頭上施加軸向壓力，將光學(xué)元件推進(jìn)預(yù)定位置。夾頭被設(shè)計(jì)成使得在夾頭上施加徑向壓力，夾緊在在夾頭內(nèi)的光學(xué)元件，因此固定光學(xué)元件的位置。優(yōu)選的是，夾頭是由硬化鋼制成的，特別是真空硬化的。
[0020]此外，根據(jù)本發(fā)明，夾緊螺母和夾頭被設(shè)計(jì)成定位在空心圓柱形開口中，使得光學(xué)元件被固定地保持在夾頭內(nèi)。特別是，具有外螺紋的環(huán)形的圓夾緊螺母能被擰到安裝框架的開口的螺紋上，用來(lái)將與光學(xué)元件一起的夾頭保持在開口中，并且用來(lái)在夾頭上施加壓力，以便定位光學(xué)元件和/或固定光學(xué)元件的位置。
[0021]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，夾緊螺母被設(shè)計(jì)成使得夾緊螺母被擰緊在螺紋上時(shí)，夾緊螺母的表面定位成與安裝框架的表面平齊。優(yōu)選的是，該表面有多個(gè)凹陷或凸起特征，尤其是設(shè)計(jì)成用于與轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊螺母所用的工具或者裝置接合。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)首選的實(shí)施方式中，夾緊螺母以及與光學(xué)元件一起的夾頭在安裝框架的開口內(nèi)形成空腔。優(yōu)選的是，該空腔能用固定劑填充，例如液體粘合劑。有利的是，在安裝框架中設(shè)置通向該空腔的徑向孔，從而允許在夾頭和夾緊螺母插入到開口內(nèi)之后，將固定劑填充到空腔中。
[0023]下面將參照示例性實(shí)施方式與附圖一起詳細(xì)描述本發(fā)明，在附圖中:
[0024]圖1a所示的是根據(jù)本發(fā)明的支撐機(jī)構(gòu)的示例性實(shí)施方式，該支撐機(jī)構(gòu)具有安裝框架，并且安裝框架具有容納光學(xué)元件的圓形孔；
[0025]圖1b所示的是圖1a中的安裝框架，示出了圓形孔的細(xì)節(jié)；
[0026]圖2以側(cè)視圖、截面圖和正視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的支撐機(jī)構(gòu)的夾頭的示例性實(shí)施方式；
[0027]圖3a所示的是光學(xué)元件插入圖2中的夾頭；
[0028]圖3a和3b以側(cè)視圖和截面圖示出了插入有光學(xué)元件的圖2中的夾頭；
[0029]圖4a所示的是圖1a中的支撐機(jī)構(gòu)的部件的組件；
[0030]圖4b和圖4c以截面圖示出了圖1中的支撐機(jī)構(gòu)，圖示了施加的壓力；
[0031]圖5a至圖5c所示的是根據(jù)本發(fā)明的支撐機(jī)構(gòu)具有用于固定光學(xué)元件的不同手段的三個(gè)示例性實(shí)施方式；
[0032]圖6a至圖6e所示的是五個(gè)流程圖，圖示了根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施方式；和
[0033]圖7所示的是激光裝置的示意圖。
[0034]圖1a所示的是根據(jù)本發(fā)明的支撐機(jī)構(gòu)的一個(gè)示例性實(shí)施方式。該支撐機(jī)構(gòu)包括安裝框架1，其具有作為基本空心的圓柱形開口的圓形孔10，用以容納光學(xué)元件2。光學(xué)元件2由夾頭保持(圖中未顯示)，夾頭由環(huán)形圓夾緊螺母4保持就位。夾緊螺母4包括外螺紋，該外螺紋被設(shè)計(jì)成用于擰到圓形孔10的螺紋上。
[0035]安裝框架I被設(shè)計(jì)成位于光束路徑上，而且經(jīng)由連接構(gòu)件16 (例如，兩個(gè)或三個(gè)螺釘，在這個(gè)例子中是四個(gè)螺釘)被固定在表面6上。例如，安裝框架I能被安裝在激光裝置的底座部件或底盤上，該底座部件或底盤特別地具有至少一個(gè)另外的光學(xué)元件。
[0036]圖1b所示的是圖1a中的安裝框架I和其圓形孔10。所示的圓形孔包括三個(gè)特征。在孔的中心是容納光學(xué)元件2的具有空心圓柱形表面的容納區(qū)13。在遠(yuǎn)端，提供了錐形頸部15，用來(lái)防止夾頭或者光學(xué)元件2通過(guò)此遠(yuǎn)端穿越。在另一端，提供了螺紋14，用于接納圓形夾緊螺母4。至少孔的容納區(qū)