一种高精度多维调节光学精密耦合系统

1.本发明属于空间高能宇宙辐射探测设施技术领域，具体涉及一种高精度多维调节光学精密耦合系统，用于实现光纤微孔板和一体化像增强器中微孔的对准。


背景技术：

2.空间高能宇宙辐射探测设施(herd)需进行束流实验，束流实验核心是利用已知高能粒子做输入，验证设计方案，验证能量分辨、角度分辨等设计指标，为项目立项和工程研制奠定坚实的基础。
3.herd项目的主要科学目标是：以前所未有的灵敏度搜寻暗物质，为解决天文和物理的最重大疑难之一暗物质问题做出关键贡献；探究宇宙线起源的世纪之谜，可望在宇宙线物理上取得革命性的突破；开展高灵敏度的高能伽玛射线巡天、脉冲星导航体制和技术研究以及高灵敏度伽玛射线偏振观测。
4.通常，在空间高能粒子的探测实验中，是将cmos相机和光纤面板共同安装在高能宇宙辐射探测设施(herd)的大箱体上，cmos相机安装在herd箱体侧板上，且穿壁而过，前端耦合成像系统伸到箱体内部，光纤面板安装在cmos相机的最前端。cmos相机工作时，其前端像增强器和光锥组合装配构成的耦合成像系统(耦合成像系统属于cmos相机的一部分)的光锥成像面可认为是一个光学玻璃面，和对面的光纤面板整体实现对准即可，对准精度在mm量级，其前端的光锥面与光纤面板成像面耦合，通过机械结构装配，即可实现精度需求。
5.而随着暗物质探测和herd研究需求发展及进一步深化，光纤面板变化为光纤微孔板(光纤微孔板上插有多个光纤)，并设计了新的一体化像增强器，一体化像增强器的大光锥面前端，设计有与光纤微孔板配合的微孔，两者都包含有多组直径350μm的微孔。在空间高能粒子的探测实验中，将cmos相机和光纤微孔板共同安装在高能宇宙辐射探测设施(herd)的大箱体上，且光纤微孔板安装在herd箱体的侧板内侧，cmos相机安装在herd箱体侧板外侧。在进行正式试验之前，因运输振动导致的零件偏差，需要调节光纤微孔板的位置，但，由于光纤微孔板及内部设施装好之后，herd整体结构箱体会进行全部封闭处理，箱体的盖板很重，人力无法打开，需借助吊臂操作，操作较为繁琐。另外，cmos相机前端的光锥面需要与对面的光纤微孔板精密耦合，工作时要求微孔一一对准，三维方向都要求有7um
±
2μm的精度对准要求。
6.常用的固定式机械装配结构无法满足μm量级的精度需求，另外，cmos相机整体重量较大，无法通过调节cmos相机，来实现光纤微孔板和一体化像增强器前端的微孔对准。因此，迫切需要设计一种调整装置，调节精度可达到μm量级，以实现光纤微孔板与一体化像增强器结构前端光锥面的对准。


技术实现要素：

7.为了解决现有空间高能粒子探测实验中，cmos相机与光纤微孔板采用常用固定式机械装配结构，微孔对准精度无法满足μm量级的技术问题，本发明提供了一种高精度多维
调节光学精密耦合系统。
8.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
9.一种高精度多维调节光学精密耦合系统，其特殊之处在于：包括安装在herd箱体侧板上的微孔板安装结构、安装在微孔板安装结构上的光纤微孔板、安装在herd箱体上且位于侧板外侧的微孔板调整结构以及安装在herd箱体外侧且与光纤微孔板配合的一体化像增强器；
10.所述微孔板安装结构包括微孔板安装架、微孔板调节筒、压板、n个弹簧和n个调节螺钉，n为大于2的整数；
11.所述微孔板安装架为中空结构，用于安装在herd箱体的侧板上，其靠近一体化像增强器的一端内壁设有环形凸台；
12.所述微孔板调节筒穿设在微孔板安装架设有环形凸台的一端，且远离一体化像增强器的一端设置有与环形凸台端面接触的安装法兰；
13.所述安装法兰上开设有至少2个周向布置的定位孔以及n个周向布置的安装口，定位孔和安装口沿安装法兰周向错位设置；
14.所述压板设置在安装法兰远离一体化像增强器的一侧；
15.所述光纤微孔板安装在微孔板调节筒内；
16.n个调节螺钉分别穿过n个弹簧、压板、安装法兰上的n个安装口后与环形凸台连接，将安装在微孔板调节筒上的光纤微孔板安装在微孔板安装架上，所述调节螺钉与安装口为间隙配合；
17.所述环形凸台与定位孔配合的位置开设有缺口；
18.所述微孔板调整结构包括安装在herd箱体上且位于侧板外侧的调整架组以及设置在调整架组上拨动件，拨动件上设有用于穿过所述缺口并伸入定位孔内的定位柱；调整架组用于驱动拨动件上下移动、水平移动以及沿微孔板调节筒圆周方向转动，使拨动件上的凸台带动微孔板调节筒移动，实现微孔板调节筒上光纤微孔板的微孔和一体化像增强器的光纤锥微孔精密对准。
19.进一步地，所述安装口为开设在安装法兰外环面的径向贯通缺口。
20.进一步地，所述n为4。
21.进一步地，所述压板包括2个环状支板，且两个环状支板之间存在距离，每个环状支板上开设有供2个调节螺钉穿过的2个安装孔；
22.所述定位孔为沿安装法兰周向均布的2个，且分别位于两个环状支板之间的位置。
23.进一步地，所述微孔板安装架远离一体化像增强器的一端设有用于与herd箱体的侧板内壁连接的连接法兰。
24.进一步地，所述调整架组包括用于安装在herd箱体侧板上的水平方向调整架、设置在水平方向调整架上的上下方向调整架、设置在上下方向调整架上的圆周方向调整架；
25.所述拨动件设置在圆周方向调整架上。
26.进一步地，所述水平方向调整架的下表面设有一个高低垫块或第4调整架，第4调整架用于实现与水平方向调整架在同一个水平面的调节，且调节方向与水平方向调整架的调节方向相垂直。
27.与现有技术相比，本发明的优点是：
28.1、本发明系统的微孔板安装结构实现将光纤微孔板安装在herd箱体的侧板上，并且位于herd箱体外的微孔板调整结构可实现微孔板调节筒位置的调整，进而微孔板调节筒上光纤微孔板位置的调整，以实现微孔板调节筒上光纤微孔板的微孔和一体化像增强器的光纤锥微孔精密对准；本发明可在herd箱体外侧进行操作，且仅通过调整架组驱动拨动件移动，操作方便。
29.2、本发明调节螺钉上套装有弹簧，弹簧会给压板施加一个力，将微孔板调节筒压紧在微孔板安装架上，但并没有锁死，存在一定的调整自由度，因此可实现微孔板调节筒在圆周和轴向方向的调整。
30.3、为了便于安装，本发明压板包括2个环状支板，定位孔位于两个环状支板之间的位置，避免拨动件上定位柱穿出定位孔，给压板施加一个推力而影响光纤微孔板的调整自由度，以及避免定位柱穿出定位孔对压板造成损伤。
31.4、为了补偿高度差，本发明在herd箱体的侧板和水平方向调整架之间设置一个高低垫块，通过微调高低垫块，实现拨动件和光纤微孔板的中心高度基本一致。
附图说明
32.图1为本发明高精度多维调节光学精密耦合系统实施例与herd箱体、cmos相机的装配示意图一；
33.图2为本发明高精度多维调节光学精密耦合系统实施例与herd箱体、cmos相机的装配示意图二(示出密封框架的底板和顶板)；
34.图3为本发明高精度多维调节光学精密耦合系统的结构示意图一；
35.图4为本发明高精度多维调节光学精密耦合系统的结构示意图二；
36.图5为本发明实施例中微孔板安装结构的示意图(未示出弹簧)；
37.图6为本发明实施例中微孔板调整结构的示意图；
38.图7为本发明实施例中微孔板调整结构的爆炸示意图；
39.其中，附图标记如下：
40.1-微孔板安装结构，11-微孔板安装架，111-环形凸台，1111-缺口，12-微孔板调节筒，121-安装法兰，1211-定位孔，1212-安装口，13-压板，14-调节螺钉；
41.2-孔板调整结构，20-调整架组，21-水平方向调整架，211-水平调整架调节旋钮，22-上下方向调整架，221-上下调整架调节旋钮，23-圆周方向调整架，231-圆周调整架调节旋钮，24-拨动件，241-定位柱，25-高低垫块；
42.3-密封框架，31-底板；
43.4-cmos相机，41-一体化像增强器；
44.51-侧板；
45.6-光纤微孔板。
具体实施方式
46.以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
47.在航天项目—空间高能宇宙辐射探测设施(herd)地面束流实验设备中，需要三维对准两个光学微孔结构(光纤微孔板6和cmos相机4前端的一体化像增强器41)，分别位于箱
体内外侧，不便于统一调节，且精度要求较高。因此本发明设计光纤微孔板调整结构，可以在箱体外部操作，且调节精度可达到μm量级，以实现光纤微孔板与一体化像增强器41结构前端光锥面的微孔对准。
48.如图1至图4所示，本发明一种高精度多维调节光学精密耦合系统，主要由光纤微孔板6、一体化像增强器41、微孔板安装结构1和微孔板调整结构2组成，微孔板安装结构1安装在herd箱体的侧板51上，光纤微孔板6安装在微孔板安装结构1上，微孔板调整结构2安装在密封框架3的底板31上，且密封框架3位于在herd箱体的外侧并与其侧板51垂直相连；一体化像增强器41安装在herd箱体外侧且与光纤微孔板6配合。
49.如图5所示，微孔板安装结构1包括微孔板安装架11、微孔板调节筒12、压板13、n个弹簧和n个调节螺钉14，n为大于2的整数。本实施例以n为4为例，在其他实施例中，n的数量可根据实际需要进行合理设计即可。
50.微孔板安装架11为中空结构，安装在herd箱体的侧板51上，具体的，微孔板安装架11远离一体化像增强器41的一端设有与herd箱体的侧板51内壁连接的连接法兰，靠近一体化像增强器41的一端内壁设有环形凸台111；微孔板调节筒12穿设在微孔板安装架11设有环形凸台111的一端，且远离一体化像增强器41的一端设置有与环形凸台111端面接触的安装法兰121；安装法兰121上开设有2个周向布置的定位孔1211以及多个周向布置的安装口1212，安装口1212的数量与调节螺钉14的相等，定位孔1211和安装口1212沿安装法兰121周向错位设置；本实施例安装口1212为开设在安装法兰121外环面的径向贯通缺口1111，压板13设置在安装法兰121远离一体化像增强器41的一侧。
51.4个调节螺钉14分别穿过4个弹簧、压板13上的通孔、安装法兰121上的4个安装口1212后，固定在环形凸台111上的螺纹孔中，实现将安装在微孔板调节筒12上的光纤微孔板6安装在微孔板安装架11上，调节螺钉14与安装口1212为间隙配合；每个调节螺钉14上套装有弹簧，弹簧会给压板13施加一个力，将微孔板调节筒12压紧在微孔板安装架11上，但是并没有锁死，存在一定的调整自由度，因此可实现微孔板调节筒12在圆周和轴向方向的调整；环形凸台111与2个定位孔1211配合的位置开设有缺口1111，可以让微孔板调整结构2的定位柱241穿过并插入定位孔1211内，进而通过微孔板调整结构2带动微孔板调节筒12及其上的光纤微孔板6移动，以实现与cmos相机4的一体化像增强器41前端的光锥耦合对接。
52.为了便于安装，本实施例压板13包括2个环状支板，且两个环状支板之间存在距离，每个环状支板上开设有供2个调节螺钉14穿过的2个安装孔；定位孔1211为沿安装法兰121周向均布的2个，且分别位于两个环状支板之间的位置。
53.如图6和图7所示，微孔板调整结构2包括安装在herd箱体上且位于侧板51外侧的调整架组20以及设置在调整架组20上的拨动件24，调整架组20由三个调整架成，从上到下依次为圆周方向调整架23、上下方向调整架22和水平方向调整架21，即包括安装在密封框架3底板31上的水平方向调整架21、设置在水平方向调整架21上的上下方向调整架22、设置在上下方向调整架22上的圆周方向调整架23，拨动件24设置在圆周方向调整架23上，拨动件24上设有用于穿过环形凸台111上的2个缺口1111并伸入2个定位孔1211内的2个定位柱241。
54.微孔板调整结构2的工作原理为：
55.通过调节三个方向的调整架组20，带动拨动件24运动，使拨动件24上的2个定位柱
241分别穿过2个缺口1111后伸入2个定位孔1211内，然后调整架组20驱动拨动件24上下移动、水平移动以及沿微孔板调节筒12圆周方向转动，使拨动件24上的凸台带动微孔板调节筒12移动，实现微孔板调节筒12上光纤微孔板6的微孔和一体化像增强器41的光纤锥微孔精密对准。
56.本实施例调整架组20采用微米量级的步进精度，可实现微米量级的对准精度。拨动件24和圆周方向调整架23连接时，安装孔为腰型孔，可实现前后方向的微调；圆周方向调整架23、上下方向调整架22和水平方向调整架21通过内部配对螺纹进行安装固定；圆周方向调整架23的旋钮转动时，下半部平面不动，上半部分可围绕圆心，沿圆弧方向转动，顺时针和逆时针方向都可有一定的转动范围。上下方向调整架22的旋钮转动时，旋钮内部会顶住一个弹簧，使最上边板子高低移动。水平方向调整架21和上下方向调整架22的工作原理相同，内部有弹簧，旋钮转动时，弹簧跟着变形，实现承载面板的水平移动。
57.为了补偿高度差，在密封框架3底板31和水平方向调整架21之间设置一个高低垫块25，通过微调高低垫块25，实现拨动件24和光纤微孔板6的中心高度基本一致；在其他实施例中，如果空间上允许，可将高低垫块25替换为第4调整架，实现和水平方向调整架21在同一个水平面但是垂直方向的前后调节，可实现四维调节。
58.以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

技术特征：
1.一种高精度多维调节光学精密耦合系统，其特征在于：包括安装在herd箱体侧板(51)上的微孔板安装结构(1)、安装在微孔板安装结构(1)上的光纤微孔板(6)、安装在herd箱体上且位于侧板(51)外侧的微孔板调整结构(2)以及安装在herd箱体外侧且与光纤微孔板(6)配合的一体化像增强器(41)；所述微孔板安装结构(1)包括微孔板安装架(11)、微孔板调节筒(12)、压板(13)、n个弹簧和n个调节螺钉(14)，n为大于2的整数；所述微孔板安装架(11)为中空结构，用于安装在herd箱体的侧板(51)上，其靠近一体化像增强器(41)的一端内壁设有环形凸台(111)；所述微孔板调节筒(12)穿设在微孔板安装架(11)设有环形凸台(111)的一端，且远离一体化像增强器(41)的一端设置有与环形凸台(111)端面接触的安装法兰(121)；所述安装法兰(121)上开设有至少2个周向布置的定位孔(1211)以及n个周向布置的安装口(1212)，定位孔(1211)和安装口(1212)沿安装法兰(121)周向错位设置；所述压板(13)设置在安装法兰(121)远离一体化像增强器(41)的一侧；所述光纤微孔板(6)安装在微孔板调节筒(12)内；n个调节螺钉(14)分别穿过n个弹簧、压板(13)、安装法兰(121)上的n个安装口(1212)后与环形凸台(111)连接，将光纤微孔板(6)安装在微孔板安装架(11)上，所述调节螺钉(14)与安装口(1212)为间隙配合；所述环形凸台(111)与定位孔(1211)配合的位置开设有缺口(1111)；所述微孔板调整结构(2)包括安装在herd箱体上且位于侧板(51)外侧的调整架组(20)以及设置在调整架组(20)上拨动件(24)，拨动件(24)上设有用于穿过所述缺口(1111)并伸入定位孔(1211)内的定位柱(241)；调整架组(20)用于驱动拨动件(24)上下移动、水平移动以及沿微孔板调节筒(12)圆周方向转动，使拨动件(24)上的凸台带动微孔板调节筒(12)移动，实现微孔板调节筒(12)上光纤微孔板(6)的微孔和一体化像增强器(41)的光纤锥微孔精密对准。2.根据权利要求1所述高精度多维调节光学精密耦合系统，其特征在于：所述安装口(1212)为开设在安装法兰(121)外环面的径向贯通缺口(1111)。3.根据权利要求2所述高精度多维调节光学精密耦合系统，其特征在于：所述n为4。4.根据权利要求3所述高精度多维调节光学精密耦合系统，其特征在于：所述压板(13)包括2个环状支板，且两个环状支板之间存在距离，每个环状支板上开设有供2个调节螺钉(14)穿过的2个安装孔；所述定位孔(1211)为沿安装法兰(121)周向均布的2个，且分别位于两个环状支板之间的位置。5.根据权利要求4所述高精度多维调节光学精密耦合系统，其特征在于：所述微孔板安装架(11)远离一体化像增强器(41)的一端设有用于与herd箱体的侧板(51)内壁连接的连接法兰。6.根据权利要求1至5任一所述高精度多维调节光学精密耦合系统，其特征在于：所述调整架组(20)包括用于安装在herd箱体侧板(51)上的水平方向调整架(21)、设置在水平方向调整架(21)上的上下方向调整架(22)、设置在上下方向调整架(22)上的圆周方向调整架(23)；
所述拨动件(24)设置在圆周方向调整架(23)上。7.根据权利要求6所述高精度多维调节光学精密耦合系统，其特征在于：所述水平方向调整架(21)的下表面设有一个高低垫块(25)或第4调整架，第4调整架用于实现与水平方向调整架(21)在同一个水平面的调节，且调节方向与水平方向调整架(21)的调节方向相垂直。

技术总结
本发明提供一种高精度多维调节光学精密耦合系统，解决现有空间高能粒子探测实验中，CMOS相机与光纤微孔板采用常用固定式结构，微孔对准精度无法满足μm量级的问题。系统包括安装在HERD箱体侧板上的微孔板安装结构、安装在微孔板安装结构上的光纤微孔板、安装在HERD箱体上且位于侧板外侧的微孔板调整结构及安装在HERD箱体外侧的一体化像增强器；微孔板安装结构包括微孔板安装架、微孔板调节筒、压板、N个弹簧和N个调节螺钉，N个调节螺钉分别穿过N个弹簧、压板、微孔板调节筒与微孔板安装架连接，将安装在微孔板调节筒内的光纤微孔板安装在微孔板安装架上；微孔板调整结构调节微孔板调节筒位置，实现光纤微孔板和一体化像增强器的微孔精密对准。的微孔精密对准。的微孔精密对准。


技术研发人员：秦君军 白永林 高佳锐 梁晓祯 曹伟伟 白晓红 李然 郑锦坤 石大莲 吕林蔚 张昭昭
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2023/9/23