一种光束孔调节装置的制作方法

1.本发明涉及光学或带电粒子束光学领域，具体为一种光束孔调节装置。


背景技术：

2.光学设备通常包括光束孔，具有光束孔的部件可称为光阑，光束孔用于改变光束的大小。例如，通过调节光束孔的位置实现光路的连通或隔断，当设置至少两个光束孔时，还可实现光束在不同光束孔的切换。当然这里的光束孔同样在带电粒子束光学设备中也有设置，切换两个光束孔时，同样可实现带电粒子束在不同光束孔的切换；在现有技术中，可以采用手动控制和电动控制两种方式调节光束孔的位置。
3.由于手动控制无法准确掌握光束孔位置的调节，而且在一些特殊的应用场景(例如大功率激光光路)，手动控制较为危险、定位精度也不高，因此大多需要采用电动控制的方式；目前提出有一种光束孔调节装置，包括直线驱动源、丝杠传动机构和光阑，通过正交堆叠的直线驱动机构分别调节光束孔在正交的两个方向(x方向和y方向)上的位移，直线驱动机构包括直线驱动源(例如电机)和丝杠传动机构，直线驱动源通过丝杠传动机构驱动光阑(例如，丝杠传动机构中的滑块上设置有光束孔，滑块作为光阑)运动；但是，由于丝杠传动机构因为存在加工误差等原因使得光阑在进行x方向和y方向运动时二者存在间隙，导致整体机构(光束孔调节装置)的运动重复性较低，有必要提高运动可重复性。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新的技术方案，即提出了一种光束孔调节装置，通过对该装置的结构进行全新的设计，解决目前存在的整体机构运动重复性较低的问题。
5.本发明提出的具体方案如下：
6.一种光束孔调节装置，包括
7.底座，具有通孔；所述底座与第一直线驱动源连接以能沿x方向移动；
8.主动模块，固定在所述底座上；所述主动模块具有第一柔性形变部，所述第一柔性形变部与第二直线驱动源连接以能沿y方向产生形变；和
9.从动模块，固定在所述底座上；所述从动模块具有在y方向运动时与第一柔性形变部侧边接触的第二柔性形变部，所述第二柔性形变部上开设有光束孔，且所述光束孔能够与所述通孔连通；
10.所述第一直线驱动源驱使所述底座运动完成所述光束孔向x方向移动，所述第二直线驱动源驱使所述第一柔性形变部形变以使得所述第二柔性形变部在y方向产生形变，从而完成所述光束孔向着y方向移动。
11.进一步的，所述第一直线驱动源和所述第二直线驱动源的输出端在所述底座的同侧沿x方向平行设置，所述底座上包括用于与所述第一直线驱动源的固定端连接的安装面。
12.进一步的，所述第一柔性形变部被配置为受第二直线驱动源驱使提供预紧力，使
其侧边在初始状态时和进行x方向和y方向运动时始终接触所述第二柔性形变部。
13.进一步的，所述光束孔被配置为在初始状态与所述通孔连通或者隔断，且当初始状态为隔断时，所述光束孔被配置为能沿y方向移动以与所述通孔连通；所述光束孔的数量为至少两个，所述光束孔被配置为能沿y方向移动以使得光束能从与通孔连通的一光束孔切换到与通孔连通的另一光束孔。
14.进一步的，所述主动模块还包括
15.第一固定部，与所述底座固定；和
16.运动承接部，与所述第二直线驱动源连接；
17.所述第一柔性形变部包括在y方向两侧对称设置且连接的第一柔性铰链；一侧的所述第一柔性铰链分别与第一固定部和另一侧的第一柔性铰链连接，另一侧的所述第一柔性铰链还与运动承接部连接。
18.进一步的，两侧的所述第一柔性铰链之间的连接端形成第一本体，所述第一柔性铰链包括具有柔性铰点的第一连杆，所述第一连杆与x方向形成夹角α以使得所述第一本体向着所述第二柔性形变部方向凸出并彼此接触，其中0
°
＜α≤45
°
。
19.进一步的，所述从动模块还包括第二固定部；所述第二固定部设置在所述第二柔性形变部的两侧且分别与所述底座固定，所述第二柔性形变部包括在y方向两侧对称设置且连接的第二柔性铰链，两侧的所述第二柔性铰链分别与对应的第二固定部连接。
20.进一步的，两侧的所述第二柔性铰链之间的连接端形成第二本体，所述第二柔性铰链包括具有柔性铰点的第二连杆，所述第二连杆与x方向形成夹角β以使得所述第二本体向着所述第一柔性形变部方向凸出并彼此接触，其中0
°
≤β≤45
°
。
21.进一步的，所述第一柔性形变部和所述第二柔性形变部均相对于所述底座悬空设置。
22.进一步的，还包括：滚动件，所述主动模块与所述从动模块在相对的侧面分别设置凹槽，所述凹槽中设置滚动件，以使得所述主动模块与所述从动模块滚动连接。
23.采用本技术方案所达到的有益效果为：
24.本方案是在第二柔性变形部上设置光束孔(第二柔性变形部作为光阑)，通过第一柔性形变部(作为传动机构)在运动时和第二柔性形变部始终接触来调节光束孔在y方向的位置，能够有效的杜绝传动机构因为存在加工误差等原因导致在光阑进行y方向运动时光阑和传动机构之间存在间隙，进而避免整体机构的运动重复性较低的现象，有效的保证了光束孔调节的精度，提高了运动可重复性。
附图说明
25.图1为本发明一实施例中光束孔调节装置的立体结构图。
26.图2为本发明一实施例中光束孔调节装置的俯视平面图。
27.图3为本发明一实施例中主动模块的结构图。
28.图4为本发明一实施例中主动模块受到第二直线驱动源作用力时产生的形变图。
29.图5为本发明一实施例中从动模块受到来自主动模块的位移施加时产生的形变图。
30.图6为本发明一实施例中滚动承接件的布局展示图。
31.图7为本发明一实施例中v型滑槽的结构图。
32.图8为本发明一实施例中滚动承接件的具体组成结构图。
33.其中：10底座、11通孔、20主动模块、21第一柔性形变部、22第一固定部、23运动承接部、30从动模块、31第二柔性形变部、32第二固定部、40滚动件、41保持架、42滚子、211第一本体、212第一连杆、311第二本体、312第二连杆。
具体实施方式
34.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
35.本实施例提供了一种光束孔调节装置，通过改进该装置的结构设计，实现在进行光束孔调节时，避免传统传动机构带来的误差影响，对于运动可重复性的提高和各个光束孔的精准调整均具有极大的促进作用，使得本装置能够更好地运用在高精细要求的场景中。
36.具体的，参见图1－图2，本装置包括底座10、主动模块20和从动模块30，并且为了便于对后文的理解，这里在图示中定义了x方向和y方向，x方向和y方向垂直设置代表着本文中提及的正交方向，，且x方向和y方向均与光轴方向(z方向，未图示)垂直。
37.本方案中，提及的底座10作为主要的支撑，为主动模块20和从动模块30的运动提供可靠的支撑，并且在底座10上设置了专用于光束(光学光束或带电粒子光束，其中，带电粒子光束常被简称为带电粒子束)通过的通孔11，即光学光束或带电粒子束能够从这里的通孔11进行射入或者射出。
38.底座10与第一直线驱动源(未画出)连接以能沿x方向移动；可以理解为，在底座10的一端设置了第一直线驱动源，通过第一直线驱动源驱使底座10和设置在底座10上的主动模块20、从动模块30能够沿着x方向同时进行运动。
39.主动模块20固定在底座10上；并且提及的主动模块20具有第一柔性形变部21，这里的第一柔性形变部21与第二直线驱动源(未画出)连接，在第二直线驱动源(未画出)的位移驱动下，使得第一柔性形变部21能沿x方向、y方向产生形变，其中，第一柔性形变部21沿x方向产生的形变为寄生位移。
40.从动模块30同样固定在底座10上；从动模块30具有在运动时与第一柔性形变部21侧边接触的第二柔性形变部31，并且第二柔性形变部31上开设有光束孔，该光束孔能够与通孔11进行连通。
41.本文所阐述的光束孔的调节，具体是指通过第一直线驱动源和第二直线驱动源之间的运动配合使得这里的光束孔实现在水平方向(即x方向)和垂直方向(即y方向)的调整(调节)，例如，通过调节光束孔的位置实现光路的连通或隔断，当设置至少两个光束孔时，还可实现光束在不同光束孔的切换，使得切换后的光束孔能够与通孔11进行对应，根据实际的需求使得光束从切换后的光束孔射出。
42.需要说明的是，这里提及的第一直线驱动源和第二直线驱动源位于底座10的同侧并平行设置；即第二柔性形变部31上的光束孔能够实现在正交方向(x方向和y方向)进行调整，但是提供的动力源(即第一直线驱动源和第二直线驱动源)并不是正交垂直设置，本方案通过利用第一柔性形变部21、第二柔性形变部31之间的配合，使得提出的第一直线驱动
源和第二直线驱动源位于同一侧，并且平行设置；通过将动力源同侧并行设置来实现光束孔的正交调节，有效地节省了整个装置布置的空间，使得整个装置更加的紧凑合理。
43.具体的，第一直线驱动源的输出端和第二直线驱动源的输出端在底座10的同侧沿x方向平行设置，同时底座10上包括用于与第二直线驱动源的固定端连接的安装面；并且第一直线驱动源与底座10的连接、第二直线驱动源与第一柔性形变部21的连接不限于理解为固定连接，抵接也可以被囊括在内。
44.当然，第一柔性形变部21被配置为受第二直线驱动源驱使，使第一柔性形变部21(作为传动机构)的侧边在进行y方向运动时始终接触第二柔性形变部31(作为光阑)，通过保证二者的接触，能够有效的避免现有技术中光阑在进行y方向运动时光阑和传动机构存在间隙，进而避免整体机构的运动重复性较低的现象，有效的保证了光束孔调节的精度，提高了运动可重复性。
45.在本实施例中，第一柔性形变部21被配置为受第二直线驱动源驱使提供预紧力，使得第一柔性形变部21的侧边在初始状态时即接触第二柔性形变部31，故在进行x方向和y方向运动时均始终接触第二柔性形变部31。二者在初始状态时即接触具有以下优点：一方面，可以避免浪费第一柔性形变部31的形变量(行程)；另一方面，即使底座10进行x方向移动使得第一柔性形变部21进行x方向时，二者也始终接触，避免了现有技术中传动机构和光阑在x方向产生间隙，进一步保证了光束孔调节的精度，提高了运动可重复性。
46.第二柔性形变部31产生形变时，将会使得光束孔在y方向上完成调整，示例性地，这里的光束孔被配置为在初始状态与通孔11连通或者隔断，当初始状态为隔断时，光束孔被配置为能沿y方向移动以与通孔连通；示例性地，光束孔的数量为至少两个，光束孔被配置为能沿y方向移动以使得光束能从与通孔11连通的一光束孔切换到与通孔11连通的另一光束孔。
47.在本实施例中，光束孔被配置为在初始状态与通孔11连通，在进行所述切换前后各光束孔始终通孔11连通，即各光束孔在通孔11位置的投影在切换前后均落在通孔11的范围内。
48.下面对光束孔实现正交调节的具体方式进行详细的说明：
49.具体的，第一直线驱动源可以使得底座10沿着x方向进行移动，此时位于第二柔性形变部31上的光束孔就能够完成x方向的调节。而第二直线驱动源能够使得第一柔性形变部21向y方向产生形变位移；形变的第一柔性形变部21将形变力传递至第二柔性形变部31上，使得第二柔性形变部31产生y方向的微小形变，从而实现光束孔完成y方向的调节，例如，使得光束能从一光束孔切换到另一光束孔；这样光束孔在两个正交方向的运动可以实现单独动作，两个方向不会相互影响，方便光束孔调整到位。
50.下面分别对主动模块20和从动模块30的组成结构做详细的介绍。
51.本方案中，参见图2－图4，主动模块20还包括第一固定部22和运动承接部23；其中第一固定部22与底座10固定；运动承接部23用于与第二直线驱动源连接；第一柔性形变部21包括在y方向两侧对称设置且连接的第一柔性铰链；一侧的第一柔性铰链分别与第一固定部22和另一侧的第一柔性铰链连接，另一侧的第一柔性铰链还与运动承接部23连接。
52.可以理解为，主动模块20与底座10的固定实质上通过第一固定部22完成，并且第二直线驱动源并不与第一柔性形变部21直接连接，而是通过运动承接部23连接，第二直线
驱动源将位移驱动力作用在运动承接部23上，通过传递作用到第一柔性形变部21上，促使第一柔性形变部21产生y方向的形变。
53.具体的，两侧的第一柔性铰链之间的连接端形成第一本体211，第一柔性铰链包括具有柔性铰点的第一连杆212，即在第一本体211左右(请参见图3)两侧分别设置了第一连杆212，并且第一连杆212与x方向形成夹角α以使得第一本体211向着第二柔性形变部31方向凸出并彼此接触。
54.可以理解为，第一连杆212倾斜设置，使得第一本体211的初始状态为凸出状态；并且第一连杆212的倾斜角度为α，其中0
°
＜α≤45
°
。需要注意的是α不能为0
°
，在第一连杆212的角度为0
°
状态时，将导致第一本体211的形变运动不可控，无法准确重复实现向第二柔性形变部31方向凸出动作，以完成力的传递。
55.可选的，本方案中提供的α具体角度为15
°
。
56.第一连杆212的数量可以根据需要设置，两侧的第一柔性铰链分别包括相同数量的至少一个具有柔性铰点的第一连杆212，例如，如图2所示，两侧的第一柔性铰链分别包括两个具有柔性铰点的第一连杆212，即每一侧的第一柔性铰链分别形成平行四边形柔性铰链。其中，第一连杆212的一端通过柔性铰点与第一固定部22连接，另一端通过柔性铰点与第一本体211连接
57.并且可选的，主动模块20为一体成型的平板块结构，在第一本体211左右两侧开设镂空腔以形成第一柔性铰链。
58.在本实施例中，在运动承接部23的传导下，第一本体211沿着凸出的方向(即y方向)继续位移凸出，将位移传递给第二柔性形变部31，促使第二柔性形变部31同样向着y方向产生微小位移，使得其中的光束孔完成位置调整。
59.本方案中，参见图2、图5和图6，从动模块30还包括第二固定部32；第二固定部32分别设置在第二柔性形变部31的左右侧且第二固定部32与底座10固定；可以理解为，提供的从动模块30中，第二柔性形变部31设置在第二固定部32的中间，并且第二固定部32同时与底座10进行固定。
60.提供的第二柔性形变部31的结构可参考上文提及的第一柔性形变部21的结构，例如，二者结构相同，第二柔性形变部31同样包括第二本体311和第二柔性铰链；第二柔性铰链在第二本体311的y方向两侧对称设置连接。
61.具体的，两侧的第二柔性铰链之间的连接端形成第二本体311，第二柔性铰链包括具有柔性铰点的第二连杆312，第二连杆312与x方向形成夹角β以使得第二本体311向着第一柔性形变部21方向凸出并彼此接触，其中0
°
＜β≤45
°
。
62.可以理解为，这里设置的第二连杆312同样为倾斜设置，倾斜使得第二本体311向着第一柔性形变部21方向凸出；即第一本体211向着第二本体311凸出，并且第二本体311也向着第一本体211凸出，并且第一本体211和第二本体311还相互接触；这样的设计使得第一柔性形变部21和第二柔性形变部31两者共同形成类似于“x”型的结构。
63.这样第一本体211在位移力的作用下，可有效地将位移施加作用在第二本体311上，使得第二本体311向着y方向产生位移调节，完成光束孔在y方向上的调整。
64.优选的，第二连杆312与x方向形成夹角β，其中0
°
≤β≤45
°
。
65.同理，第二连杆312的数量可以根据需要设置，两侧的第二柔性铰链分别包括相同
数量的至少一个具有柔性铰点的第二连杆312，例如，如图2所示，两侧的第二柔性铰链分别包括两个具有柔性铰点的第二连杆312，即每一侧的第二柔性铰链分别形成平行四边形柔性铰链。其中，第二连杆312的一端通过柔性铰点与第二固定部32连接，另一端通过柔性铰点与第二本体311连接。
66.优选的，从动模块30也可以为一体成型的平板块结构，在第二本体311左右两侧开设镂空腔以形成第二连杆312。
67.在另外的实施例中，第二柔性形变部31中的第二连杆312可以不设置倾斜角度，即此时β可以为0
°
；这与第一柔性形变部21中的第一连杆212不同，在第一柔性形变部21中需要保证第一本体211拥有初始的凸出状态，以确保机构的重复度；而第二柔性形变部31不再有凸出初始状态要求，只要满足第二本体311在第二柔性铰链的作用下能够向着y方向位移即可。
68.本方案中，参见图1，上文提及的第一柔性形变部21和第二柔性形变部31均相对于底座10悬空设置。即第一柔性形变部21和第二柔性形变部31在形变位移中不与底座10产生任何的接触，这样使得第一柔性形变部21、第二柔性形变部31与底座10之间不存在任何的滑动摩擦；若第一柔性形变部21、第二柔性形变部31与底座10接触设置，虽然同样能够达到正交调节的效果，但是因为滑动摩擦的原因，将影响光束孔的位移精度，使得整个机构的重复度波动较大；因此这里采用悬空设计，杜绝了滑动摩擦带来的影响，使得机构能够用于洁净要求较高的环境。
69.在实际的测试使用中，因为第一本体211和第二本体311之间可以通过面接触的方式进行位移力地传递，还可以通过滚动接触的方式进行位移的传递。
70.即参见图2、图6－图8，在即第一本体211和第二本体311之间设置滚动件40，主动模块20与从动模块30在相对的侧面分别设置凹槽，凹槽中设置滚动件40，以使得主动模块20与从动模块30滚动连接，使得两个面(即第一本体211和第二本体311)在接触运动过程中不产生滑动摩擦，这样对于延长整个机构的寿命与维护间隔具有巨大的促进作用。
71.具体的，提供的滚动件40有两种形式。
72.第一种：在主动模块20与从动模块30相对的侧面均设置凹槽，具体在第一本体211和第二本体311相对的侧面设置弧形滑槽，两个弧形滑槽相对设置形成截面呈圆形的滑道；这里的滚动件40为球形滚珠，滚珠有多个且均内置于滑道内。
73.这样即使第一本体211和第二本体311之间产生微小的相对运动，通过球形滚珠可以将摩擦降低到最小，降低摩擦带来的影响。
74.第二种：主动模块20与从动模块30相对的侧面均设置凹槽，具体在第一本体211和第二本体311相对的侧面设置v型滑槽，两个v型滑槽相对设置形成截面呈正方形的滑道；而滚动件40设置在滑道内且包括保持架41和设置在保持架41内的多个圆柱形滚子42，滚子42在保持架41内间隔设置；相邻两个滚子42的中心轴线垂直正交设置(即交叉滚柱)，这样交叉设置的滚子42能够同时接触v型滑槽的上下两个接触面。
75.当第一本体211和第二本体311产生相对运动时，滚子42能在保持架41中滚动，间隔设置且正交排布的滚子42在保持架41中滚动，能够同时接触v型滑槽的上下两个接触面；这样的设计结构相比于第一种，既能提高接触面积，保证位移力的稳定传导，又能使得滚动件40有更高的负载承受能力。
76.因此，通过采用本方案提供的以上结构，除了有利于提高光束孔的调节精度和重复度之外，提出的光束孔调节装置至少还具备有以下的优势特点。
77.优势一：本方案中将两组直线驱动机构平行放置，无需如传统的正交放置，从而解决了传统布局设置占用过多空间的问题；并且配合着第一柔性形变部21和第二柔性形变部31，使得平行放置两组直线驱动机构最终的运动却是两个正交方向的运动，并且可以实现解耦(单独动作)，两个方向不会相互影响，方便光束孔位置的调整。
78.优势二：将第一柔性形变部21和第二柔性形变部31相比于底座10悬空设置，相比于第一柔性形变部21与底座10接触、第二柔性形变部31与底座10接触的设置方式，能够完全杜绝第一柔性形变部与底座之间、第二柔性形变部与底座之间存在的滑动摩擦，使得整个机构能够用于洁净要求较高的环境(比如真空环境)。
79.优势三：第一柔性形变部21和第二柔性形变部31之间设置滚动件40，使得两个柔性形变部在接触运动过程中的接触面之间不产生滑动摩擦，即利用相对滚动的方案代替相对滑动的方案，延长整个机构的寿命与维护间隔，提高整个装置的定位精度。
80.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。