一种指向可调的激光发射光源及其调节方法与光学仪器

1.本发明属于光学仪器技术领域，具体为一种指向可调的激光发射光源及其调节方法与具有该光源的光学仪器。


背景技术：

2.随着科学技术的迅猛发展，激光测量技术应用也越来越广泛。激光雷达和激光跟踪仪等光学仪器在大型三维形貌测量、高精度姿态和距离测量技术中得到快速发展。此类仪器中经常会使用阵列激光发射光源作为光源，常规阵列激光发射光源往往为固定指向，如果需要调整指向，一般是通过将其置于转台机构上实现，但是这种方式只能实现阵列激光光源整体指向发生变化，关于阵列激光光源中单个激光发射模组相互之间指向夹角很难调整，进而导致相应激光雷达和激光跟踪仪难以应用在对单个激光发射模组指向夹角有特定要求的工况，通用性较差。


技术实现要素：

3.为了克服现有阵列激光光源中单个激光发射模组相互之间指向夹角难以调整的问题，本发明提供一种指向可调的激光发射光源及其调节方法与具有该光源的光学仪器，能够实现其中单个激光发射模组指向调整以及各个激光发射模组相互之间指向夹角快速调整，可以满足各种不同工况对光源的需求。
4.本发明的技术方案是：一种指向可调的激光发射光源，其特殊之处在于：包括壳体、位于壳体内的n个调整套筒、位于每个调整套筒内的激光发射模组以及与壳体配合的n组调整螺杆组件；其中n为大于等于1的整数；上述壳体顶部开设n个出光口；上述调整套筒为桶状，n个调整套筒排布在壳体内，且调整套筒底部通过球铰连接在壳体底部，调整套筒开口端与出光口一一对应，朝向出光口；上述激光发射模组固定安装在调整套筒内，且激光发射模组的光轴与调整套筒轴向中心线平行或重合，激光发射模组出光端朝向调整套筒开口端；每组调整螺杆组件与壳体配合实现每个激光发射模组二自由度指向调整；每组调整螺杆组件包括至少两个第一调整螺杆以及至少两个第二调整螺杆，两个第一调整螺杆一端分别穿过壳体侧壁，使得调整套筒位于两个第一调整螺杆之间，通过调整两个第一调整螺杆挤压调整套筒沿x向的两侧实现激光发射模组x向指向调整；上述两个第二调整螺杆一端分别穿过壳体侧壁，两个第二调整螺杆的端部分别与调整套筒沿y向的两侧接触，通过调整两个第二调整螺杆拧入壳体的长度实现激光发射模组y向指向调整。
5.进一步地，上述第一调整螺杆分为三段，依次分别为光轴段、锥轴段和螺纹轴段；每组调整螺杆组件中其中一个第一调整螺杆的光轴段从壳体第一侧壁穿过，与第
二侧壁连接，锥轴段位于壳体内部，螺纹轴段与壳体第一侧壁螺纹连接；每组调整螺杆组件中另一个第一调整螺杆的光轴段从壳体第二侧侧壁穿过，与第一侧壁连接，锥轴段位于壳体内部，螺纹轴段与壳体第二侧壁螺纹连接；每组调整螺杆组件中的两个第一调整螺杆配合使用，调整螺纹轴的拧入深度，锥轴段同向移动，挤压调整套筒相对两侧，实现激光发射模组x向指向调整。
6.进一步地，上述调整套筒设置有两条姿态调整棱边，上述姿态调整棱边固定在调整套筒相对两侧的外壁并沿调整套筒轴向延伸；每组调整螺杆组件中的两个第一调整螺杆配合使用，调整螺纹轴段的拧入深度，锥轴段同向移动挤压调整套筒相对两侧的姿态调整棱边，实现激光发射模组x向指向调整。
7.进一步地，上述球铰为球缺结构；上述壳体底部开设有n个与调整套筒一一对应的台阶孔；上述调整套筒底部安装在台阶孔大端，且与台阶孔大端孔壁之间具有间隙；上述球铰安装在上述台阶孔小端，球缺底面与调整套筒底部平面紧贴，利用螺钉将调整套筒和球铰固定；在外力作用下，球铰能够在台阶孔小端内转动。
8.进一步地，为了便于组装，上述壳体由三部分组成，分别为盖板、本体以及压板；上述盖板盖设在本体顶部，上述压板固定在本体底部；上述出光口开设在盖板上；上述n个调整套筒等间距排布在本体内；上述台阶孔开设在本体底部；上述压板上开设有与本体底部台阶孔小端一一匹配的通孔，与本体底部台阶孔小端配合形成球铰安装孔，球铰安装孔孔壁型面为第一球铰配合圆弧面，第一球铰配合圆弧面与球铰球面相适配；球铰安装在球铰安装孔内。
9.进一步地，上述球铰上与球缺底面相对的表面为平面。
10.进一步地，上述调整套筒设置有辅助安装法兰，用以指向调整完毕后，将调整套筒固定在壳体上；在本体的上端面设置有紧定螺纹孔，在姿态调整完毕后用紧定螺钉顶紧第一调整螺杆和第二调整螺杆。
11.为了进一步地保证激光发射模组与调整套筒同步运动，上述调整套筒设置有多处激光发射模组固定孔，通过激光发射模组固定孔注胶固定其内的激光发射模组；或通过紧定螺钉穿过激光发射模组固定孔压紧固定其内的激光发射模组；上述调整套筒设置有激光发射模组电源线通过孔。
12.本发明还提供一种上述的指向可调的激光发射光源的调节方法，其特殊之处在于，包括对任一激光发射模组进行x向指向调整和/或y向指向调整；其中x向指向调整包括以下步骤：步骤a1、打开壳体顶部；步骤a2、将该激光发射模组对应的同一组调整螺杆组件内的两个第二调整螺杆往外旋动至第二调整螺杆与调整套筒接触面脱离；步骤a3、调整该激光发射模组对应的同一组调整螺杆组件内两个第一调整螺杆同时同向移动，实现该激光发射模组的x向指向调整；步骤a4、判断该激光发射模组的x向指向是否达到设定要求，若是则执行步骤a5，否则，返回步骤a3；步骤a5、调整两个第二调整螺杆同时移动顶紧调整套筒，安装壳体顶部；
其中y向指向调整包括以下步骤：步骤b1、打开壳体顶部；步骤b2、将该激光发射模组对应的同一组调整螺杆组件内的两个第一调整螺杆往外旋动至第一调整螺杆与调整套筒接触面脱离；步骤b3、调整该激光发射模组对应的同一组调整螺杆组件内的两个第二调整螺杆同时反向旋动，实现该激光发射模组的y向指向调整；步骤b4、判断该激光发射模组的y向指向是否达到设定要求，若是则执行步骤b5，否则，将该激光发射模组(3)对应的同一组调整螺杆组件内的两个第一调整螺杆(6) 继续往外旋动，返回步骤b3；步骤b5、调整两个第一调整螺杆同时移动靠紧调整套筒，安装壳体顶部。
13.本发明还提供一种具有上述指向可调的激光发射光源的光学仪器。
14.本发明的有益效果是：1、本发明将各个激光模组固定在调整套筒内，基于调整螺杆组件调整调整套筒的位姿，通过调整套筒带动激光模组，实现各个激光模组指向调整，使得调整结构更为简单，且对激光模组的性能影响较小。
15.2、本发明调整套筒底部通过高精度球铰连接在壳体底部，调整套筒与球铰配合对激光模组姿态约束，确保指向调整的稳定性以及精确性。
16.3、本发明通过调整第二调整螺杆对顶，可快速实现姿态调整；通过调整第一调整螺杆挤压调整套筒的姿态调整棱边实现姿态调整；两种调整方式均在同侧完成，非常便于操作；最终通过辅助安装法兰及紧定螺钉固定调整套筒姿态，有利于调整姿态后的稳定性。
17.4、本发明在调整套筒上增设姿态调整棱边，第一调整螺杆与姿态调整棱边配合，可以更加更灵活的调整调整套筒的姿态。
附图说明
18.图1 为实施例指向可调的激光发射光源的三维结构示意图；图2 为实施例指向可调的激光发射光源的剖视图；图3 为实施例指向可调的激光发射光源（隐藏盖板）的俯视图；图4a为实施例指向可调的激光发射光源中第一调整螺杆的主视图；图4b为实施例指向可调的激光发射光源中第一调整螺杆的右视图；图5a为实施例指向可调的激光发射光源中调整套筒的立体图；图5b为实施例指向可调的激光发射光源中调整套筒的仰视图；图6a为实施例指向可调的激光发射光源中本体的轴测图；图6b为实施例指向可调的激光发射光源中本体的剖视图；图7为实施例指向可调的激光发射光源中压板结构示意图；图8 为实施例指向可调的激光发射光源中球铰结构示意图；图中附图标记为：1、壳体；11、第一侧壁；12、第二侧壁；13、台阶孔大端；14、台阶孔小端；15、激光发射模组电源线通过孔；2、调整套筒；21、姿态调整棱边；22、辅助安装法兰；221、辅助安装孔；23、激光发射模组固定孔；24、激光发射模组安装孔；25、第一螺纹孔；3、激光发射模组；4、出
光口；5、球铰；51、球缺底面；52、固定螺纹通孔；53、沉孔；54、球弧面；6、第一调整螺杆；61、光轴段；62、锥轴段；63、螺纹轴段；631、调整工艺槽；7、第二调整螺杆；8、压板；81、通孔；811、第一球铰配合圆弧面；82、法兰；821、法兰安装孔；9、盖板；10、本体；100、第二球铰配合圆弧面；101、第一调整螺杆配合螺孔；102、第一调整螺杆配合光孔；103、第二调整螺杆配合螺孔；104、螺钉；105、固定螺钉；106、紧定螺纹孔；107、第二螺纹孔；108、孔槽。
具体实施方式
19.以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
20.结合图1、图2和图3，可以看出，本实施例指向可调的激光发射光源包括壳体1；在壳体1顶部开设7个出光口4，7个出光口4沿壳体1长度方向排布；在壳体1内沿壳体1长度方向等间距设置与出光口4一一对应的7个桶状的调整套筒2，且调整套筒2底部通过球铰5连接在壳体1底部，调整套筒2开口端朝向出光口4；在每个调整套筒2内安装有激光发射模组3，且激光发射模组3的光轴与调整套筒2轴向中心线平行或重合，激光发射模组3出光端朝向出光口4，激光光束从出光口4出射；该指向可调的激光发射光源还包括与各个调整套筒2一一对应的7组调整螺杆组件，7组调整螺杆组件穿过壳体1侧壁，与调整套筒2接触，通过调整调整螺杆组件，即可调整各个调整套筒2的姿态，进而实现各个激光发射模组3指向调整。本实施例中，壳体为立方体壳体，可将壳体的长度方向定义为x方向，壳体的宽度方向定义为y方向。每组调整螺杆组件包括两个第一调整螺杆6以及两个第二调整螺杆7，两个第一调整螺杆6一端分别穿过壳体1侧壁，使得调整套筒2位于两个第一调整螺杆6之间，两个第一调整螺杆6的中段与调整套筒2沿x向的两侧接触，通过调整两个第一调整螺杆6挤压调整套筒2实现激光发射模组3的x向指向调整；两个第二调整螺杆7一端分别穿过壳体1侧壁，两个第二调整螺杆7的端部分别与调整套筒2沿y向的两侧接触，通过调整两个第二调整螺杆7拧入壳体1的长度实现激光发射模组3的y向指向调整。其他实施例中，调整套筒2的数量可以根据实际需求进行调整。当然，每组调整螺杆组件中第一调整螺杆6和第二调整螺杆7的数量也可以根据实际需求进行调整，如可以通过四个第一调整螺杆6挤压调整套筒2实现激光发射模组3的x向指向调整；两个第一调整螺杆6一端分别穿过壳体1侧壁，中段与调整套筒2上端相对两侧接触，另外两个第一调整螺杆6一端分别穿过壳体1侧壁，中段与调整套筒2下端相对两侧接触，通过调整这四个第一调整螺杆6挤压调整套筒2实现激光发射模组3x向指向调整。同理，每组调整螺杆组件也可以包括四个第二调整螺杆7，通过调整四个第二调整螺杆7挤压调整套筒2实现激光发射模组3的y向指向调整。
21.具体的，第一调整螺杆6的结构，如图4a所示，设置为三段，依次为光轴段61、锥轴段62和螺纹轴段63。结合图3可以看出，每一调整螺杆组件中的其中一个第一调整螺杆6的光轴段61从壳体1第一侧壁11穿过，与第二侧壁12连接，锥轴段62位于壳体1内部，螺纹轴段63与壳体1第一侧壁11螺纹连接；每组调整螺杆组件中另一个第一调整螺杆6的光轴段61从壳体1第二侧壁12穿过，与第一侧壁11连接，锥轴段62位于壳体1内部，螺纹轴段63与壳体1第二侧壁12螺纹连接。每一调整螺杆组件中两个第一调整螺杆6的锥轴段62小端是相对的，通过调整两个第一调整螺杆6螺纹轴段63的拧入深度，锥轴段62同向移动挤压调整套筒2相对两侧，实现激光发射模组3的x向指向调整。为了便于调整第一调整螺杆6螺纹轴段63的拧入深度，如图4b所示，在螺纹轴段63的端部设置有调整工艺槽631。
22.从图3、图5a及图5b中可以看出，调整套筒2设置有与激光发射模组3尺寸适配的激光发射模组安装孔24；激光发射模组3同轴安装在激光发射模组安装孔24内；为了确保激光发射模组3与调整套筒2同步移动，可将激光发射模组3完全固定在激光发射模组安装孔24内，具体可以通过胶粘或者通过螺钉固定，那么对应的，需要在调整套筒2上开设多处激光发射模组固定孔23，可通过向该孔注胶固定其内的激光发射模组3或是通过紧定螺钉压紧固定其内的激光发射模组3。另外，为了更灵活的调整调整套筒2的姿态，在调整套筒2相对两侧的侧壁上设置有姿态调整棱边21，姿态调整棱边21固定在调整套筒2外壁并沿调整套筒2轴向延伸，用于与第一调整螺杆6的锥轴段62配合进行姿态调整，如图3所示，当调整两个第一调整螺杆6螺纹轴段63的拧入深度，锥轴段62同向移动挤压调整套筒2的姿态调整棱边21，实现激光发射模组3的x向指向调整。还可以在调整套筒2靠近底部的位置设有辅助安装法兰22，在辅助安装法兰22上开设辅助安装孔221，用以姿态调整完毕后，与壳体1进行定位；相对应的，在壳体1的底部设有调整套筒2安装孔，辅助安装法兰22与孔端面配合，固定调整套筒2，后续会结合图6a和图6b进行详细描述。在调整套筒2上还开设有激光发射模组电源线通过孔15，便于通过激光发射模组3的电源线；从图5b还可以看出，在调整套筒2的底部还设置有与球铰5连接的第一螺纹孔25，用以姿态调整时自由度约束。
23.从图1到图3可以看出，本实施例指向可调的激光发射光源中的壳体1，为立方体，在其他实施例中，还可以选用正方体壳体、菱形壳体等结构形式。为了便于组装，本实施例壳体1由三部分构成，如图2所示，分别为盖板9、本体10以及压板8；盖板9盖设在本体10顶部，出光口4开设在盖板9上；7个调整套筒2等间距排布在本体10内，压板8固定在本体10底部。
24.如图6b所示，本体10底部开设有7个与调整套筒2一一对应的台阶孔；台阶孔大端13用于安放调整套筒2，台阶孔大端13的孔径大于调整套筒2底部的外径，姿态调整时，调整套筒2底部能够在台阶孔大端13内晃动。姿态调整完毕后，辅助安装法兰22搭接在台阶孔大端13端面，通过固定螺钉105固定调整套筒2（参见图3）。台阶孔小端14为约束球铰5的圆弧孔，其内壁为与球铰5球弧面54配合的圆弧面（参见图8）。在本体10侧壁上还开设有第一调整螺杆配合螺孔101、第一调整螺杆配合光孔102及第二调整螺杆配合螺孔103，图6a中指示出了与同一组调整螺杆组件配合的螺孔或光孔，如图中所示的两个第一调整螺杆配合光孔102，即为与同一组调整螺杆组件中两个第一调整螺杆6光轴段61配合的第一调整螺杆配合光孔102；图中所示的两个第一调整螺杆配合螺孔101，即为与同一组调整螺杆组件中两个第一调整螺杆6螺纹轴段63配合的第一调整螺杆配合螺孔101；图中所示的两个第二调整螺杆配合螺孔103，即为与同一组调整螺杆组件中两个第二调整螺杆7配合的第二调整螺杆配合螺孔103。在本体10的上端面还可以设置有紧定螺纹孔106，可在姿态调整完毕后用紧定螺钉顶紧第一调整螺杆6和第二调整螺杆7，避免第一调整螺杆6和第二调整螺杆7与本体10侧壁配合的螺纹松动，进一步提高姿态调整后的稳定性。在本体10的上端面还设置有与盖板9配合固定的第二螺纹孔107；在底部还设有与压板8配合安装的螺纹孔；在侧壁上还设置有激光发射模组3电源线引出的孔槽108。
25.如图7所示，压板8上开设与本体10底部台阶孔小端14一一匹配的通孔81，与本体10底部台阶孔小端14配合形成球铰5的安装孔，球铰5的安装孔孔壁型面与球铰5球面相适配，如附图标记811和100所示，为球铰配合圆弧面。另外，还可以在压板8上设置与外部配合
安装的法兰82，法兰82上开设法兰安装孔821，基于该法兰82可将整个激光发射光源固定在相应光学系统上。
26.本实施例球铰5可以为球缺结构，也可以为如图8所示的具有两个平面的不完整球形结构，也就是将球缺底面51相对的表面也设为平面，沿球缺轴向设置有与调整套筒2连接用的固定螺纹通孔52和避免干涉的沉孔53。结合图2，球铰5安装在球铰安装孔内，其底面与位于台阶孔大端13内的调整套筒2底部平面紧贴，利用螺钉104将调整套筒2和球铰5连接，在外力作用下，球铰5能够在球铰安装孔内转动。
27.本实施例的指向可调的激光发射光源可通过下述过程组装：1）将激光发射模组3放入调整套筒2并固定，可以通过向调整套筒2上的激光发射模组固定孔23上顶丝或螺钉固定，或是注胶将激光模组粘接调整套筒2内；2）将调整套筒2安装在本体10的台阶孔大端13内，在本体10的台阶孔小端14内放入球铰5，并通过螺钉104将球铰5与调整套筒2连接；3）通过螺钉将压板8与本体10连接，并确保通孔81与台阶孔小端14配合，使得球铰5整个位于通孔81与台阶孔小端14所形成的球铰安装孔内，确保调整套筒2可以绕球铰5的球心转动；4）从本体10的第一侧壁11和第二侧壁12对向安装两个第二调整螺杆7，确保两个第二调整螺杆7顶紧调整套筒2且使调整套筒2居于y向正中位置；从本体10的第一侧壁11和第二侧壁12对向安装两个第一调整螺杆6，确保螺纹轴段63与光轴段61均和本体10相应侧壁连接，且锥轴段62均靠紧调整套筒2的姿态调整棱边21位置；5）可通过辅助安装法兰22以及固定螺钉105将调整套筒2与本体10固定，安装盖板9，至此完成装配。
28.根据现场需求，需要对任一激光发射模组3进行y向调整时，可通过下述过程实现：1）将盖板9取下；2）将激光发射模组3对应的固定螺钉105适当松动，然后将该激光发射模组3对应的同一组调整螺杆组件内的两个第一调整螺杆6适当往外旋动，使得锥轴段62与姿态调整棱边21接触面稍微脱离即可；3）通过调整该激光发射模组3对应的同一组调整螺杆组件内的两个第二调整螺杆7同时反向旋动，比如螺纹连接在第一侧壁11的第二调整螺杆7往外旋出，螺纹连接在第二侧壁12的第二调整螺杆7往内旋紧，即可实现该激光发射模组3的y向指向调整；4）若调整量不够，增加固定螺钉105以及两个第一调整螺杆6的松动量，再重复步骤3）进行调整；5）调整完毕后，调整两个第一调整螺杆6同时向内旋动靠紧调整套筒2，上紧固定螺钉105，安装盖板9。
29.根据现场需求，需要对任一激光发射模组3进行x向调整时，可通过下述过程实现：1）将盖板9取下；2）将激光发射模组3对应的固定螺钉105适当松动，然后将该激光发射模组3对应的同一组调整螺杆组件内的两个第二调整螺杆7略微往外旋动，使得第二调整螺杆7与调整套筒2接触面稍微脱离即可；3）通过调整该激光发射模组3对应的同一组调整螺杆组件内两个第一调整螺杆6
同时反向旋动，比如螺纹连接在第一侧壁11的第一调整螺杆6往外旋出，螺纹连接在第二侧壁12的第一调整螺杆6往内旋紧，即可实现该激光发射模组3的x向指向调整；在整个调整过程中，需要确保两个第一调整螺杆6的锥轴段的锥面均紧贴调整套筒2的姿态调整棱边21；4）若调整量不够，增加固定螺钉105的松动量，然后再重复3）；5）调整完毕后，调整两个第二调整螺杆7同时向内旋动顶紧调整套筒2，上紧固定螺钉105，安装盖板9。