光学系统新玩法：多轴笼式结构将高端科研仪器集成化变成可能

光电汇 · 发表于 2021-5-20 22:49:12

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文 / 刘书钢博士，锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司董事长

高端科研仪器集成化的基本核心是采用标准件，实现定制和非标仪器系统的搭建（2018年由黑龙江大学刘书钢教授与中国科学院大学史祎诗教授共同提出），图1就是集成化仪器的一个典型案例。

图1采用标准件的形式，搭建出一台科研测量级别的偏振光方向检测仪，采用了黑龙江大学的发明专利（ZL410117147.9）技术。搭建的系统具有简洁、有基准、稳定，可以实现整个系统一体化等优点。（图中光学机械件全部由锐光凯奇提供）

该系统的全部零件通过钨钢笼杠连接成为一体，对外界环境的影响能够减少到最小，这使得高端仪器集成化成为可能。而目前业界还基本完成不了整个系统的集成化功能，仅仅可以提供子系统（全部系统中的一个部分）。

高端科研仪器集成化由于技术门槛比较高，目前还未在公开报道中报道了国内外企业可以实现这个功能，作者希望通过此文以飨读者，与同行交流。

光学系统的搭建基础是什么

光学系统的构成其实是一个典型的光、机、电+控制的组合，下边分别简单介绍。

1.基本光学元件的功能
组成仪器系统的基本光学元件如图2所示，可以大致分为透镜、棱镜、反射镜、滤光片、偏振片、衰减片、物镜、光源、传感器、光谱仪（可以归结到传感器，由于它的功能性比较强，单独列出）等等。

图2 仪器系统中使用的基本的光学元件

2.什么是光学调整架
光学调整架是光学机械的俗称，可以用来固定任何光学元件的机械结构。有历史记载最早的光学调整架可以追溯到十三世纪中期，英国学者培根想发明一种工具来帮助人们提高视力。

一天雨后，培根来到花园散步，看到蜘蛛网上沾了不少水珠，他发现透过水珠看树叶，叶脉放大了不少，甚至连树叶上细细的毛都能看得见。因此受到了启发，他找了一颗玻璃球，但透过玻璃球看书上的文字，还是模糊不清。

他又找来一块金刚石，设法将金刚石割出一块，拿着这片薄片靠近书一看，文字果然放大了，实验成功了。随后他在一块木片上挖出一个圆洞，将玻璃球片装上去，再安上一根柄，人们阅读就方便多了。

培根使用固定玻璃球的木片就是早期的光学机械。光学系统中的每个光学元件都离不开光学机械固定，光学机械的产品历史已经接近1000年。

所以任何固定光学元件的产品，都是光学调整架（有调节功能的称为调整架、没有调整功能的叫固定架，但是目前都x i惯称为调整架）。它是仪器系统中重要的组成部分，解决各类光学元器件的装卡（夹持、固定）和调整，如图3所示：

图3 常见的光学调整架

目前这种光学调整架已经使用了很多年，没有本质上的创新，即使在国内外顶级的一些科研院所依然还在被使用。

3、光学系统的搭建基础是什么？
光学系统（Optical System）是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。通常用来成像或做光学信息处理，可以实现各种检测。

曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射（或反射）球面组成的光学系统称为共轴球面系统，曲率中心所在的那条直线称为光轴。我们可以简单地理解为两个以上的光学元件组合使用，就构成了光学系统。

在光学平台上搭建光学系统时，光轴是以光学平台为基准参考。目前传统的每一个单独调整架与光学平台是有参考基准的，但是系统中两个调整架之间无基准系统，这是搭建光学系统的困难所在，通过观看视频1可以了解到细节。

另外这种老式的光学调整架还面临一些实际问题。比如，调整架一旦固定在光学平台上，除了高度可以调节之外前后左右都不能移动调整，如图4b，尽管出现了很多调节装置如图4a。

图4 （左）调整架的各种调节结构，（右）固定后不能在移动

从图4不难看出，调整是非常的不方便。总结出一句话就是，老式的光学机械是无基准系统，而且无法判断系统中元件之间的共轴误差，很难搭建出符合设计要求的系统，这就是新型的光学机械——笼式结构出现的原始动力应运而生。

新一代的光学机械出现——笼式结构

德国Linos公司在1960年前后提出了笼式结构的雏形，命名为Microbench，于1990年推向市场，如图5所示。

图5 Linos的固定光轴高度40 mm

Linos的Microbench的基本理念：光轴是以光学平台为基准。从图5中可以发现，系统中的元件利用机械加工的精度，保证了同轴，是有基准系统的。2000年以前，Linos公司在市场中都是一枝独秀，非常受欢迎。但是Linos的笼式结构也有其局限性：这种结构的光轴高度只有40 mm，用户在使用该结构时，会受到限制。

在欧洲的光电展上作者了解到，有很多用户和Linos公司工作人员反映过光轴高度40 mm过低的问题，包括作者本人也是反映了多次。需求是最大的创新动力，美国Thorlabs（索雷博）公司在2000年以后推出了自己的笼式结构，使用支杆把系统调整到用户所需要的高度，如图6。

图6 索雷博解决光轴高度的方案

索雷博的这一方案立即受到客户青睐，并一步步占领了欧美市场，推出了更多高端系统。

图7 Linos的解决方案（光轴高度提高到100 mm）

2008年左右，Linos公司推出了100 mm光轴高度的解决方案，如图7所示。他们通过使用一根80 mm以上的螺栓固定，然而该方案却没有得到用户认可，就此石沉大海。

2015年前后，索雷博的笼式结构已经成为了骨架结构产品。Newport、Edmund、西格玛、台湾的匠心等公司也都陆续推出了各自的笼式结构。

但是用户在笼式结构应用中仍然会发现一些问题。比如，当光线需要二次转折时，会受到很大限制，只能使用固定长度，但是无法调节长度；光路不能实现任意角度的旋转，如图8所示；

图8 （左）转折的光路长度受限，无法调节；（右）光路无法实现任意角度转

另外，在光学平台上搭建光学系统时，光轴是以光学平台为基准参考的。图5是Linos的典型例子，光轴、笼杆和光学平台是平行的，是有基准的。接下来通过图9分析一下国外某知名公司的基准。

图9 某知名国外公司笼式结构系统基准分析

图9中的实例是使用了某国外知名公司三根支杆实现了系统的光轴高度可调整，可以看出，光轴与笼杆是平行的，但是与光学平台没有确切的关系，也就是说这种笼式结构是无基准系统，与Linos的结构是不一样的，这是其暂时没有解决的问题。

综上所述，传统笼式结构存在以下问题：

光路二次转折尺寸受到限制；
不能实现任意角度的转折；
整个系统不能实现一体化；
由于笼杆与立方体或45度转折结构采用螺纹连接，**降低精度。

1996年作者在英国诺丁汉大学攻读博士学位期间，第一次接触到Linos的笼式结构，被它的简洁和方便所吸引，开始了使用笼式结构的生涯。在一个EPSRC项目中，和台湾攻读博士的庄沁融一起搭建系统，为了把系统必须置于狭小的空间内，采用了二层笼式结构，如图10所示。

图10 多轴笼式结构的雏形

利用双光轴解决了空间的问题，但是使用起来非常不便，而且上下两层互相干涉。当时想如果能设计成一体的就好了，但是加工是个问题。在2000年以前，诺丁汉大学教授Matt Clark曾尝试自己加工笼式结构件，由于加工的精度等诸多原因没能成功，后续也没有再进行尝试工作。

2001年作者在西安光机所熊望娥研究员的帮助下，终于完成了多轴笼式结构的设计，第一张工程图纸如图11所示：

图11 最初的多轴笼式结构设计图纸

经过反复的仔细考虑，多轴笼式结构可以有三个光轴，其高度为40 mm、70 mm和100 mm，这三种光轴高度基本上满足了大多数光学系统的需求。图12是作者在现场和工程师一起讨论加工的工艺问题。

图12 和工程师现场讨论工艺问题

由于作者当时还在英国诺丁汉大学有教学和科研任务，加工的几个多轴笼式零件只能满足在自己实验室搭建系统时使用，没有能力完成全套系统的开发。

直到2010年，作者全职回到国内参加教学和科研工作时，在黑龙江大学的大力支持下，具备了研发条件和加工能力，利用研究生团队加快了多轴笼式结构的研发，并且申请了实用新型专利和发明专利。多轴笼式结构得到国家专利局发明专利授权，从纵向光轴的数量到横向光轴的数量都得到了保护，图13左（9孔），授权专利号为ZL201410117147.9。

图13 多轴笼式结构最初的样品

目前，多轴笼式结构已在锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司产业化，基本的结构件如图14所示：

图14 多轴笼式结构的基本构件

多轴笼式结构的特点

1、多轴笼式结构可以独立使用
锐光凯奇的多轴笼式结构可以独立使用，而传统笼式结构要和传统的支杆连用，如图15：

图15 （左）多轴可以独立使用（右）不能单独使用

2、通过笼杆实现两个元件构成的光学系统
对于两个以上光学元件构成的光学系统，使用笼杆可以把它们连接起来，如图16（1）所示：

图16（1）多轴笼式结构的两个元件构成的系统

多轴系统中的光轴和光学平台表面平行，元件的中心也是在光轴的中心，前后的距离调整起来非常方便。图16（2）是传统笼式结构使用两个元件构成的系统，这种固定方式光轴和笼杆平行，但与光学平台不是基准关系，读者可以慢慢体会两者的区别。

图16（2）无基准笼式结构的基本使用方法

3、光线的直角转折零件与笼杆连接方式
在搭建光学系统时，有时候直线的光路由于太长或者其它特殊的原因，需要直角转折（特殊角度的转折后面会单独介绍）。以直角光学转折为例，图17a是目前市场上的笼式结构直角转折角转折，笼杆采用了螺纹的方式和转接件连接，精度不高；当需要转折后再转折的时候，长度是固定尺寸，而且还需要特殊的辅助件才能实现，很非常不方便。

图17b是多轴笼式结构的直角转折，不难看出与目前笼式结构的直角转折的区别，笼孔是通孔，定位精度非常高，两个直角转折件之间的距离可以任意调整，一般还是建议在平台螺纹孔的位置，因为是25的倍数，便于固定。如图17b平板上的两个螺钉，这个件看似简单，却起到了非常重要的作用，是一体化的重要基础件，会通过实例介绍它的应用价值。

图17 （a）笼式结构的转折，（b）多轴笼式结构的转折

4、不同尺寸的笼式结构联合使用
一般情况下，搭建的光学系统，为了满足设计需求，会混合使用各种尺寸的光学元件。为了满足各种尺寸光学元件的安装使用，索雷博推出了16 mm、30 mm和60 mm的笼式结构，如图18所示。

图18 不同尺寸的笼式结构联用结构

而多轴笼式结构，可以将不同尺寸的光学元件集成混用。图19是一个不同笼式结构尺寸16 mm、30 mm和60 mm混合使用的情况：

图19 多轴笼式结构下不同尺寸的联用结构

使用多轴笼式结构实现高端科研仪器集成化

以上内容简单介绍了多轴笼式结构的发展历史，了解到多轴笼式结构有单轴、双轴、三轴之分，x i惯上称为单孔、双孔和三孔支撑，光轴是有基准（光学平台）系统，光轴的高度可以按照系统的需求选择40 mm、70 mm和100 mm，或者是定制的光轴高度。

多轴笼式结构是唯一可以实现光轴任意角度的转折，而且可以实现系统的一体化，具有基准的特点使得完整仪器的集成化成为可能。

图20是一个高度集成化的一个典型例子，是锐光凯奇研发的综合仪器演示系统，其中集成了透射和反射的空间光调制器、一个DMD的衍射系统、一个纳米控制精度的白光干涉仪和一个利用SLM实现移相干涉仪、还有一套矢量偏振光的测量系统，全部集成到600x300的一块光学面包板上。