一种调焦机构和激光装置的光学系统的制作方法

本实用新型专利涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种调焦机构和激光装置的光学系统。

背景技术：

激光是20世纪以来继核能、电脑和半导体之后，人类的又一重大实用新型，被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”，原子受激辐射的光，故名“激光”，为了达到某型单兵激光武器的技战术指标要求，需要一种能将平均功率为百瓦级的激光束聚焦到百米级范围内光学装置，并且结构小、重量轻，适合单兵手持操作，射击精度高。

现有的激光眩目枪的激光功率低和作用距离小，只能用于警示，现有的激光炮的激光功率高，但体积庞大，无法装备单兵，因此，需要设计一种能远距离传输、且体积小的光学装置，才能实现激光武器的单兵应用。

另外，现有光纤激光器输出激光经毁伤光学组件整形后的光束呈发散状态，由于激光能量的高斯分布，毁伤光斑的尺寸很难在远距离达到要求，光纤激光器的激光参数提升难度大，无法在短时间内将输出激光的发散角减小。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本实用新型公开了一种调焦机构和激光装置的光学系统，具备结构小和重量轻，精准控制，人机工效好等优点，解决了现有的激光眩目枪的激光功率低和作用距离小，只能用于警示，而现有的激光炮的激光功率高，但体积庞大，无法装备便携的问题。

对此，本实用新型采用的技术方案为：

一种调焦机构，其包括本体和调焦物镜，所述本体内设有调焦凸轮和调节槽，所述调焦凸轮连接调焦拨轮，所述调焦凸轮的底部设有弧形槽；调焦物镜位于调节槽的一侧，所述调节槽内设有调节滑杆，所述调焦物镜与调节滑杆连接，所述调节滑杆通过调节导销与调焦凸轮的弧形槽活动连接；通过调焦拨轮转动调焦凸轮，使其带动调节导销沿着弧形槽的轨迹进行左右移动，从而通过调节滑杆带动调焦物镜移动，达到调节发散角的效果。

进一步的，所述调节导销的一端伸入到弧形槽内。

进一步的，所述调焦凸轮位于调节槽的一侧。

作为本实用新型的进一步改进，所述弧形槽为螺旋形的变速曲线槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述弧形槽的曲线包括四段时间区间的运动曲线相互连接而成，其中前三段为曲率递增或递减变化的曲线，所述相邻的运动曲线通过弧线平滑过渡。

进一步的，所述四段时间区间的运动曲线为平面直角坐标系的四个象限。

进一步的，所述四段时间区间的运动曲线均为单调递增曲线或单调递减曲线。

作为本实用新型的进一步改进，每段运动曲线为通过至少两个单增形状函数合成得到的配合形状函数曲线，所述形状函数曲线包括g1(x)和g2(x)配合而成，所述g1(x)采用f1(u)函数表示，g2(x)采用f2(u)函数表示如下：

其中，f1(x/a)、f2((x-a)/(b-a))为连续函数，且均满足f(0)＝0和f(1)＝1；a、b、c、d均为常数；

g1(x)和g2(x)的配合系数λ为：λ＝am2(b-a)m1+am2(b)，其中m1为形状函数f1(u)末端的导数值，m2为形状函数f2(u)首端的导数值。

上述配合系数的推理如下：

对函数g1(x)和g2(x)进行求导，得：

若使两段曲线组成一条连续且光滑的曲线，则有：

g′1(a)＝g′2(a)(3)

将式(3)代入式(2)，整理得：

c/d＝af′2(0)/(b-a)f1(1)+af′2(0)(4)

凸轮机构从动件跃动曲线连续，一般情况下形状函数f1(u)和f2(u)一阶导数满足的边界条件为：

式中:m1———形状函数f1(u)末端的导数值；

m2———形状函数f2(u)首端的导数值。

将式(5)代入式(4)，整理得：

λ＝cd＝am2(b-a)m1+am2(6)

式中:λ———形状函数配合系数。

对于两个单调增加形状函数，只要满足式(5)，那么这两个形状函数可形成一对配合形状函数，这为运动曲线的合成带来便利。

作为本实用新型的进一步改进，所述调焦拨轮与调焦凸轮的凸轮轴连接，所述本体与所述凸轮轴形成的夹缝处设有密封盖。

作为本实用新型的进一步改进，所述调焦凸轮与密封盖形成的夹缝处设有旋转轴套；所述凸轮轴伸出主体，并通过旋转轴套与密封盖连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述调焦凸轮的底部设有与调节导销相对应的调节孔，所述调节导销的顶部设有与调节孔相对应的限位杆。

作为本实用新型的进一步改进，所述调节槽内设有滑轨座，所述滑轨座通过滑杆轴套与调节滑杆连接；所述滑杆轴套的内部均开设有与调节滑杆相对应的限位调节孔。

进一步的，所述滑杆轴套固定在主体内。

作为本实用新型的进一步改进，所述调焦物镜的底部固定连接有滑轨座，滑轨座的底部与调节滑杆活动连接，所述调焦物镜的底部设有固定螺纹钉，固定螺纹钉的底部固定连接有调节拨块，通过调节拨块，实现了调节距离的效果。

进一步的，所述旋转轴套与凸轮轴套接。

进一步的，所述调焦拨轮与凸轮轴套接。

进一步的，所述调焦拨轮的表面设有防滑纹。

进一步的，所述调焦凸轮的外侧的主体设有相对应的弧形外壳。

本实用新型还公开了一种激光装置的光学系统，其包括激光发射器、激光隔离器、电源模块和光学组件，所述电源模块与激光发射器连接，所述激光发射器与激光隔离器连接，所述激光隔离器位于光学组件的一侧；所述光学组件包括主体，所述壳体内设有调焦机构和透镜组，所述透镜组包括依次排列的第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜和第二正透镜，所述第一负透镜、第二负透镜连接构成调焦物镜，所述激光发射器发出的激光进过激光隔离器处理后，从第一负透镜射入，从第二正透镜射出；所述调焦机构采用如上任意一项所述的调焦机构。其中第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜和第二正透镜的中轴线在同一直线上。透镜组共四片，数量精简，既满足远距离汇聚，又兼顾成像质量。

进一步的，所述第一负透镜的直径小于第二负透镜的直径。第一正透镜和第二正透镜的直径大于第二负透镜的直径。所述第一正透镜的曲率大于第二正透镜的。

作为本实用新型的进一步改进，所述调焦物镜包括调焦支架，所述第一负透镜、第二负透镜固定在调焦支架的两侧，所述调焦支架与调节滑杆连接；所述第一正透镜和第二正透镜固定在壳体内；所述第一正透镜和第二正透镜贴合。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

第一，采用本实用新型的技术方案，通过激光隔离器发出的激光在本体内经过四次折射变换，激光束变成疏散角小且束腰半径大的适合远距离汇聚的激光束从本体前射出，调焦机构在光学组件本体中的位置可调，对激光束的兼容性好；经该装置变换后的激光束的饶蚀作用距离远、体积小和重量轻，适合手持操作，对战术级激光武器的研发有积极的推动作用。

第二，采用本实用新型的技术方案，通过透镜组和换挡机构即调焦机构实现了激光武器毁伤和干扰功能一体化和小型化；通过第一负透镜和第二负透镜增加了激光束腰半径，减小了离轴光束的畸变，通过第一正透镜和第二正透镜压缩了激光束的疏散角，减小了离轴光束的畸变；透镜组构成一套伽利略激光扩束结构型式的激光发射物镜，可以根据相关参数如激光的波长、激光的疏散角、激光的束腰、最大攻击距离和激光光斑的直径计算出激光发射物镜的放大倍数等，利用zemax光学软件计算出第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜和第二正透镜的参数，方便使用者使用。

第三，采用本实用新型的技术方案，通过设置了调焦凸轮，且调焦凸轮的底部均匀安装有调焦物镜，达到了可通过调节调焦拨轮带动调焦物镜达到调节发散角的效果，通过设置了调节拨块，达到了可调节距离的效果；通过设置了密封盖，达到了避免内部元件受到干扰的效果；通过设置了调焦拨轮的外表面开设有防滑纹，达到了便于调节的效果。

附图说明

图1是本实用新型一种调焦机构的结构示意图。

图2是本实用新型一种调焦机构的另一结构示意图。

图3是本实用新型一种调焦机构的结构正视图。

图4是本实用新型一种调焦机构的结构仰视图。

图5是本实用新型的调焦凸轮的弧形槽的形状函数曲线合成示意图。

图6本实用新型一种激光装置的光学系统的结构示意图。

图7本实用新型一种激光装置的光学系统的专利光路示意图。

附图标记包括：1-本体，2-调焦凸轮，3-调节槽，4-调焦拨轮，5-弧形槽，6-调焦物镜，7-调节滑杆，8-调节导销，9-凸轮轴，10-密封盖，11-旋转轴套，12-调节孔，14-滑轨座，15-滑杆轴套，16-限位调节孔，17-固定螺纹钉，18-调节拨块，19-调焦拨盘；

21-激光发射器，22-激光隔离器，23-电源模块，24-光学组件，25-第一负透镜，26-第二负透镜，27-第一正透镜，28-第二正透镜，29-调焦机构。

具体实施方式

下面对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

一种调焦机构，其包括本体1和调焦物镜6，所述本体1内设有调焦凸轮2和调节槽3，所述调焦凸轮2连接调焦拨轮4，所述调焦凸轮2的底部设有弧形槽5；调焦物镜6位于调节槽3的一侧，所述调节槽3内设有调节滑杆7，所述调焦物镜6与调节滑杆7连接，所述调节滑杆7通过调节导销8与调焦凸轮2的弧形槽5连接；通过调焦拨轮4转动调焦凸轮2，使其带动调节导销8沿着弧形槽5的轨迹进行左右移动，从而通过调节滑杆7带动调焦物镜6移动，达到调节发散角的效果。所述调节导销8的一端伸入到弧形槽5内。所述调焦凸轮2位于调节槽3的一侧。所述弧形槽5为螺旋形的变速曲线槽。

所述调焦拨轮4与调焦凸轮2的凸轮轴9连接，所述本体1与所述凸轮轴9形成的夹缝处设有密封盖10。设置密封盖10，达到了避免内部元件受到干扰的效果。所述调焦凸轮2与密封盖10形成的夹缝处设有旋转轴套11；所述凸轮轴9伸出主体，并通过旋转轴套11与密封盖10连接。进一步的，所述旋转轴套11与凸轮轴9套接，所述调焦拨轮4与凸轮轴9套接。

所述调焦凸轮2的底部设有与调节导销8相对应的调节孔12，所述调节导销8的顶部设有与调节孔12相对应的限位杆。所述调焦物镜6的底部固定连接有滑轨座14，所述滑轨座14通过滑杆轴套15与调节滑杆7连接；所述滑杆轴套15的内部均开设有与调节滑杆7相对应的限位调节孔16。限位杆和限位调节孔1612的配合能够使调节导销8与调焦物镜6相对应，使设备更精密。进一步的，所述滑杆轴套15固定在主体内，

所述滑轨座14的底部与调节滑杆7活动连接，所述调焦物镜6的底部设有固定螺纹钉17，固定螺纹钉17的底部固定连接有调节拨块18。通过调节拨块18，达到了可调节距离的效果。

本实施例中，调焦拨轮4、调焦凸轮2、调节滑杆7、调节导销8组成一套换挡机构，换挡机构控制调焦物镜6，实现变速调焦，结构紧凑。

进一步的，所述调焦拨轮4的表面设有防滑纹。在调焦拨轮4的表面设置防滑纹，达到了便于调节的作用。

本实施例中，调节导销8起到连接调焦凸轮2和调焦物镜6的作用，通过调节调焦拨轮4，带动调节导销8沿着调焦凸轮2设计的运动轨迹如图2所示调节调焦物镜6的位置达到调节发散角的效果，使设备更精密。

进一步的，所述弧形槽5的曲线包括四段时间区间的运动曲线相互连接而成，其中前三段为曲率递增或递减变化的曲线，所述相邻的运动曲线通过弧线平滑过渡。所述四段时间区间的运动曲线为平面直角坐标系的四个象限。所述四段时间区间的运动曲线均为单调递增曲线。

凸轮的运动轨迹以调焦凸轮2的从动件调节导销8的无量纲加速度曲线作为基底曲线，并划分四段时间区间的通用运动曲线，其中三段为加速度变化的时间区间，由单调形状函数表示。在形状函数曲线合成研究的基础上提出配合形状函数，对每个区间运动曲线之间的合成进行分析，获得连续且光滑的加速度合成曲线，并且求出各区间的通用运动曲线方程，满足调焦凸轮2从动件调节导销8运动规律设计。通过该曲线，可通过调整间隔的时间区间来控制曲线整体形状，也可以选择区间的函数类型来改变曲线的局部形状，适合安装空间小，并实现精度控制。

配合形状函数：

函数f(u)为定义在区间[0,1]的连续函数，不限定具有1阶或以上的连续性，且满足f(0)＝0和f(1)＝1两个条件，则该函数为形状函数。若f′(u)≥0，则该形状函数具有单调递增性质。如图4所示，设定两个区间的函数g1(x)和g2(x)分别由单增形状函数f1(u)和f2(u)表示：

对函数g1(x)和g2(x)进行求导,得:

若使两段曲线组成一条连续且光滑的曲线，则有：

g′1(a)＝g′2(a)(3)

将式(3)代入式(2)，整理得：

c/d＝af′2(0)/(b-a)f1(1)+af′2(0)(4)

凸轮机构从动件跃动曲线连续，一般情况下形状函数f1(u)和f2(u)一阶导数满足的边界条件为：

式中:m1——形状函数f1(u)末端的导数值；

m2——形状函数f2(u)首端的导数值。

将式(5)代入式(4)，整理得：

λ＝cd＝am2(b-a)m1+am2(6)

式中:λ——形状函数配合系数。

对于两个单调增加形状函数，只要满足式(5)，那么这两个形状函数可形成一对配合形状函数，这为运动曲线的合成带来便利。表1所示为本实用新型实施例可以采用的配合形状函数的列表，表中形状函数f1(u)和f2(u)之间可以任意组合配对，提高曲线合成的多样性，并且能够调整曲线局部形状。

表1配合形状函数

利用形状函数的配合关系，根据通用运动曲线模型中的每个区间曲线之间的关系及对运动曲线特征值推导出的结果，求出各个区间的通用跃动、加速度、速度和位移运动方程。

实施例2

如图5所示，一种便携式激光武器的光学系统，其包括激光发射器21、激光隔离器22、电源模块23和光学组件24，所述电源模块23与激光发射器21连接，所述激光发射器21与激光隔离器22连接，所述激光隔离器22位于光学组件24的一侧。所述光学组件24包括主体，所述壳体内设有调焦机构29和透镜组，如图6所示，所述透镜组包括依次排列的第一负透镜25、第二负透镜26、第一正透镜27和第二正透镜28，所述第一负透镜25、第二负透镜26连接构成调焦物镜6，所述激光发射器21发出的激光进过激光隔离器22处理后，从第一负透镜25射入，从第二正透镜28射出；所述调焦机构29采用实施例1的调焦机构。其中第一负透镜25、第二负透镜26、第一正透镜27和第二正透镜28的中轴线在同一直线上。

所述调焦物镜6包括调焦支架，所述第一负透镜25、第二负透镜26固定在调焦支架的两侧，所述调焦支架与调节滑杆7连接；所述第一正透镜27和第二正透镜28固定在壳体内；所述第一正透镜27和第二正透镜28贴合。进一步的，所述第一负透镜25的直径小于第二负透镜26的直径。第一正透镜27和第二正透镜28的直径大于第二负透镜26的直径。所述第一正透镜27的曲率大于第二正透镜28的。

实施例1中的本体1实际与主体连接，或者为主体的一部分。所述主体的内部左侧固定连接有第一正透镜27和第二正透镜28，所述主体在调焦机构的左侧内部固定连接有第二负透镜26，所述调焦机构的右侧内部固定连接有第一负透镜25，从而组成透镜组。所述主体的内部为空心腔，所述调焦机构位于空心腔内。所述调焦拨轮4与调焦拨盘19连接，所述调焦拨盘19位于主体的顶部。

通过转动调焦凸轮2可在凸轮轴9上旋转，从调节调焦物镜6的位置，从而有效的解决了光纤激光器的激光参数提升难度大，无法在短时间内将输出激光的发散角减小的问题。

本实施例的便携式激光武器的光学系统，通过激光隔离器22发出的激光在本体1内经过四次折射变换，激光束变成疏散角小且束腰半径大的适合远距离汇聚的激光束从本体1前射出，调焦机构在主体内的位置可调，通过调节调焦拨轮4带动调焦物镜6即调节第一负透镜25、第二负透镜26的位置，位置调节移动达到调节发散角的效果，通过设置了调节拨块18，达到了可调节距离的效果。

本实施例对激光束的兼容性好，该光学系统是单兵激光武器实现远距离饶蚀作用的核心部件，经该装置变换后的激光束的饶蚀作用距离远、体积小和重量轻，适合手持操作，对战术级激光武器的研发有积极的推动作用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。