精密对准光路的光学瞄准仪及其制造方法 技术领域：
本发明涉及光学瞄准仪，特别是一种精密对准光路的光学瞄准仪及其制造方法。
背景技术：
光学瞄准仪已广泛地用在光纤通信网络、系统及装置上，以瞄准光纤所发射出的光，为了在自由空间、各种型式的光学装置中，形成大致上平行的光束，特别是非集成光学装置中，包含例如光开关、隔离器、衰减器、分波器及组波器。瞄准仪执行了一个防止过量介入损失的重要功能，由于光束在这些光学装置自由空间中的分散。
图1表示一个传统的具有渐变折射率透镜(graded index)(GRIN)瞄准仪的侧视断面图，供瞄准由一光纤所发送出来的光束。在图1中，一段光纤(2)具有一个端部(4)连接在一个毛细管(6)上，该毛细管(6)具有折射率n1。该毛细管(6)传统上系为一圆柱形，具有一个中心轴(8)。在一个传统的具有渐变折射率透镜(12)的瞄准仪中，该毛细管(6)传统上系具有一个端表面(10)，该端表面(10)系倾斜稍微偏离法线至该中心轴(8)的角度，以防止该光纤(2)所接收的进来光束回到该光纤(2)的总反射。该渐变折射率透镜(12)传统上也具有一个圆柱形中心定在该中心轴(8)处，及一个端表面(14)与该毛细管(6)的端表面(10)相对。
在一个传统地瞄准仪中，该渐变折射率透镜(12)的端表面(14)也是倾斜稍微偏离法线至该中心轴(8)的角度。一个间隙(16)传统上是制设在该毛细管(6)的端表面(10)与该渐变折射率透镜(12)的端表面(14)之间，譬如，这两个端表面可以倾斜约8°偏离法线至该中心轴(8)的角度，使得两个端表面大致上彼此平行。
在一个传统的瞄准仪中，该间隙(16)通常是充填有气体，例如空气，该气体具有折射率n2。而该渐变折射率透镜(12)具有折射率n3。在一个传统的瞄准仪中，具有一个渐变折射率透镜(12)，该渐变折射率透镜(12)的折射率n3传统上不同于该毛细管(6)的折射率n1，因为它们是由不同的材料所制成。因为在该毛细管(6)端表面(10)处折射率n1与折射率n2之间，及在该渐变折射率透镜(12)的端表面(14)处折射率n2与折射率n3之间都有差异，进来的光束沿着该中心轴(8)进到该毛细管(6)，当该光束位于该渐变折射率透镜(12)时，相对于该中心轴(8)通常都会偏离该中心轴(8)一个角度偏差α。
该毛细管(6)及该渐变折射率透镜(12)两者均为一个圆柱形的金属套(18)所包围，例如该金属套(18)可以是由金色板状的不锈钢材料制成，具有一个内表面(20)及一个外表面(22)，其中心都是聚集在该中心轴(8)处。依据瞄准仪的构造，可以在该金属套(18)的内表面(20)与该毛细管(6)及该渐变折射率透镜(12)的侧壁之间提供一层或多层同心圆柱形保护材料层。因为在制造传统的瞄准仪过程中种种的变化，例如图1所示的情形，毛细管(6)和渐变折射率(GRIN)透镜(12)的倾斜端表面(10)、(14)角度稍微变化，该输出光束(24)相对于瞄准仪中心轴(8)的角度偏差α，就可能会造成不可预期的结果。
再者，因为该圆柱形的瞄准仪可能因不可预期地转动，当将它组装到一个光学装置上时，瞄准仪发射出来的输出光束(24)的方向甚至是更不可预期。此外，进来的光束从光纤(2)进入到瞄准仪的毛细管(6)，可能不是完全地对准该瞄准仪的中心轴(8)，所以，除了相对于瞄准仪中心轴(8)的角度偏差α外，也会产生一个平移偏位Δ。其他过程的变化，例如渐变折射率透镜规格的公差也可能造成瞄准仪的输出光束(24)方向的不可预期性。
当传统的瞄准仪，例如图1所示且如上述所示，将它组装到一个光学装置上时，其中至少有些光束需要在自由空间各瞄准仪之间行进，在不同的瞄准仪之间对准光束可能非常的困难且浪费时间。各瞄准仪发射出来光束的平移偏位及角度偏差经常是不可预期的，与使用透镜的型式没有关系，例如传统的渐变折射率透镜、球型透镜或C型透镜，即使是用严格规格也无法预期。一个传统的瞄准仪的输出光束通常具有一个非常小的点尺寸，例如其直径为200μm。所以，即使一个小的偏位或偏差都可能造成光学装置中瞄准仪之间的光路对不准。
图2表示一个传统非整合式光学装置的简单断面图，例如其可以是一个光学开关，一个隔离器，一个衰减器、一个分波器或一个组波器，具有两个瞄准仪(26)、(28)作为是该装置的光口。一个光学装置元件(30)可以位移地定位在该两个瞄准仪(26)、(28)之间。譬如，如果光学装置是一个光学开关的话，该光学装置元件(30)可以是一个棱镜或镜子，或如果光学装置是一个隔离器或一个衰减器的话，该光学装置元件(30)可以是一个隔离器或一个衰减器元件。该光学装置传统上具有一金属包装壳(32)，供包围该光学装置元件(30)。图2中，该两个瞄准仪(26)、(28)均系各别固设在该金属包装壳(32)的侧壁(34)、(36)处。该两个瞄准仪(26)、(28)可以用环氧树脂粘着、利用锡软焊或利用激光焊接技术固定。
在一个传统非整合式的光学装置中，例如一个多口光学开关，该两个瞄准仪(26)、(28)可以放置在彼此距离很远的地方，具有一个以厘米测量的距离。在一个多口光学装置中，不同瞄准仪之间的距离使得瞄准仪之间的光学对准甚至更加的困难。在一个光学装置内，光束在自由空间中行进，通常具有一个非常狭小的束宽，会产生一个带有高斯分布(Garssiandistribution)的光点，该点面积的外面带有几乎看不到非常低的光位准。一个接收的瞄准仪可能不能收集到足够的光能，即使它只是稍微的没有对准一个发送瞄准仪发散出来光束的光路，都将导致各光学信号的巨大损失。
各瞄准仪的对准利用尝试法(trial and error)在一个传统的非整合式的光学装置中，也许可以达到，虽然已明白这么一个处理方式相当的耗费人力。在一个多口(multi-port)光学装置中，例如一个M×N光学开关，使用尝试法处理对准的问题会更加的吃力，在各瞄准仪之间必须精密对准很多不同组合光路，通过各种不同组合的光学开关元件，例如倾斜的镜子或棱镜。该问题与光学对准组合在一起成为目前传统的非整合式多口光学开关生产的高成本及耗费时间的重大原因。
再者，当将各种瞄准仪固设到传统光学装置的包装壳上，不管是否利用环氧树脂粘着、利用锡软焊或利用激光焊接，当进行粘着、软焊或焊接瞄准仪到光学装置的包装壳上时，组合专家可能需要持续地调整各瞄准仪的方向。在传统粘着或软焊的技术过程中由于种种的变化，最后可能也都会影响到该各瞄准仪的光学对准。譬如，环氧树脂粘着通常要花很多的时间去修补，且在修补过程中，该环氧树脂粘胶可能会稍微的变形，该环氧树脂粘胶应用之后即会造成各瞄准仪方向错误。如果各瞄准仪是使用锡软焊而软焊到光学装置的包装壳上时，各瞄准仪的对准利用加热、冷却及凝固环绕在各瞄准仪金属套周围的焊接剂可能会有不利的影响。
在一个光学装置中，为了帮助各瞄准仪的对准，以弥补各光路的平移偏位及角度偏差效果，已建议瞄准仪对准使用一激光源、一光检测器及一个理想软件用在电脑上的完美技术。譬如，一激光源(图上未示)可以连接到一个输入光纤(38)上，该输入光纤(38)是连接到图2中的第一瞄准仪(26)处，而一光检测器(图上未示)可以连接到一个输出光纤(40)上，该输出光纤(40)是连接到第二瞄准仪(28)处。
该激光源提供一个光束，该光束是从瞄准仪(26)发射出来沿着一个光路(42)进入到自由空间中，该光路(42)相对于该第一瞄准仪(26)的中心轴(43)具有一个平移偏位及一个角度偏差。该第一瞄准仪(26)最初可以固设在该光学装置包装壳(32)的侧壁(34)处，而第二瞄准仪(28)最初则可移动，如此其即可沿着该第一瞄准仪(26)发射出来的光束在该光学装置内部行进抵达该光路(42)，容许该连接在第二瞄准仪(28)处的光检测器检测出光束。如果该第二瞄准仪(28)能够从该光束接收到一些光能的话，该电脑执行该理想完美的软件，理论上至少可以找到一个适合的位置及方向，供该第二瞄准仪(28)去接收第一瞄准仪(26)发射出来的光束。
不过，实际上，该第二瞄准仪(28)必须要能够幸运的找到一个最初的位置及方向，以容许它在第一个位置接收到至少可检测量的光能，因为该瞄准光束沿着该光路(42)行进可能仅能产生一个小的光点，譬如具有一个直径和200μm一样小。该光束所产生的光点沿着该光路(42)传统上具有一种高斯分布，在该点面积外只有非常低的能量密度。如果连接到该第二瞄准仪(28)的光检测器在第一个位置不能检测出该光束，对于电脑理想完美的软件试图寻找该第二瞄准仪(28)的适当位置及方向以接收该光束将无所助益。所以，即使有电脑理想完美软件的帮助，供在光学装置中不同的瞄准仪之间光路的对准，吾人仍需要利用尝试法调整各瞄准仪的位置及方向，在电脑能够建立最初资料点去执行理想完美的软件找寻适当对准解决方案之前，以获得至少一个粗糙的对准。
传统光学对准技术所造成的人力密集及低生产力，经常是高成本制造非整合式光学装置的主要原因。再者，在多口光学装置中，例如M×N光学开关，精密对准光路需要取得每对输入与输出瞄准仪的每个可开关组合。用手动调整该瞄准仪以获得精密光学的对准，并在瞄准仪和光学元件之间提供需要的足够间隔，例如棱镜或镜子在一个光学开关的状态下，即可容许那般调整该各瞄准仪。手动调整该瞄准仪需要使用传统光学的对准技术，使得它很难生产一种在瞄准仪与光学元件之间具有闭合间隔的小巧非整合式的光学装置。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有瞄准仪的不足，提供一种精密对准光路的光学瞄准仪及其制造方法，该光学瞄准仪安装到一光学装置上后，不用调整，即具有精密对准的光路。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学瞄准仪，其特征在于包括一透镜，该透镜的中心位于该瞄准仪的轴线上，其外包覆有一外套，该外套具有一外圆柱形表面，其中心与该瞄准仪的出射光束同心。
所述的外套是一金属外套。
还包含一毛细管，定位于所述透镜邻近处。
还包含一光纤部，并与该毛细管相连。
所述的透镜为一渐变折射率透镜。
所述的透镜为一C型透镜。
所述的透镜是一球形透镜。
还包含一光学元件定位于所述透镜附近。
所述的光学元件是一过滤器。
所述的的光学元件是一隔离器。
所述的外套具有一内圆柱形表面，其中心定位于该瞄准仪的轴线上，该外套包围着一瞄准光的装置；该瞄准光的装置可以是一透镜。
还包含一光学元件，定位邻近于该瞄准光的装置。
该光学元件是过滤器或隔离器。
一种用于上述光学瞄准仪的加工装置，该装置包括：
一空气轴承的内气缸为一外环带所环绕，该外环带被固定，该内气缸和该外环带之间为可填充加压空气的间隙，该内气缸下轴端连接一轮子，一马达通过一皮带带动该轮子驱动该内气缸围绕一稳定的轴承轴而高速转动；
一钻石切削刀安装在内气缸上，该切削刀具有一精密的垂直的切削缘；
一可调支座供安装待加工的光学瞄准仪，该支座可相对于稳定的轴承轴进行平移调整和角度调整；
一光源，通过一光纤将光源的激光束输入待加工的光学瞄准仪的输入端；
一光感测器定位在一滑臂上，该滑臂套在一导轨上，可沿该导轨纵向地位移，该导轨平行于轴承轴，该光感测器用于检测所述光学瞄准仪的光点影像，由一电脑处理器处理后显示在一显示器上。
所述的光感测器是一电荷耦合装置照像机。
利用该加工装置对光学瞄准仪的外套筒进行加工的方法，包括下列步骤：
①.将待加工的光学瞄准仪沿轴承轴方向安装在可调支座上；使待加工的光学瞄准仪的中心轴线与轴承轴一致；
②.将与光源相连的光纤的另一端与光学瞄准仪的输入端相连；
③.利用滑臂在导轨上纵向移位，确定在第一纵向位置Z1，利用电荷耦合器件CCD照像机检测出相应的光点的第一中心位置(X1、Y1)，经电脑处理后在显示器上显示(X1、Y1)，确定在第二纵向位置Z2，利用电荷耦合装置照像机检测出相应的光点的第二中心位置(X2、Y2)，并在显示器上显示(X2、Y2)；利用电脑计算出：
两中心位置之间的距离：
D＝[(X2-X1)2+(Y2-Y1)2]1/2 (1)
第二纵向位置与第一纵向位置之间的纵向距离：
Z=Z2-Z1·---(2)]]>
角度偏差：
α＝tg-1 D/Z (3)
④.将待加工的光学瞄准仪以其输入端的圆心为轴旋转一角度α，并作平移使光学瞄准仪输出端的光路与轴承轴的方向一致且重合；
⑤.移开电荷耦合装置照相机；
⑥.根据光学瞄准仪外套的外径要求确定钻石切削刀在内气缸上的安装位置，使该切削刀具有精确的垂直的切削缘；
⑦.启动马达，驱动内气缸和切削刀高速旋转，对光学瞄准仪的外套进行高速切削，以去除外套筒多余部位，形成外套筒新的外圆柱形表面；
⑧.加工完毕后，该外套的外圆柱形表面的中心线与该光学瞄准仪的输出光路同心。
本发明的技术效果是：依据本发明实施例制作的瞄准仪，具有一个外圆柱形表面，其中心是定在一轴上，该轴与该瞄准仪发射出来的光路一致，能够容易的安装到一个光学装置上，而无需进一步调整光学装置中瞄准仪的位置或方向。再者，制作各种型式光学装置所需的时间及人工成本能够大大地降低，只要使用本发明的加工装置和加工方法，即可制作出本发明的精密对准光路的光学瞄准仪，所以，在光学装置制造中的生产效力大为提高。
附图说明：
图1是习用具有一个透镜瞄准仪透镜的侧视剖面图。
图2是习用光学装置简单剖面图。
图3是本发明外套加工前具有一个渐变折射率透镜的瞄准仪剖面图，显示除去一部份外套以成型为外圆柱形表面，其系与本发明实施例瞄准仪发射出来的光路同心。
图4是具有一个C型透镜的瞄准仪的剖面图。
图5是具有一个球型透镜的瞄准仪的剖面图。
图6是一具有空气轴承及钻石刀的装置实施例的剖视图，供切削本发明实施例图3至图5的瞄准仪。
图7是含有显示装置的切削装置的结构示意图。
图8A～8B是显示图7电荷耦合装置照像机在一横向平面座标上两个不同纵向位置所检测出各光点的影像图。
图9是显示各光点在图8A～8B中重叠在相同平面座标上的中心位置(X1、Y1)、(X2、Y2)。
图10是显示角度偏差α相对于各光点的平面中心位置(X1、Y1)、(X2、Y2)及电荷耦合装置照像机移动纵向距离Z的关系示意图。
图11是表示图6的切削装置除去瞄准仪一部分外套的进刀示意图。
图12表示图11的切削装置除去瞄准仪另一部分外套，的进刀示意图。
图13是已加工完成的具有一个渐变折射率透镜的瞄准仪成品剖面图。
图14是已完成加工的具有一个C型透镜的瞄准仪成品的剖面图。
图15是已完成加工的具有一个C型透镜的瞄准仪成品的剖面图。
图16是切削装置的另一个实施例，供定出具有三个棱镜及电荷耦合装置照像机的瞄准仪发射出来的光束的偏位及偏差。
图17是已完成的具有一个额外的光学元件的瞄准仪组合体剖面图，例如一个过滤器或一个隔离器，在该瞄准仪的透镜输出处。
具体实施方式：
图3是本发明瞄准仪加工前的剖面图，包含有一个渐变折射率(gradedindex)(GRIN)透镜(50)、一毛细管(52)系定位在邻近该透镜(50)处，以传送光至该透镜(50)、一光纤部(54)连接到该毛细管(52)，以传送光至该毛细管(52)，及一外金属套(56)包围该瞄准仪透镜(50)与毛细管(52)。该渐变折射率透镜(50)及毛细管(52)都具有圆柱形的侧壁(58)、(60)，两者的中心都定在同一几何轴(62)处。该金属套(56)具有一个圆柱形的内表面(64)，其与该渐变折射率透镜(50)及毛细管(52)同心，所以中心也是定在该瞄准仪轴线(62)处。
根据一个瞄准仪的特殊构造，该金属套(56)的内表面(64)可以是个别地直接接触该渐变折射率透镜(50)及毛细管(52)的侧壁(58)、(60)。反之，在该渐变折射率透镜(50)及毛细管(52)的侧壁(58)、(60)与该金属套(56)的内表面(64)之间，也可以熟于此项技艺的人士所容易了解的方式提供一个玻璃的同心层(图上未示)。一个中间同心层是否提供在该金属套(56)的内表面(64)与该瞄准仪透镜(50)及毛细管(52)的侧壁(58)、(60)之间，本发明并非必要。
如图3所示，该毛细管(52)具有一个端表面(66)，该端表面(66)倾斜偏离一个法线至该瞄准仪轴(62)的角度，以防止从光纤部(54)进来的光为该端表面(66)所接收的光反射而回到该光纤部(54)。同样地，该渐变折射率透镜(50)也具有一个端表面(68)相对于该毛细管(52)的端表面(66)，且倾斜偏离一个法线至该瞄准仪轴(62)的角度。而在该毛细管(52)的端表面(66)与该渐变折射率透镜(50)的端表面(68)之间则成型有一间隙(70)。
该渐变折射率透镜(50)发送出来的输出光束进入到自由空间中，经常会偏离该瞄准仪轴(62)，即使是从该光纤部(54)进来的光束，进入到该毛细管(52)最初是对准该瞄准仪轴(62)也是一样，因为该毛细管(52)、间隙(70)中的空气或气体及渐变折射率透镜(50)分别都具有不同的折射率n1、n2、n3。折射率及该毛细管(52)与渐变折射率透镜(50)的倾斜表面(66)、(68)的差异，使该渐变折射率透镜(50)发射出来的输出光束可沿着一个光路(72)行进，该光路(72)相对于该瞄准仪轴(62)具有一个角度偏差α。
依据本发明的实施例，该瞄准仪的金属套(56)是切削成型为外圆柱形表面，该外圆柱形表面的中心是定位在一个轴上，该轴与该输出光路(72)同心，该瞄准仪的渐变折射率透镜(50)发射出来的输出光束进入到自由空间中，相对于该瞄准仪轴(62)具有一个平移偏位Δ及一个角度偏差α。传统的金属套(56)具有一个圆柱形的外表面(74)，该圆柱形的外表面(74)大致上与该内表面(64)同心，虽然该外表面(74)可能不是完全地圆柱形，由于在该瞄准仪最初制造过程的种种变化，但是在加工制作成本发明的实施例的前中心乃是定在该瞄准仪轴(62)处。在切削制作过程之前，该外表面(74)最初是否为圆柱形，本发明并不挑剔。
依据本发明的实施例，该金属套(56)所示的外部(76)、(78)被除去是沿着图3中虚线(80)、(82)，以成型为外圆柱形表面。如虚线(80)、(82)所示的外圆柱形表面系与该瞄准仪的渐变折射率透镜(50)发射出来的输出光束同心。换句话说，该虚线(80)、(82)所示的外圆柱表面的中心是定位在一个轴上，该轴系与该输出光路(72)同心，该输出光路(72)乃沿着该渐变折射率透镜(50)发散出来的输出光束中心在自由空间中行进。因为该输出光路(72)相对于该瞄准仪轴(62)具有一个平移偏位Δ及一个角度偏差α，该虚线(80)、(82)所示外圆柱形表面的中心轴也是根据该平移偏位Δ及该角度偏差α而从该瞄准仪轴(62)位移。
在图3中，该金属套(56)所示的外部(76)、(78)被除去以成型为如虚线(80)、(82)所示的外圆柱形表面，相对于各虚线参考线(84)、 (86)具有一个平移偏位Δ及一个角度偏差α。该虚线参考线(84)、(86)最初可以任意的选择，而设置在距离该瞄准仪轴(62)相等距离处，这些选择的参考线提供以后即可容许除去足够的该金属套(56)外部(76)、(78)，以成型为外圆柱形表面，该外圆柱形表面系与该输出光路(72)同心，惟避免过度的去除该金属套(56)。
图4是与图3瞄准仪的基本相同，所不同的是图3中该渐变折射率透镜(50)乃取代以一个具有弧形瞄准表面(90)的C型透镜(88)。图5是与图3瞄准仪的基本相同，不同的是所述的透镜是一个半球型透镜(92)。这些型式瞄准仪的外金属套(56)可以切削制作，使成型为外圆柱形表面，以如上所述关于图3相同的方式弥补该各光路平移偏位及角度偏差。
具有其他型式的透镜或其他光学结构的瞄准仪也能够切削制作，以相同的方式弥补可能的平移偏位及角度偏差。在各个瞄准仪的外套被加工制作之后，成型为外圆柱形表面，该外圆柱形表面的中心定位在一个轴上，该轴系与该瞄准仪发射出来的输出光路一致，该瞄准仪易于安装到一个光学装置上，以获得精密的对准光路，而不需要更进一步调整各个瞄准仪的位置或方向，以弥补在传统准过程中需要浪费时及密集的人力进行该平移偏位及该角度偏差的调整。
对于一个传统的瞄准仪而言，该平移偏位及该角度偏差通常都很小。如上所述图3至图5中，该平移偏位Δ及该角度偏差α为了显示起见，可能较为夸张。不过，实际上，即使是一个小的平移偏位及一个小的角度偏差，在一个传统的对准过程中可能都会造成很大的困难。所以，在图3至图5中除去该金属套(56)的外部(76)、(78)必须达到非常精密。而且相对于该瞄准仪轴(62)，该输出光路(72)的该平移偏位Δ及该角度偏差α必须量得非常的精密，取代利用尝试法(trial and error)在该金属套(56)被切削制作成型为外圆柱形表面之前，以弥补该平移偏位及该角度偏差。
图6是一具有空气轴承和钻石刀装置的实施例剖视图，供切削制作一个瞄准仪的外金属套，使成型为外圆柱形表面，俾弥补一个平移偏位及一个角度偏差。在这个实施例中，一个空气轴承(100)能绕一个稳定的轴承轴(102)而转动。该空气轴承(100)具有一个非常高的转速，譬如大约每分钟10000转(rpm)，具有一个非常高度的轴向稳定度。在一传统的空气轴承中，该内气缸(104)系为一外环带(106)所环绕，而没有直接的接触。该内气缸(104)乃是利用充填有加压空气或气体的一个间隙(108)来与该外环带(106)分隔。该加压空气可以由一个高压空气供应器(110)来供应，例如一个空气泵浦或一个加压空气瓶。
在图6所示的实施例中，该空气轴承(100)的外环带(106)系被固定，而该内气缸(104)是转动的。在本实施例中，一马达(112)，例如一个步进马达，驱动该内气缸(104)以一高速转动。在图6所示的实施例中，该空气轴承(100)的内气缸(104)连接到一个轮子(114)上，该轮子(114)由连接到该马达(112)的皮带(116)所驱动。该空气轴承(100)的驱动机构，对本发明而言并不挑剔，只要该空气轴承(100)在转动时，需保持一个非常高的轴向稳定度即可。
在图6所示的实施例中，提供一个刀具(118)在该空气轴承(100)的内气缸(104)上，以切削该瞄准仪(120)一部份的金属套，使成型为所希望的外圆柱形表面，该外圆柱形表面与该瞄准仪(120)发射出来的输出光路同心。因为一个传统瞄准仪的金属套基本上系由一种硬材料所制成，例如不锈钢，理应了解，该刀具(118)得用一高稳定度及高精密度切削该金属套。在这一实施例中，该刀具(118)是一种钻石刀，具有一精密的直的切削缘，供用以切削该金属套的外部。该钻石切削刀(118)系附设在该空气轴承(100)上，得利用绕该轴承轴(102)转动具有一个非常高度的稳定性切削该金属套的外部，因为该空气轴承(100)的内气缸(104)具有一个非常高度的同心度得以高速绕该轴承轴(102)转动。
图7是含有显示装置的切削装置实施例的剖视图，在利用图6的装置切削制作该瞄准仪(120)的金属套之前，用以定出一传统的瞄准仪其输出光路的平移偏位及角度偏差。在图7中，该钻石切削刀(118)系附设在该空气轴承(100)上，提供一个高度稳定的轴承轴(102)，该轴承轴(102)即被用来当作是该平移偏位及该角度偏差定位的参考。
该瞄准仪(120)系紧固在一个可调整的支座(122)上，该可调整的支座(122)能够平移调整及角度调整。该可调整的支座(122)可精密的调整，或是手动或利用自动控制器，在平移或角度的位移中非常精密地移动该瞄准仪(120)。该瞄准仪(120)是连接到一个光源(124)上，例如一个激光源发射出所希望波长的激光束，通过一根光纤(126)，例如一个单一型态的纤维。该光源(124)发射一光束通过该瞄准仪(120)，沿着该瞄准仪(120)发射出来的输出光路(128)产生一个光点。依据该光纤系统所使用的波长光谱，其中该瞄准仪(120)系补充进来，该光源(124)可以是一个激光源，该激光源以那光谱的中央波长发射出一个激光束。譬如，一个传统的光纤通信网路可以利用红外线光谱，大约1300nm及1550nm的波长。
在该实施例中，一个光感测器，例如一个电荷耦合装置照像机(130)，系提供用以检测该光源(124)沿着该轴承轴(102)通过该瞄准仪(120)在两个不同的纵向位置Z1、Z2时所产生的光点。在图7所示的实施例中，该电荷耦合装置照像机(130)系定位在一滑臂(132)上，该滑臂(132)可沿着一导轨(134)纵向地位移。在这个实施例中，该导轨(134)系平行于该空气轴承(100)的轴承轴(102)，容许该电荷耦合装置照像机(130)在检测该光点的各影像时仅在纵向方向位移。
在该实施例中，该瞄准仪(120)所产生的光点影像，为该电荷耦合装置照像机(130)所检测出，且为一电脑处理器(136)所抓住，显示在一显示器(138)上，例如一电脑显示屏。该电脑处理器(136)可以利用一个分界面连接到电荷耦合装置照像机(130)。该电荷耦合装置照像机(130)最初是定位在一个第一预定的纵向位置Z1处，以容许该电脑处理器(136)在一个横向平面座标上，例如图8所示的笛卡尔座标(X、Y)，去抓到该光点的第一影像。该光点(140)的影像，传统上具有一个大致如圆形或椭圆形，如图8所示，参照具有一个X轴及一个Y轴的笛卡尔座标系显示在图7中该电脑显示屏(138)上。根据如图8a所示该光点(140)的影像，当该电荷耦合装置照像机(130)在如图7所示的第一纵向位置Z1时，该电脑定出了该光点(140)的一个第一中心点(X1、Y1)。
该电荷耦合装置照像机(130)从第一纵向位置Z1位移到第二纵向位置Z2已经纵向地位移了Z的距离之后，如图7所示，该光点(142)的第二影像，如图8b所示，即会被该电脑处理器(136)所抓住，且显示在该显示屏(138)上。根据这个影像，该电脑即会在如图8a所示相同的横向平面笛卡尔座标上定出如图8b所示该光点(142)的第二中心点(X2、Y2)。如果该瞄准仪(120)发射出来的输出光路(128)，如图7所示，相对于该空气轴承(100)的轴承轴(102)具有一个角度偏差，当该电荷耦合装置照像机(130)在第二纵向位置Z2时，该光点(142)的第二中心位置(X2、Y2)将不同于当该电荷耦合装置照像机(130)在第一纵向位置Z1时，该光点(140)的第一中心位置(X1、Y1)。
为了弥补该瞄准仪(120)发射出来的输出光束可能的平移偏位，除了该角度偏差之外，笛卡尔座标的原点即当作是该各光点中心点的参考，如图8a和图8b所示，可以放置在如图7所示沿着该空气轴承(100)的轴承轴(102)的预定点处。在该实施例中，在该轴承轴(102)上选择任意点当作是一个绝对参考点，当作是该电荷耦合装置照像机(130)的第一纵向位置Z1。调整该电荷耦合装置照像机(130)的中心点符合该在轴承轴(102)上被选择当作是绝对参考点的点为止。该电荷耦合装置照像机(130)已经聚集在沿着该轴承轴(102)的那个点之后，该电荷耦合装置照像机(130)的横向位置系被固设在该滑臂(132)上，且大致上仅能够平行于该导轨(134)纵向地位移。
当移动该电荷耦合装置照像机(130)，从第一纵向位置Z1到第二纵向位置Z2时，该横向平面笛卡尔座标的原点相对于该轴承轴(102)不会改变。如果一个角度偏差存在于该瞄准仪(120)发射出来的光束中，当该电荷耦合装置照像机(130)在第二纵向位置Z2时，在该横向笛卡尔座标上该光点的中心位置，将不同于当该电荷耦合装置照像机(130)在第一纵向位置Z1时在相同座标上该光点的中心位置。该电荷耦合装置照像机(130)在两个纵向位置的各光点的中心点为电脑取得之后，如图9所示，该电脑可以将该两个中心点重叠在电脑显示幕上的笛卡尔座标上。该两个中心点之间的横向距离D即是[(X2-X1)2+(Y2-Y1)2]1/2。
图10系显示该输出光束在一个三度空间笛卡尔座标(X、Y、Z)上相对于横向距离D及纵向距离Z的角度偏差关系。在图10中，第一中心点(X1、Y1)与第二中心点(X2、Y2)均同于那些在图9中显示者。该垂直位移Z是如图7所示，该电荷耦合装置照像机(130)第一纵向位置Z1及第二纵向位置Z2之间的距离。请再参阅图10，该角度偏差α能够从该光点的第一及第二中心点之间的横向距离D取得，而纵向距离Z则依据下列的关系：α＝arctanD/Z。此角度偏差可以利用该处理器(136)来自动地计算。反之，该由电荷耦合装置照像机(130)在第一纵向位置Z1及第二纵向位置Z2所取得的各光点影像，如图8a及图8b所示，可以在显示幕(138)上抓到，供操作者去计算该角度偏差。
取得如图8a至图8b所示的光点各中心位置之后，且角度偏差α取决于图7中瞄准仪(120)的输出光路，可调整紧固于瞄准仪(120)的该支座(122)，直到该电荷耦合装置照像机(130)所检测出的光点聚集在横向笛卡尔座标(X、Y)的原点为止。移动该可调整的支座(122)可以用手动精密的转动或利用已定出该角度偏差α的电脑处理器(136)自动地控制。
如果图7中瞄准仪(120)发射出来的光束出现的只是一个平移偏位而无角度偏差，该可调整的支座(122)仅需横向地移动，直到该电荷耦合装置照像机(130)所检测出的光点聚集在横向笛卡尔座标(X、Y)的原点为止，所以，该输出光路(128)的中心轴即可对准该空气轴承(100)的轴承轴(102)。如果该瞄准仪(120)发射出来的输出光束出现的只是一个角度偏差而无平移偏位，紧固着该瞄准仪(120)的可调整的支座(122)则必须作角度的转动，直到该电荷耦合装置照像机(130)所检测出的光点聚集在横向笛卡尔座标(X、Y)的原点为止。
如果该瞄准仪(120)发射出来的输出光束平移偏位和角度偏差两者都出现，就需要横向及角度地都来移动该可调整的支座(122)，直到该电荷耦合装置照像机(130)所检测出的光点聚集在横向笛卡尔座标(X、Y)的原点为止。在任何的这些情节中，该输出光路沿着该瞄准仪(120)发射出来的输出光束在自由空间中行进，是对准该空气轴承(100)的轴承轴(102)。当该电荷耦合装置照像机(130)在轴承轴(102)上时即进行对准，与该电荷耦合装置照像机(130)的纵向位置没有关系。在光点的检测及抓到的过程中，定出角度偏差，及移动该可调整的支座(122)即可使得光对准该轴承轴(102)即可高度稳定的提供一绝对的参考当作是横向平面笛卡尔座标(X、Y)的原点。
为了精密地对准该输出光路与该空气轴承(100)的轴承轴(102)，已经调整该瞄准仪(120)的位置及方向之后，即可从该瞄准仪(120)的输出光路去除该电荷耦合装置照像机(130)。将紧固着该瞄准仪(120)的可调整的支座(122)纵向地移向该刀具(118)，该刀具(118)系附设在该转动的空气轴承(100)处，即可除去该瞄准仪(120)的一部份金属套(144)，以弥补根据图3该输出光路的平移偏位Δ及角度偏差α。为了确保精密的除去该金属套(144)的外部而无变形，在该实施例中该刀具(118)是一钻石刀，具有一直的切削缘(119)，以制造出外圆柱形表面，该外圆柱形表面系与该输出光束同心。
图11是显示该切削装置具有一钻石切削刀(118)，当其除去瞄准仪(120)金属套(144)的部份(146)其系附设在该空气轴承(100)的转动内气缸(104)上。同理，图12是显示当转动该钻石切削(118)至该瞄准仪(120)的另一侧时，即可除去该金属套(144)的另一部份(148)，除去该金属套(144)的部份(146)、(148)后，就可成型出如各线条(150)、(152)所示的外圆柱形表面，如图13所示。
在图13中，该利用位在瞄准仪(120)金属套(144)上的钻石切削刀(118)所切削成型的外圆柱形表面(150)、(152)，系与沿着该瞄准仪(120)发射出来的输出光束在自由空间中行进的光路(154)同心，相对于该瞄准仪(120)的轴(62)，乃具有一平移偏位Δ及一角度偏差α。换句话说，该金属套(144)的外圆柱形表面(150)、(152)中心是聚集于一轴，该轴乃根据该平移偏位Δ及该角度偏差α从该瞄准仪(120)的轴(62)被位移。
在图11中，该钻石切削刀(118)的切削缘(119)位置相对于该轴承轴(102)是定在如图3所示虚线参考线(84)、(86)处，避免过度的切削该金属套(144)，而另一方面则确保成型有足够大的外圆柱形表面，供容易的安装到一光学装置上。如图13所示，该瞄准仪(120)外金属套(144)加工制成的表面(150)、(152)系准备利用一传统的技术予以安装到一光学装置上，譬如激光熔接，如此一来该瞄准仪(120)透镜发射出来的输出光束沿着该光路(154)系与该外圆柱形表面(150)、(152)所定中心的轴一致。
图13表示一完成的瞄准仪(120)产品，具有一渐变折射率透镜(160)及一毛细管(162)，为该金属套(144)所包围，该金属套(144)具有一外圆柱形表面(150)、(152)，其系与该渐变折射率透镜(160)发射出来的光束同心。图14表示一个同于图13的瞄准仪剖视图，具有一C型透镜(164)，该C型透镜(164)取代该层级透镜(160)。本发明的各个原理均适用于各式的瞄准仪，藉以弥补各光路可能的偏位或偏差，而与瞄准仪中各光学元件的特殊式或构造无关。
图16表示本发明的一个较佳实施例，供用以定出该瞄准仪(120)透镜发射出来输出光束的偏位或偏差，具有两个固定的电荷耦合装置照像机供用以检出各光点，取代如图7所示及如上所述的一个单一移动式电荷耦合装置照像机。在图16所示的实施例中，聚焦透镜(202)系定位在沿着该瞄准仪(120)透镜发散出来的输出光路(204)上。在这个实施例中，该空气轴承(100)的转动气缸(104)具有一个圆柱形的中空内部(206)，以容许光沿着输出光路(204)行进，通过该空气轴承(100)。在该实施例中，一全反射棱镜(208)系定位用以反射该已行进经过该空气轴承(100)转动气缸(104)中空内部(206)的光束到一待反射的光路(210)上。如图16所示，增加两个棱镜：一个是半反射棱镜(212)，一个是全反射棱镜(214)，均定位在沿着该光路(210)的路线上，用以反射该输出光束到各分光路(216)、(218)。该全反射棱镜(214)及半反射棱镜(212)均固定在相对于彼此及相对于该空气轴承(100)的位置处。
两个电荷耦合装置照像机(220)、(222)是定位用以检测沿该各反射输出光路(216)、(218)的光束。两个电荷耦合装置照像机(220)、(222)均被固定在相对于彼此及相对于半反射棱镜(212)与全反射棱镜(214)的空间中。在这个实施例中，两个电荷耦合装置照像机(220)、(222)均被连接到一电脑显示屏(224)，该电脑显示屏(224)其可将电荷耦合装置照像机(220)、(222)感测到的各个光点显示在一笛卡尔座标(X、Y)上。
如果该瞄准仪(120)发射出来的输出光路(204)是完全地对准该空气轴承(100)的中心轴(102)，由该两个电荷耦合装置照像机(220)、(222)所感测到的各个光点将都会聚集在该笛卡尔座标的原点处。如果该输出光路(204)相对于该空气轴承(100)的中心轴(102)具有一个平移偏位，由该两个电荷耦合装置照像机(220)、(222)所感测到的各个光点的中心将会偏离该笛卡尔座标的原点处。如果该输出光路(204)相对于该空气轴承(100)的中心轴(102)存在的是角度偏差，该显示幕(224)将会显示出由该两个电荷耦合装置照像机(220)、(222)所感测到的两个分开的光点。
在图16中，该电脑显示屏(224)显示了由该两个电荷耦合装置照像机(220)、(222)所检测出一个具有一个第一中心(228)的光点(226)及一个具有第二中心(232)的光点(230)，指出相对于该空气轴承(100)的中心轴(102)，两者在该输出光路(204)上存在有一个平移偏位及一个角度偏差。该各光点(226)、(230)的位置在该笛卡尔座标(X、Y)上，容许一电脑去定出该瞄准仪(120)的位置及方向需要作的适当调整，以对准该瞄准仪(120)发射出的输出光路(204)于该空气轴承(100)的中心轴(102)。
在该实施例中，紧固该瞄准仪(120)的支座板(122)得用精密的调整平移及角度地位移，使该输出光路(204)对准该空气轴承(100)的中心轴(102)。一旦该输出光路(204)对准该空气轴承(100)的中心轴(102)，由该两个电荷耦合装置照像机(220)、(222)所检测出的各光点将会彼此重叠，将会聚集在该电脑显示屏(224)上笛卡尔座标(X、Y)的原点处。
依据本发明实施例的方法，并不能用以限制该瞄准仪(120)本身的切削制作。传统上，是可以将一个额外的光学元件加到一个瞄准仪的输出上。该额外的光学元件可以是滤光器或光隔离器。一个瞄准仪组体具有一个额外的光学元件也可用相同的切削方式制作。在该实施例中，该额外的光学元件，例如过滤器或隔离器，被安装到该瞄准仪上以形成一个瞄准仪组体，是在该瞄准仪发射出的输出光路其偏位及偏差测量出之前。在这个实施例中，该瞄准仪组体的整个偏位及偏差，任何可能由于该额外的光学元件及偏差被测量出之后，即可将该瞄准仪的外金属套切削制作成所希望的外圆柱形表面。
图17是一个同图13的瞄准仪组合体，所不同的是还有一个额外的光学元件(240)，定位在该瞄准仪透镜(160)的输出处。这个额外的光学元件可以是过滤器或隔离器，或其他型式的光学装置。该瞄准仪的外金属套(144)是以如图13所示相同的方式切削成外圆柱形表面(150)、(152)。