一种零间隙光纤束耦合器对焦机构及对焦方法与流程

本发明属于光纤束耦合器领域，更具体地，涉及一种零间隙光纤束耦合器对焦机构及对焦方法。

背景技术：

在基于光纤束的共聚焦成像系统中，激光器发射激光，通过激光扫描装置和耦合物镜对光纤束的端面进行扫描，将激光聚焦后注入到光纤束的每一根纤芯中，每一根纤芯的直径大约为2-3微米。在光纤束的另一端，注入的激光通过微物镜聚焦在被观测物体上，被观测物体在注入激光的激发下发出荧光，荧光沿着同样的路径通过光纤束的纤芯返回，最终被探测器捕捉到并且成像。耦合物镜与光纤束之间需精确定位，微小的距离偏差即会引起成像质量的较大波动，所以对焦机构精确定位及稳定保持，对于保障系统正常工作尤为重要。

专利公开号为cn107065077a的中国专利公开了一种自动对焦定位的光纤束耦合器，包括耦合器插座，用于安装耦合器插头，插头具有定位头，与耦合器插座上的插头定位槽配合，可使得定位头的端面与连接套的对应平面配合，保证光纤束与连接套的轴线垂直；耦合器插头容纳光纤束，耦合器插座上与插头定位槽对应有物镜滑槽，耦合物镜接受控制在物镜滑槽上滑动，接收来自所述光纤束的信号，并将所述信号传输至共聚焦成像系统；通过判断耦合物镜与光纤束断面的相对位置关系，并且反馈控制耦合物镜的滑动，直至找到最佳耦合的位置从而实现自动对焦定位。

该专利的对焦装置使用步长小于1微米的电机，但是由于该电极为直线运动副，间隙较小，而耦合物镜的直线运动副间隙同样较小，电机与耦合物镜之间又是刚性连接，需要极其严格的装调才能保证电机和耦合物镜两个直线运动副的方向一致而不发生干涉，装调难度极大。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种零间隙光纤束耦合器对焦机构及对焦方法，其目的在于解决现有技术中耦合物镜装调难度大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种零间隙光纤束耦合器对焦机构，包括光纤束耦合器和共聚焦探头，所述光纤束耦合器包括底座、连接套、物镜套和耦合物镜，所述共聚焦探头包括插头座、插头套和光纤束，所述底座的上端面沿所述物镜套的轴线方向滑移设置有滑台，所述滑台与所述物镜套之间连接有弹性件，所述弹性件包括有刚性连接端和柔性连接端，所述弹性件的刚性连接端与所述滑台之间为刚性连接，所述弹性件的柔性连接端与所述物镜套之间为刚性连接，所述弹性件处于拉伸状态，以使其柔性连接端与所述滑台之间为柔性接触。

通过上述技术方案，耦合物镜的运动与滑台的运动之间通过弹性件连接，弹性件的柔性接触端与滑台之间柔性接触，可避免两者运动轴线方向不一致时导致的运动干涉，使得整个对焦机构的轴向间隙接近于零，实现精准地耦合，且在振动干扰的情况下仍可保持精准对焦。

优选地，所述滑台的上端面通过螺钉固定有推板，所述柔性连接端包括螺纹连接在所述物镜套远离所述光纤束一端的活动销，所述推板靠近所述物镜套的一端向远离所述物镜套的方向开设有凹槽。

优选地，所述凹槽的内壁为弧面，所述活动销的下端位于所述凹槽内，所述活动销与所述凹槽的内壁柔性接触且所述凹槽的长度和宽度均大于所述活动销的外径。

优选地，所述活动销的上端面通过螺纹连接在所述物镜套的下端，所述活动销的下端面位于所述凹槽内且高于所述推板的下端面。

优选地，所述刚性连接端包括螺纹连接在所述推板上端面的固定销，所述固定销和所述活动销的侧壁于相同的高度处均开设有腰槽，所述弹性件的两端分别通过腰槽缠绕在所述固定销和所述活动销的周侧。

优选地，所述底座的上端面还固定有台座，所述滑台在所述台座上直线滑动，所述台座通过螺钉刚性连接在所述底座上。

优选地，所述连接套内开设有用于物镜套安装的物镜滑槽，所述连接套内于远离物镜滑槽的一端开设有用于插头座安装的定位槽，所述底座上设置有与所述定位槽配合安装插头座的定位装置，所述物镜滑槽与所述定位槽具有垂直度约束，垂直度小于5μm。

本发明第二方便提供了一种零间隙光纤束耦合器对焦方法，包括以下步骤：

s1，持插头套，将插头座连同光纤束插入连接套内；将耦合物镜安装在物镜套内，再将物镜套安装在连接套内；

s2，移动滑台至距离插头座的最远处；

s3，驱动滑台以小于5μm的步长逐步地向靠近光纤束的方向运动，弹性件的柔性连接端通过其与滑台的柔性接触推动耦合物镜向光纤束的方向运动，校正滑台和耦合物镜两个直线运动副之间的干涉；

其中，对耦合物镜每一步获取的光纤束端面图像进行分析，找到锐度最高的位置，即为耦合物镜的最佳对焦位置。

优选地，当所述s3中滑台向光纤束靠近时，超过最佳对焦位置后，锐度开始下降，需驱动滑台向远离光纤束的方向返回至最佳对焦位置：

滑台远离光纤束，带动弹性件的刚性连接端一同远离，通过弹力拉动弹性件的柔性连接端跟随远离，然后弹性件的柔性连接端带动物镜套、耦合物镜远离光纤束，退回到最佳对焦位置。

优选地，所述s1中插头座安装在连接套内后，使用底座上的定位装置对插头座进行固定，以使光纤束的端面垂直于耦合物镜的光轴。

附图说明

图1是零间隙光纤束耦合器对焦机构的剖视图；

图2是零间隙光纤束耦合器对焦机构的整体结构图。

图中，1、光纤束耦合器；11、底座；12、连接套；13、耦合物镜；14、物镜套；15、活动销；16、弹性件；17、固定销；18、推板；181、凹槽；19、直线电机；191、台座；192、滑台；2、共聚焦探头；21、插头座；22、插头套；23、光纤束。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种零间隙光纤束耦合器对焦机构，包括光纤束耦合器1和共聚焦探头2，光纤束耦合器1包括底座11、连接套12、物镜套14和耦合物镜13，共聚焦探头2包括插头座21、插头套22和光纤束23。

底座11呈“l”字形，连接套12通过螺钉刚性连接在底座11上，连接套12内开设有物镜滑槽，物镜滑槽平行于连接套12的轴线设置，物镜套14安装在连接套12内后，可通过物镜滑槽沿连接套12的轴线方向滑动，耦合物镜13则通过螺纹刚性连接在物镜套14内。连接套12内于远离物镜滑槽的一端开设有定位槽，定位槽用于共聚焦探头2的插头座21插入并定位。插头套22螺纹连接在插头座21的端部上，插头座21内开设有通孔，光纤束23穿入该通孔内与插头座21粘接，且光纤束23的端面与插头座21的端面齐平。插头座21远离其与光纤束23齐平的一端与插头套22螺纹连接，插头套22包围在光纤束23的外侧，既保护了光纤束23，又便于人手握持整个共聚焦探头2。

耦合物镜13靠近光纤束23的一侧存在一个最佳观察平面，该平面是垂直于耦合物镜13光轴、直径1-2毫米的一个平面，光纤束23的端面必须与此平面重合，且轴向误差不超过±5微米，才能清晰成像，否则就会出现图像部分范围或全部范围的模糊。因此，保证光纤束23与插头座21相连的端面在耦合物镜13的最佳观察平面内是实现系统准确对焦的关键。

底座11靠近光纤束23的一侧设置有定位装置，光纤束耦合器1工作前，持插头套22，将插头座21连同光纤束23插入到连接套12的定位槽处，直到插头座21抵接在定位槽的端面为止，插头座21安装完毕后，定位装置可以是专利公开号为cn107065077a中的固定组件，也可以是专利公开号为cn108761653b中的压靠装置，通过定位装置对插头座21的位置进行定位锁紧，避免后期对焦过程中插头座21发生晃动，影响对焦结果。

连接套12的物镜滑槽与定位槽的端面具有垂直度约束，垂直度约束为小于5μm，且连接套12的物镜滑槽与物镜套14之间、物镜套14与耦合物镜13之间的配合精度均为h6/h5，可保证耦合物镜13安装后其光轴与定位槽的端面垂直。插头座21位于定位槽内的端面平面度小于5微米，以与定位槽的端面重合，最终实现光纤束23端面与耦合物镜13最佳观察平面平行。

底座11的上端面固定有直线电机19，直线电机19包括固定在底座11上端面的台座191和在台座191上直线滑移的滑台192，台座191通过螺钉固定在底座11上，与底座11之间为刚性连接。滑台192的上端面通过螺钉刚性连接有推板18，推板18与耦合物镜13之间连接有弹性件16，弹性件16可以为拉簧、橡皮筋、弹簧绳或其他类型的弹簧。

弹性件16的两端分别包括有刚性连接端和柔性连接端。刚性连接端为固定销17，柔性连接端为活动销15，固定销17与活动销15的周壁上于相同的高度处均开设有腰槽，弹性件16的两端分别通过腰槽缠绕在固定销17与活动销15的周侧，从而形成固定连接端和柔性连接端。

固定销17通过螺纹刚性连接在推板18的上端面，活动销15通过螺纹刚性连接在物镜套14靠近固定销17一侧的下端，推板18靠近物镜套14的一侧向远离物镜套14的方向开设有凹槽181，凹槽181的内壁为弧面，整个凹槽181呈u字形，活动销15为圆柱状，凹槽181的长度和宽度均稍大于活动销15的外径，活动销15的下端位于凹槽181内且活动销15的下端面高于推板18的下端面，弹性件16始终处于被拉伸状态，通过弹力拉动活动销15抵接在凹槽181靠近固定销17一侧的内壁上，从而使得活动销15与推板18之间为柔性接触，活动销15可在凹槽181的弧面内壁上自适应滑动。

实施例二

本实施例公开了一种零间隙光纤束耦合器对焦方法，基于实施例一公开的对焦机构，采用以下步骤：

s1，持插头套22，将插头座21连同光纤束23插入连接套12内的定位槽中，是插头座21的端面抵接在定位槽的端面内，然后使用定位装置将插头座21的位置进行定位锁紧；再耦合物镜13安装在物镜套14内，将物镜套14安装在连接套12内；安装完毕后，光纤束23靠近物镜的端面与耦合物镜13的最佳观察面平行；

s2，直线电机19复零位，使滑台192向远离光纤束23的方向运动至最远处，直到与台座191抵接；

s3，直线电机19驱动滑台192以小于5μm的步长逐步地向靠近光纤束23的方向运动，每运动前进一次，对耦合物镜13每一步获取的光纤束23端面图像进行分析，对于耦合物镜13的不同轴向位置，对比应用光纤束23端面图像锐度的差异，找到锐度最高的位置，即锐度开始下降的极点位置，就是耦合物镜13的最佳对焦位置；

在滑台192逐步向靠近光纤束23的方向运动时，带动推板18固定销17一同运动，由于活动销15抵接在凹槽181的内壁上，推板18还同时推动活动销15靠近光纤束23，最终通过活动销15推动物镜套14沿物镜滑槽的方向滑动，使耦合物镜13逐渐靠近光纤束23。

而在整个对焦过程中，滑台192、推板18、固定销17之间为刚性连接，物镜套14和活动销15之间也为刚性连接，因此，滑台192、推板18和固定销17之间均能沿同一直线运动，没有轴向间隙；物镜套14与活动销15之间也沿同一直线运动，没有轴向间隙；而上述两个直线运动之间却存在一定的轴向间隙，弹性件16连接在上述两个直线运动之间，通过活动销15在凹槽181内的滑动，来补偿两条直线运动之间交叉轴线的间隙偏差，不会发生轴线交叉导致的运动干涉和卡阻。直线电机19可以采用步进电机、伺服电机、音圈电机、压电陶瓷驱动器等精密驱动设备，其移动的步长及运动副间隙均小于1微米，或达到纳米级精度。即使直线电机19产生振动干扰，耦合物镜13依旧能跟随物镜套14沿物镜滑槽直线靠近光纤束23，直到最佳观察平面与光纤束23的端面重合，实现准确对焦，保证清晰的成像。同时，由于弹性件16的弹力直接作用于活动销15与固定销17之间，不会额外增加直线电机19的阻力，因此，对焦时滑台192的运动更加平稳，定位更加准确。

由于耦合物镜13靠近光纤束23运动的每一步均会进行成像，通过软件将每一步的位置以及对应的图像进行保存，当耦合物镜13靠近光纤束23运动超过最佳对焦位置后，图像锐度开始下降，直线电机19驱动滑台192向远离光纤束23的方向运动，直接退回到软件保存的图像锐度最高时对应的位置，即最佳对焦位置，滑台192带动固定销17返回时，通过弹性件16的弹力拉动活动销15、物镜套14、耦合物镜13跟随着远离光纤束23，完成对焦操作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。