CN107065077B - 一种自动对焦定位的光纤束耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明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，用于固定耦合器插头，其具有定位头，与耦合器插座上的插头定位槽配合；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。按照本发明实现自动对焦定位的光纤束耦合器，提高了成像耦合的可靠性，对于长期使用造成的器件磨损，具有一定的补偿作用。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种可以实现自动对焦和精确定位的光纤束耦合器。
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2-3um。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。因此耦合物镜与光纤束之间的精确定位是共聚焦成像系统的一项关键问题。
专利CN201510791313.8公开了一种可以精确定位的光纤连接器。此光纤连接器相对于通用的光纤连接器(例如金属环连接器<Ferrule Connector,FC>、小型连接器<LittleConnector，LC>、微型A类连接器<Sub Miniature A，SMA>)，定位精度有了较大幅度的提高。但是其仍然存在以下不足之处：
(1)光纤连接器插座与插头之间为硬摩擦，通过机械精度来保证连接精度，在受到磨损后，定位精度会有所下降；
(2)耦合物镜与连接器插座分离，二者之间必须依靠额外的机械装置来保证其相对定位，系统复杂度较高；
(3)光纤连接器的锁紧轮在旋转过程中，弹簧会受到横向作用力，容易导致锁紧轮卡死，可靠性不高；
(4)各运动部件之间的配合间隙限制在1.5～2.5微米，对加工精度要
求很高，提高了系统成本。
发明内容
本发明提供一种可以自动对焦和精确定位的光纤束耦合器，目的在于保证共聚焦成像系统中的光纤束与耦合物镜之间可以实现精确耦合，实现多次重复精确定位，通过反馈装置实现对定位偏差的纠正。
本发明提供了一种自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，该光纤束耦合器包括：
耦合器插座，用于固定耦合器插头，所述耦合器插头用于容纳待耦合的光纤束；
所述耦合器插头具有定位头，所述定位头与耦合器插座上的插头定位槽配合；所述耦合器插头的轴心有空心孔洞，光纤束可从所述空心孔洞中穿过，与所述耦合器插头前端调节平齐后固定；
所述耦合器插座上与所述插头定位槽对应有物镜滑槽，耦合物镜接受控制在所述物镜滑槽上滑动，接收来自所述光纤束的信号，并将所述信号传输于共聚焦成像系统；
所述共聚焦成像系统通过判断所述耦合物镜与所述光纤束端面的相对位置关系，并且反馈控制所述耦合物镜的滑动，直至找到最佳耦合的位置；
所述耦合器插座包括基座、连接套、固定组件；所述基座与光学底板刚性固定；所述连接套刚性固定于所述基座上，所述插头定位槽与所述物镜滑槽设置于所述连接套内；
所述固定组件包括沿圆周方向均匀分布的若干压臂；所述压臂与所述基座连接，在所述连接套周围均匀分布，可沿所述销轴旋转，旋转时所述压臂可压紧所述耦合器插头的所述定位头。
进一步地，所述固定组件还包括固定于所述基座上的压杆，所述压杆接收固定作用开关的挤压作用，带动所述压臂压紧；
所述压臂上有通孔，所述压杆从所述通孔中穿过；
所述压杆从所述固定作用开关的方向到所述基座的方向包括依次设置的球头、压紧弹簧，压杆轴，复位弹簧，所述球头用于接收来自所述固定作用开关的作用力，所述压杆沿所述基座圆周方向设置多个。
进一步地，所述固定组件还包括固定于所述基座上的压杆，所述压杆接收固定作用开关的挤压作用，带动所述压臂压紧；
所述压臂上有通孔，所述压杆从所述通孔中穿过；所述压臂与所述基座通过扭簧连接；
所述压杆从所述固定作用开关的方向到所述基座的方向包括依次设置的球头、压紧弹簧，压杆轴，所述球头用于接收来自所述固定作用开关的作用力，所述压杆沿所述基座圆周方向设置多个。
进一步地，所述光纤束耦合器还包括对焦装置，所述耦合物镜设置有物镜座，所述对焦装置安装在所述基座与所述物镜座之间，可依据所述共聚焦成像系统的反馈量推动所述物镜座沿所述连接套后端的所述物镜滑槽运动。
进一步地，所述固定作用开关为开有孔洞的压盘，所述压盘沿着所述光纤束耦合器轴向的方向平动或以靠近所述光学底板的一端为轴点转动。
进一步地，所述平动由设置于所述压盘底部的滑动部件执行。
进一步地，所述平动由固定于所述基座上的螺纹式压盘执行，通过所述螺纹式旋转实现平动。
进一步地，所述压臂在周向分布为4条。
进一步地，所述压臂通过销轴与所述基座连接。
进一步地，所述球头为固定式球头或滚珠式球头。
按照本发明实现的自动对焦定位的光纤束耦合器，由于其具有如下的特征，使得本发明相对于现有技术，具有如下显著的技术特点和优势：
(1)本发明中将光纤束与耦合物镜的成像耦合由原有的纯粹靠机械加工的方式，变成依靠反馈装置进行自动调节的方式。即由开环控制变为了闭环控制，提高了成像耦合的可靠性，对于长期使用造成的器件磨损，具有一定的补偿作用。
(2)本发明的耦合对焦具有如下的显著优势：1.连接套和物镜座的轴孔配合，此处的配合为H6/h5，这样的配合，保证物镜座在连接套内可以流畅滑动，同时运动的方向严格沿连接套的轴向运动，避免两者之间的偏心和倾斜；2.连接套和定位头的配合，配合包括a端面配合，定位头的端面在插入连接套中后，端面与连接套的对应平面配合，保证光纤束的端面与连接套的轴线垂直；b轴孔配合，由于插头为手工拔插，因此需要有更大的间隙，使用H7/h6的配合，使得插头拔插流畅。
(3)本发明改变了现有技术中的结构，把耦合物镜作为耦合器的一部分纳入进来，从“精确确定插头的绝对位置”，变为“精确确定插头与耦合物镜之间的相对位置”，减小了装配带来的误差。
(4)压臂方式的锁紧装置，在运动过程中，锁紧装置的滑动更为顺畅，避免了运动机构出现卡死的状况。
附图说明
图1是按照本发明实现的光纤束耦合器的整体结构示意图；
图2(a)(b)是按照本发明实现的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式一的结构示意图，其中图2(a)为压紧状态，图2(b)为松开状态；
图3(a)(b)是按照本发明实现的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式二的结构示意图，其中图3(a)为压紧状态，图3(b)为松开状态；
图4(a)(b)是按照本发明实现的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式三的结构示意图，其中图4(a)为压紧状态，图4(b)为松开状态；
图5(a)(b)是按照本发明实现的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式四的结构示意图，其中图5(a)为压紧状态，图5(b)为松开状态；
图6(a)(b)是按照本发明实现的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式五的结构示意图，其中图6(a)为压紧状态，图6(b)为松开状态。
附图中各部件的标记如下：1为耦合器插座基座，2为连接套，3为压臂，4为压盘，5为共聚焦成像系统的光学底板，6为插头定位槽，7为物镜滑槽，8为销轴，9为耦合器插头，10为定位头，11为耦合器插头轴心的空心孔洞，12为光纤束，13为耦合物镜，14为物镜座，15为对焦装置，16为反馈系统，17为共聚焦成像系统主体部分，18为压杆球头，19为压紧弹簧，20为压杆轴，21为复位弹簧，22为扭簧。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
图1所示为光纤束耦合器整体结构示意图。
光纤束耦合器包括耦合器插座、耦合器插头、物镜座、对焦装置、反馈系统共5个主要部分；
耦合器插座主要包括基座1、连接套2、压臂3、压盘4，耦合器插座基座1与共聚焦成像系统的光学底板5刚性固定；连接套与基座刚性连接，保证其与光学底板平行，连接套前端有插头定位槽6，后端有物镜滑槽7；4条压臂通过销轴8与基座连接，在连接套2周围均匀分布，可沿销轴8旋转，旋转时压臂3可压紧耦合器插头9；压盘4中央有孔洞，可容许耦合器插头9穿过，压盘4与基座1连接，使得压盘4可以沿插头定位槽方向运动，压盘4向压臂3方向运动时会压紧4条压臂3，带动压臂3压紧耦合器插头9。
耦合器插头头部有定位头10，定位头与耦合器插座上的插头定位槽形状一致；耦合器插头的轴心有空心孔洞11，光纤束12可从空心孔洞中穿过，与耦合器插头前端调节平齐后固定。
耦合物镜13刚性装配到物镜座14上，物镜座14可沿连接套后端的物镜滑槽前后运动，在移动到适当位置时，实现与耦合器插头轴心光纤束12的精确耦合。
对焦装置15安装在基座1与物镜座14之间，可推动物镜座14沿连接套后端的物镜滑槽进行运动，其中对焦装置15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，其移动的步长均可小于1微米，部分设备精度可达到纳米级。对焦装置15带有专用驱动电路板，可通过外部数字信号控制其精确运动的步长，达到推动耦合物镜13进行轴向精确移动，从而实现对焦的目的。
反馈系统16为共聚焦成像系统软件的一部分。光纤束耦合器获得的光学信号进入共聚焦成像系统主体部分17，反馈系统16通过对主体部分获取的图像进行分析，判断耦合物镜13与光纤束12端面的相对位置关系。耦合物镜13的前端存在一最佳观察平面，该平面是垂直于耦合物镜光轴、直径1～2mm的一个平面。光纤束端面必须与此位置重合，轴向位置误差不超过±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。反馈系统会对获取的图像进行分析，对于耦合物镜移动的不同位置，分析其图像锐度的差异，找到锐度最高的位置，即为耦合物镜的最佳位置，此时光纤束端面所有的纤芯都位于上述“最佳观察平面”轴向±5微米范围内，从而通过对焦装置15推动物镜座14进行运动，直至找到耦合物镜13的最佳位置。
光纤束耦合器的主体结构中，连接套2为核心定位装置，其中插头定位槽6与物镜滑槽7均与连接套共轴；连接器插头与插头定位槽6共轴，配合精度为H7/h6，使得连接器插头与连接套2精确对准；物镜座14与光纤束耦合器中连接套2后端的物镜滑槽7紧密配合，配合精度为H6/h5，使得耦合物镜13与物镜滑槽7精确对准。因此耦合器插头与耦合物镜13得以进行精准的配合，使得光纤束12端面与耦合物镜13的焦平面之间的偏差小于10微米，光纤束12端面得以在耦合物镜13中清晰成像。共轴的结构加工方便，精度高，降低了光纤束耦合器其它部分的加工要求，使得光纤束耦合器整体的加工难度降低。
压臂3和压盘4的结构是本发明中对光纤束耦合器插头进行锁紧的关键装置。其结构和功能在图2中进行详细说明。
图2是光纤束耦合器压臂部分锁紧动作示意图。
图2中表示出了耦合器压臂部分的详细结构，压臂3上有通孔，压杆从通孔中穿过，通孔与压杆之间存在滑动运动，二者为轴孔配合，配合精度H7/h6，确保通孔和压杆之间相对运动的流畅、不发生运动方向的偏移。压盖4通过球头推动压杆，压杆通过压紧弹簧对压臂施加作用力，使得压臂以8为轴发生转动，转动后压臂与10发生接触，再此之前，压紧弹簧的长度保持不变，压臂与压杆没有发生相对运动；发生接触以后，压盖4继续推动压杆运动，此时压杆与压臂之间发生相对滑动，压紧弹簧被压缩，通过弹簧的弹力，向10进一步施加压力，通过弹簧的缓冲实现柔性压紧，保证多个压臂均能与10进行良好接触，施加在10上的压力基本一致，避免了硬性压紧带来的压力不均衡问题。
压杆由以下几部分组成：18为球头，19为压紧弹簧，20为压杆轴，21为复位弹簧，其中复位弹簧21的劲度系数远小于压紧弹簧19，其中球头的设置方式可以有多种，一种是采用固定式的球头，另外一种是采用滚珠式的球头来实现滑动。
图2(a)为压臂3压紧的状态，此时压臂3压在耦合器插头头部的定位头10上，通过压紧弹簧的压力，确保耦合器插头与耦合器插座之间锁紧；图2(b)为压臂3松开的状态，此时压臂3与耦合器插头9头部的定位头10松开，耦合器插头9可穿过压盖4中央的孔洞，经由此孔洞插入或离开。当压盖4向压臂3方向运动时，压臂3从松开状态进入压紧状态：复位弹簧21首先被压缩，使得压臂3沿销轴旋转，直到压臂3与耦合器插头9头部的定位头10发生接触；然后压紧弹簧19进一步被压缩，使得压臂3与耦合器插头头部之间产生较大的压力，使得耦合器插头与耦合器插座之间锁紧。当耦合器插头与耦合器插座之间锁紧后，可使用螺丝、卡扣或其他任意一种固定装置将压盖4的位置锁定，这种机械式的锁定方式在现有技术中有多种手段可以实现，在此不再赘述。
实施例一中，详细描述了压盖沿着连接套的轴向运动时，对压臂的作用力传递方式，但是并没有详细描述实现压盖运动这一过程的装置。实施例二、三、四分别描述了三种压盖运动装置的实现方式。实施例五描述了复位弹簧的一种替代方案。
实施例二
如图3(a)(b)中所示，是按照本发明中的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式二的结构示意图，在这种实施方式中，其它的结构与实施例一中的结构完全相同，不同的是在基座1与压盖4之间设置螺纹结构，压盖4可沿着螺纹进行旋转，旋转时实现向左或向右的运动，从而带动压臂3运动，实现对定位头10的锁紧与释放。
本实施例使用螺纹实现压盖4的运动，带动压臂压紧定位头或者释放定位头，最大的益处在于，通过螺纹的传递，使得操作者在操作压盖4时，花费的力量减小，由此使得操作更为轻巧，为用户使用带来便利。
实施例三
图4(a)(b)中所示，是按照本发明中的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式三的结构示意图，在在这种实施方式中，其它的结构与实施例一中的结构完全相同，不同的是在基座1的上方设置锁紧机构，压盖4与基座1之间设置旋转轴，压盖4可以沿着旋转轴运动，在压盖4松开的过程中，复位弹簧21推动压臂3，将压臂3进行释放。
本实施例中，压盖4的下端固定，操作者在操作时，推动压盖4的上端实施锁紧。此实施例的益处在于，压盖4上端运动的距离很短，不需要旋转很大的行程才能达到压紧的效果。为用户带来另一方面的便利。在实际使用中，需要考虑运动行程与所花费作用力的关系来考虑具体的选型方案。
实施例四
图5(a)(b)中所示，是按照本发明中的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式四的结构示意图，在在这种实施方式中，其它的结构与实施例一中的结构完全相同，不同的是在基座1与压盖4之间设置平移滑台，滑台的固定部分与基座1刚性连接，滑台的运动部分与压盖4刚性连接，滑台的运动部分可由手动或电动或气动或液压的驱动装置推动，带动压盖4进行水平运动，从而驱动压臂3实施对插头的锁紧与释放。
本实施例中，压盖4由一个驱动装置控制，带动压盖4进行运动。此实施例的益处在于，这样的运动形式，便于使用电动或者气动或者液压驱动的方式推动压盖4的运动，有助于实现自动压紧。在有自动锁紧需求的情况下，此实施例优势明显。
实施例五
图6(a)(b)中所示，是按照本发明中的光纤束耦合器压臂部分锁紧动作其中一种实施方式五的结构示意图，在这种实施方式中，与其它机构不同的是在压臂3的转轴处设置扭转弹簧，可实现与复位弹簧类似的功能，在这种情况下，当压盖4松开时，扭转弹簧22代替复位弹簧，使得压臂3打开，实现对插头的释放。
本实施例中，使用扭转弹簧代替了普通的复位弹簧。扭转弹簧的体积比复位弹簧小，使用扭转弹簧有助于减小压臂部分的体积，对耦合器的小型化有一定的帮助。
如图上实施例所示，其中部件并不严格限定为上述实施例中的实现方式，相反，在本发明的实施方式中，能够进行组合替换，以达到本发明中最佳的锁紧状态为准。
在上述的实施方式中，
定位头10所采用的材料主要为6061铝合金等密度小、强度高、加工性能好的金属材料，与之配合的压臂主要采用的材料为304不锈钢或6061铝合金等强度较高的金属材料。在以上的实施方式中，从延长耦合器的使用寿命上来讲，由于耦合器的插头与光纤束固定在一起，为消耗品，因此在设计上，连接套的材料与压臂的材料，其硬度与耐磨程度均要求比定位头10要高，这样在发生磨损时，连接套与压臂不容易发生损坏，使得整套耦合器的寿命提高。
在以上的实施方式中，从平衡压力的角度来讲，压臂的数量越多越好，从成本和体积占用的角度来讲，压臂的数量越少越好；最少不少于3个压臂(否则压力容易不平衡)，最多也不应超过6个(否则体积过大，重量过重，成本过高)，本专利的实施例中，使用的压臂数量为4个。
在以上的实施方式中，依靠以下手段方式来保持耦合轴心的可靠对准，轴心的对准依靠两种方式：1.连接套2和定位头10之间的加工配合来实现——可使用H6/h5，或者H7/h6的公差配合，实现精度与插拔灵活度的平衡。2.算法反馈来实现——通过对获取到的共聚焦图像的分析，可以找到光纤束的中心位置，从而判断光纤束与耦合物镜相对偏移的距离，然后通过算法的修正，再次纠正通过方式1所没能解决的剩余偏差，达到最终图像上的对准。
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。
Claims (8)
1.一种自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，该光纤束耦合器包括：
耦合器插座，用于固定耦合器插头(9)，所述耦合器插头(9)用于容纳待耦合的光纤束(12)；
所述耦合器插头(9)具有定位头(10)，所述定位头(10)与耦合器插座上的插头定位槽配合；所述耦合器插头(9)的轴心有空心孔洞(11)，光纤束(12)可从所述空心孔洞(11)中穿过，与所述耦合器插头(9)前端调节平齐后固定；
所述耦合器插座上与所述插头定位槽对应有物镜滑槽(7)，耦合物镜(13)接受控制在所述物镜滑槽(7)上滑动，接收来自所述光纤束(12)的信号，并将所述信号传输于共聚焦成像系统(17)；
所述共聚焦成像系统(17)通过判断所述耦合物镜(13)与所述光纤束(12)端面的相对位置关系，并且反馈控制所述耦合物镜(13)的滑动，直至找到最佳耦合的位置；
所述耦合器插座包括基座(1)、连接套(2)、固定组件(3,4,8,18,19,20,21)；所述基座(1)与光学底板(5)刚性固定；所述连接套(2)刚性固定于所述基座(1)上，所述插头定位槽与所述物镜滑槽(7)设置于所述连接套(2)内；
所述固定组件(3,4,8,18,19,20,21)包括沿圆周方向均匀分布的若干压臂(3)；所述压臂(3)与所述基座(1)连接，在所述连接套(2)周围均匀分布，可沿销轴(8)旋转，旋转时所述压臂(3)可压紧所述耦合器插头(9)的所述定位头(10)；所述固定组件(3,4,8,18,19,20,21)还包括固定于所述基座(1)上的压杆(18,19,20,21)，所述压杆(18,19,20,21)接收固定作用开关(4)的挤压作用，带动所述压臂(3)压紧，所述压臂(3)上有通孔，所述压杆(18,19,20,21)从所述通孔中穿过；
所述压杆(18,19,20,21)从所述固定作用开关(4)的方向到所述基座(1)的方向包括依次设置的球头(18)、压紧弹簧(19)，压杆轴(20)，复位弹簧(21)，所述球头(18)用于接收来自所述固定作用开关(4)的作用力，所述压杆(18,19,20,21)沿所述基座(1)圆周方向设置多个。
2.如权利要求1中所述的自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，所述光纤束耦合器还包括对焦装置(15)，所述耦合物镜(13)设置有物镜座(14)，所述对焦装置(15)安装在所述基座(1)与所述物镜座(14)之间，可依据反馈系统(16)的反馈量推动所述物镜座(14)沿所述连接套(2)后端的所述物镜滑槽(7)运动。
3.如权利要求2所述的自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，所述固定作用开关(4)为开有孔洞的压盘(4)，所述压盘(4)沿着所述光纤束耦合器轴向的方向平动或以靠近所述光学底板(5)的一端为轴点转动。
4.如权利要求3所述的自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，所述平动由设置于所述压盘(4)底部的滑动部件执行。
5.如权利要求3所述的自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，所述平动由固定于所述基座(1)上的螺纹式压盘(4)执行，通过螺纹式旋转实现平动。
6.如权利要求4或5中所述的自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，所述压臂(3)在周向分布为4条。
7.如权利要求1所述的自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，所述压臂(3)通过销轴(8)与所述基座(1)连接。
8.如权利要求1所述的自动对焦定位的光纤束耦合器，其特征在于，所述球头(18)为固定式球头或滚珠式球头。
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