CN103698896A - 一种精密针孔对准调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学精密装调技术领域，其提供了一种精密针孔对准调试方法。所述方法采用激光器、第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、针孔装置、三维调整台、全反镜、第一CCD以及第二CCD等元件对精密针孔进行对准调试，以实现精确的空间滤波器装调。另外，本发明还提供了一种精密针孔对准调试系统。

Description

一种精密针孔对准调试方法

技术领域

本发明涉及光学精密装调技术领域，尤其是涉及一种精密针孔对准调试系统及方法。

背景技术

精密针孔对准技术，是指将微米级大小的针孔准确放置在光学透镜的焦点处，通常是两个光学透镜的重合焦点，即光束聚焦后通过针孔再扩束。精确对准后的针孔，可以为光路进行精密的空间滤波，修整激光模态，调整发散角，滤除杂散光等，在各种精密光学装置和仪器中有广泛应用。

精密针孔对准技术其对准精度要求通常在针孔尺寸的1/10以上，即针孔定位三维定位精度在微米、亚微米量级，这在装置的设计和加工上很难保证，因此该技术对测量和装调提出了很高的要求。同时，光路中入射光方向的微小变化也会导致聚焦光无法通过针孔，系统无法工作，这对针孔对准装置的临场装调和及时修正提出了更多的需求。

精密针孔对准技术经常应用于各种拥有高精密空间滤波器的光学成像仪器上，例如：超分辨率成像、共聚焦显微镜、全内反射荧光显微镜、相衬显微镜等。它是这些仪器的核心技术之一。

发明内容

本发明的目的是：提供一种简便迅速的高精度的针孔对准系统及方法，实现精确的空间滤波器装调。

本发明的技术方案是：一种精密针孔对准调试系统，其包括激光器、第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、针孔装置、三维调整台、全反镜、第一CCD以及第二CCD；

所述三维调整台调整针孔装置中针孔的方向位置；

所述激光器、第一聚焦透镜以及第二聚焦透镜搭建聚焦扩束光路，所述全反镜放置在聚焦扩束光路上，以使光路能原路返回；

所述激光器发射的激光通过第一半反半透镜透射到第一聚焦透镜，并继续经过针孔装置的针孔、第二聚焦透镜、第二半反半透镜反射到第四聚焦透镜上，所述第二CCD位于第四聚焦透镜焦点处；所述全反镜将经过第二半反半透镜透射的光路原路返回；原路返回的激光再次透过第二半反半透镜、第二聚焦透镜、针孔装置的针孔和第一聚焦透镜，在第一半反半透镜处反射到第三聚焦透镜，所述第一CCD位于第三聚焦透镜焦点处；

通过精调第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的间距，使第一、第二CCD的焦点像最小，并调整针孔装置中针孔的XY方向位置，使第二CCD上能看到激光焦点像，并调整针孔的Z方向位置，使第二CCD的焦点像最亮；在第一CCD上观察返回光的像，若观察不到，须微调第一、第二聚焦透镜的方位，使反射光焦点能在第一CCD上成像；重复针孔方向位置和第一、第二聚焦透镜的方位的调整，直到第一、第二CCD上都形成有激光焦点像。

优选的，所述针孔装置包括针孔和工装。

本发明的另一技术方案是：一种精密针孔对准调试方法，其包括以下步骤：

S1、由激光器、第一聚焦透镜以及第二聚焦透镜搭建聚焦扩束光路；

S2、在聚焦扩束光路上放置全反镜以使光路能原路返回，并继续放置第一半反半透镜、第三聚焦透镜、第一CCD、第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD，所述激光器发射的激光通过第一半反半透镜透射到第一聚焦透镜，并继续经过第二聚焦透镜、第二半反半透镜反射到第四聚焦透镜上，并进一步会聚到第二CCD上；所述激光器发射的激光透过第二半反半透镜后，经全反镜原路返回，再次透过第二半反半透镜、第二聚焦透镜、针孔装置的针孔和第一聚焦透镜，通过第一半反半透镜反射第三聚焦透镜，并进一步会聚到第一CCD上；

S3、通过精调第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的间距，使第一、第二CCD的焦点像最小；

S4、在第一、第二聚焦透镜之间放入置于三维调整台上的针孔装置，调整针孔装置中针孔的XY方向位置，使第二CCD上能看到激光焦点像；调整针孔的Z方向位置，使第二CCD的焦点像最亮；

S5、在第一CCD上观察返回光的像，若观察不到，须微调第一、第二聚焦透镜的方位，使反射光焦点能在第一CCD上成像；

S6、重复步骤S4和S5，直到第一、第二CCD上都形成激光焦点像；

S7、固定激光器、第一、第二聚焦透镜，移除全反镜、第一半反半透镜、第三聚焦透镜、第一CCD、第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD。

优选的，所述方法进一步包括将针孔装置进行移除。

优选的，所述方法进一步包括在原来位置处搭建第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD，先在第二CCD上记录此时激光焦点位置，然后移入针孔装置，使第二CCD对针孔成像，并将针孔装置的针孔运动到之前记录的激光焦点位置处。

本发明的优点是：

1、本发明提供了一种精密针孔对准调试系统及方法，针孔定位精度仅取决于CCD和聚焦透镜的成像分辨率，通常XY轴定位精度优于5μm，Z轴定位精度优于50μm；

2、除激光器以及组成空间滤波器的器件以外，本方法所需材料设备较少，成本低廉，构架简单，搭建迅速，适用性广，整个调试过程很直观，可重复性好。一旦完成装调，只要保持空间滤波器的两个透镜不发生变化，即使激光器方向发生微小变化、针孔也可以非常迅速调整到位。

3、本发明提供的精密针孔装调方法适用于共聚焦显微镜、超分辨显微镜、全内反射荧光显微镜、相衬显微镜以及其他需要精密空间滤波或激光扩束装置的高端光学仪器，适用于光学仪器的临场装调。

附图说明

图1为本发明实施例提供的精密针孔对准调试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的精密针孔对准调试方法的流程图。

其中：激光器1、第一半反半透镜2、第一聚焦透镜3、针孔装置4、三维调整台5、第二聚焦透镜6、第二半反半透镜7、全反镜8、第三聚焦透镜9、第一CCD10、第四聚焦透镜11、第二CCD12。

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明实施例提供的精密针孔对准调试系统的结构示意图。

本发明提供了一种精密针孔对准调试系统，其包括激光器1、第一半反半透镜2、第二半反半透镜7、第一聚焦透镜3、第二聚焦透镜6、第三聚焦透镜9、第四聚焦透镜11、针孔装置4、三维调整台5、全反镜8、第一CCD10以及第二CCD12。其中，所述针孔装置4包括针孔（未标示）和工装（未标示），所述三维调整台5调整针孔装置4中针孔的方向位置。

所述激光器1、第一聚焦透镜3以及第二聚焦透镜6搭建聚焦扩束光路，所述全反镜8放置在聚焦扩束光路上，以使光路能原路返回。

所述激光器1发射的激光通过第一半反半透镜2透射到第一聚焦透镜3，并继续经过针孔装置4的针孔、第二聚焦透镜6、第二半反半透镜7反射到第四聚焦透镜11上，所述第二CCD12位于第四聚焦透镜11焦点处；所述全反镜8将经过第二半反半透镜7透射的光路原路返回；原路返回的激光再次透过第二半反半透镜7、第二聚焦透镜6、针孔装置4的针孔和第一聚焦透镜3，在第一半反半透镜2处反射到第三聚焦透镜9，所述第一CCD10位于第三聚焦透镜9焦点处.

根据以上元件及光路设置，通过精调第一聚焦透镜3和第二聚焦透镜6的间距，使第一、第二CCD10、12的焦点像最小，并通过三维调整台5调整针孔装置4中针孔的XY方向位置，使第二CCD12上能看到激光焦点像，并调整针孔的Z方向位置，使第二CCD12的焦点像最亮。在第一CCD10上观察返回光的像，若观察不到，须微调第一、第二聚焦透镜3、6的方位，使反射光焦点能在第一CCD10上成像；重复针孔方向位置和第一、第二聚焦透镜3、6方位的调整，直到第一、第二CCD10、12上都有清楚的激光焦点像。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的精密针孔对准调试方法的流程图。

根据一种精密针孔对准调试系统，本发明还提供了一种精密针孔对准调试方法，其包括以下步骤：

S1、由激光器、第一聚焦透镜以及第二聚焦透镜搭建聚焦扩束光路；

S2、在聚焦扩束光路上放置全反镜以使光路能原路返回，并继续放置第一半反半透镜、第三聚焦透镜、第一CCD、第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD，所述激光器发射的激光通过第一半反半透镜透射到第一聚焦透镜，并继续经过第二聚焦透镜、第二半反半透镜反射到第四聚焦透镜上，并进一步会聚到第二CCD上；所述激光器发射的激光透过第二半反半透镜后，经全反镜原路返回，再次透过第二半反半透镜、第二聚焦透镜、针孔装置的针孔和第一聚焦透镜，通过第一半反半透镜反射第三聚焦透镜，并进一步会聚到第一CCD上；

S3、通过精调第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的间距，使第一、第二CCD的焦点像最小；

S4、在第一、第二聚焦透镜之间放入置于三维调整台上的针孔装置，调整针孔装置中针孔的XY方向位置，使第二CCD上能看到激光焦点像；调整针孔的Z方向位置，使第二CCD的焦点像最亮；

S5、在第一CCD上观察返回光的像，若观察不到，须微调第一、第二聚焦透镜的方位，使反射光焦点能在第一CCD上成像；

S6、重复步骤S4和S5，直到第一、第二CCD上都形成激光焦点像；

S7、固定激光器、第一、第二聚焦透镜，移除全反镜、第一半反半透镜、第三聚焦透镜、第一CCD、第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD。

在实际工作流程中，针孔装置也可以移除。

在实际工作流程中，根据步骤S7以及移除了针孔装置，此后若须放置针孔装置，仅搭建第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD光路即可，先在第二CCD上记录此时激光焦点位置，然后移入针孔装置，使第二CCD对针孔成清晰像，将针孔装置中针孔运动到之前记录的激光焦点位置即可完成针孔的装调。

本发明提供了一种精密针孔对准调试方法。所述方法采用激光器、第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、针孔装置、三维调整台、全反镜、第一CCD以及第二CCD等元件对精密针孔进行对准调试，以实现精确的空间滤波器装调。另外，本发明还提供了一种精密针孔对准调试系统。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种精密针孔对准调试系统，其特征在于，包括激光器、第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、针孔装置、三维调整台、全反镜、第一CCD以及第二CCD；

所述三维调整台调整针孔装置中针孔的方向位置；

所述激光器、第一聚焦透镜以及第二聚焦透镜搭建聚焦扩束光路，所述全反镜放置在聚焦扩束光路上，以使光路能原路返回；

所述激光器发射的激光通过第一半反半透镜透射到第一聚焦透镜，并继续经过针孔装置的针孔、第二聚焦透镜、第二半反半透镜反射到第四聚焦透镜上，所述第二CCD位于第四聚焦透镜焦点处；所述全反镜将经过第二半反半透镜透射的光路原路返回；原路返回的激光再次透过第二半反半透镜、第二聚焦透镜、针孔装置的针孔和第一聚焦透镜，在第一半反半透镜处反射到第三聚焦透镜，所述第一CCD位于第三聚焦透镜焦点处；

通过精调第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的间距，使第一、第二CCD的焦点像最小，并调整针孔装置中针孔的XY方向位置，使第二CCD上能看到激光焦点像，并调整针孔的Z方向位置，使第二CCD的焦点像最亮；在第一CCD上观察返回光的像，若观察不到，对第一、第二聚焦透镜的方位进行微调，使反射光焦点能在第一CCD上成像；重复针孔方向位置和第一、第二聚焦透镜的方位的调整，直到第一、第二CCD上都形成有激光焦点像。

2.根据权利要求1所述的一种精密针孔对准调试系统，其特征在于，所述针孔装置包括针孔和工装。

3.一种精密针孔对准调试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、由激光器、第一聚焦透镜以及第二聚焦透镜搭建聚焦扩束光路；

S2、在聚焦扩束光路上放置全反镜以使光路能原路返回，并继续放置第一半反半透镜、第三聚焦透镜、第一CCD、第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD，所述激光器发射的激光通过第一半反半透镜透射到第一聚焦透镜，并继续经过第二聚焦透镜、第二半反半透镜反射到第四聚焦透镜上，并进一步会聚到第二CCD上；所述激光器发射的激光透过第二半反半透镜后，经全反镜原路返回，再次透过第二半反半透镜、第二聚焦透镜、针孔装置的针孔和第一聚焦透镜，通过第一半反半透镜反射第三聚焦透镜，并进一步会聚到第一CCD上；

S3、通过精调第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的间距，使第一、第二CCD的焦点像最小；

S4、在第一、第二聚焦透镜之间放入置于三维调整台上的针孔装置，调整针孔装置中针孔的XY方向位置，使第二CCD上能看到激光焦点像；调整针孔的Z方向位置，使第二CCD的焦点像最亮；

S5、在第一CCD上观察返回光的像，若观察不到，须微调第一、第二聚焦透镜的方位，使反射光焦点能在第一CCD上成像；

S6、重复步骤S4和S5，直到第一、第二CCD上都形成激光焦点像；

S7、固定激光器、第一、第二聚焦透镜，移除全反镜、第一半反半透镜、第三聚焦透镜、第一CCD、第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD。

4.根据权利要求3所述的一种精密针孔对准调试方法，其特征在于，所述方法进一步包括将针孔装置进行移除。

5.根据权利要求4所述的一种精密针孔对准调试方法，其特征在于，所述方法进一步包括在原来位置处搭建第二半反半透镜、第四聚焦透镜、第二CCD，先在第二CCD上记录此时激光焦点位置，然后移入针孔装置，使第二CCD对针孔成像，并将针孔装置的针孔运动到之前记录的激光焦点位置处。

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