CN100365455C - 一种光纤准直器封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤准直器封装方法，自聚焦透镜斜端面相位在装配前已经确定并处于固定位置，再使光纤插针在未插入不锈钢金属套筒前，利用CCD成像系统，通过检测和调整光纤插针斜端面相位，已经基本保证了光纤插针与自聚焦透镜(GRIN)的两个斜端面的平行。然后，将插针在不锈钢套筒内作进给运动插入不锈钢套筒，以调节插针和自聚焦透镜在不锈钢金属套筒中的间隙，同时光纤插针作微旋转，用光学仪器对入射于光纤并由自聚焦透镜出射的光信号进行监控，便能很快地使斜面插针达到最佳位置，保证输出的光功率最大，以提高生产效率，保证产品制造质量。

Description

一种光纤准直器封装方法

技术领域：

本发明属于光通信元件的先进制造领域，它涉及一种光纤准直器封装新方法。

背景技术：

光纤准直器是光源元器件的基础元件。光纤准直器的作用是将光纤中出射的发散光经准直器后变成平行光束或者将平行光束汇聚进入光纤中去，以提高光纤器件的耦合效率。

光纤准直器在光通信器件中(如激光器、探测器、光隔离器、光环形器、光开关、光衰减器、光波分复用器等)有着广泛应用。随着光通信系统向大容量、高速率方向的迅速发展，对光纤准直器的产业化制造提出的技术要求也越来越高。而光纤准直器的封装效率与质量是制约其批量生产制造的“瓶颈”问题之一。

光纤准直器(Collimator)是光纤通信系统和光纤传感系统中的基本光学器件，它由四分之一节距的自聚焦透镜(GRIN)和带有光纤的插针以及不锈钢金属套筒组成。自聚焦透镜和光纤、插针的材质均为SiO₂。自聚焦透镜和插针各有与端面角度为γ的斜面(γ一般为8°)  (如图1所示)。

目前现有的光纤准直器的装配工艺一般为：第一步，将自聚焦透镜固定地装在不透明的微小偏心不锈钢金属套筒内的一端。第二步，将带有光纤的斜面插针插入不锈钢金属套筒另一端，并作进给和旋转运动，以调节不锈钢金属套筒中光纤插针斜端面与自聚焦透镜斜端面的平行度和间距，同时用光学仪器(如光功率计)对入射于光纤并由自聚焦透镜出射的光信号进行监控，当检测到的光传输特性最佳时(如输出的光功率达到最大时)，则认为斜面插针调整到了最佳位置。然后给插针涂覆固定胶，实现封装。封装过程中，要对准直器元件加热，以使粘胶固化。

目前准直器制造急待解决的关键技术，是实现以最短的时间与最低的成本获得最低的稳定插入损耗。在影响准直器插入损耗的因素中，一般认为，光纤插针与自聚焦透镜两斜端面的平行度和间隙占主导地位，即它的装配工艺直接影响整个器件的性能参数。但在不透明的不锈钢金属套筒中调节光纤插针斜端面与自聚焦透镜斜端面的平行度有相当的难度。因此现有的光纤准直器封装工艺有待进一步改进。

发明内容：

针对已有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光纤准直器封装的新方法，以提高生产效率，保证产品制造质量。

本发明解决技术问题的技术方案如下：一种光纤准直器封装方法，其工艺步骤如下：

A、将自聚焦透镜固定装在不透明的不锈钢金属套筒内的一端；

B、将光纤插针水平放置在不锈钢金属套筒的另一端外侧，CCD成像系统与水平面垂直，CCD成像系统的物镜位于水平放置的光纤插针的下面或上面，则光纤插针的端面被放大成像于CCD的光敏面上；调节成像系统，便可由CCD得到光纤端面的投影图像，利用这个投影图像和原图像的关系，得到光纤插针的相位信息，并由此对光纤插针的旋转角度进行调节，使光纤插针的斜端面与自聚焦透镜的斜端面平行；

C、然后保持插针水平方向插入不锈钢套筒，使光纤插针在不锈钢套筒内作进给运动，以调节插针和自聚焦透镜在不锈钢金属套筒中的间隙，同时光纤插针作微旋转，用光学仪器对入射于光纤并由自聚焦透镜出射的光信号进行监控，便能快速地使斜面插针达到最佳位置，输出的光功率达到最大；

D、然后给插针涂覆固定胶，实现封装。

光纤插针的斜端面及其投影如图2所示。在装配中，光纤插针放置水平面，CCD成像系统与水平面垂直，光纤插针放置在CCD成像系统的物镜(显微镜物镜)的下面(或上面)，则光纤插针的端面被放大成像于CCD的光敏面上。调节成像系统，便可由CCD得到清晰光纤端面的投影图像。利用这个投影图像和原图像的关系，得到光纤插针的相位信息，并由此对光纤插针进行旋转调节，使光纤插针的斜端面与自聚焦透镜的斜端面(GRIN)平行，为下一工步做好准备。

由几何光学，原平面和实际的投影平面的面积有以下关系：

(1)

其中，S为平面的面积，α为投影平面和原平面的夹角。由于CCD摄像机得到的图像就是光纤插针斜端面投影平面的图像，假设得到光纤插针斜端面投影的图像面积为S_图像投影，成像系统的线放大倍率为β，则实际的投影面积为：

(2)

设装配工作台平面为水平面。当显微镜和CCD摄相机垂直于装配工作台放置时，投影平面就是工作台平面即水平面。所以光纤插针斜端面和水平面的夹角α可由以下公式求出：

(3)

所以有：

(4)

假设光纤插针斜端面的法矢量位于XOZ平面内，如图3第一个图所示。并设水平面的单位法矢量为 ${\stackrel{\→}{n}}_1=\left(\mathrm{1,0,0}\right).$

由于光纤插针端面被加工抛光成γ的斜面，在光纤插针斜端面绕Z轴线旋转的同时，法矢量也绕Z轴旋转，但法矢量的端点却始终在一圆上，如图3第一个图所示。当光纤绕轴线旋转θ角时，光纤端面和水平面的夹角可以由各自法矢量的夹角求得。

图3第二个图为法矢量端点的运动图，假设法矢量OP的长度为单位长度l，则O’P的长度为sinγ，当光纤绕Z轴旋转θ角时，法矢量在Z轴投影OO’为cosγ，而在X轴、Y轴上的投影分别为-sinγcosθ和sinγsinθ，因此其法矢量为： ${\stackrel{\→}{n}}_2=(-\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ},\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ},\cos \mathrm{\γ}).$ 所以水平面法矢量和光纤端面法矢量的夹角α可以由以下公式求得，即：

$\cos \mathrm{\α}=\frac{|x_1\·x_2+y_1\·y_2+z_1\·z_2|}{\sqrt{x_1^2+y_1^2+z_1^2}\·\sqrt{x_2^2+y_2^2+z_2^2}}---\left(5\right)$

将水平面法矢量

和光纤端面法矢量

代入公式(5)得：

cosα＝|-sinγcosθ|＝sinγcosθ    (6)

联立公式(3)和公式(6)，最终可以得到光纤插针需要旋转的角度θ(逆时针方向)：

(7)

其中光纤端面图像面积即S_图像投影的算法为：

利用数字图像处理的方法计算光纤插针端面的投影面积。对用CCD采集到的包含光纤插针端面的数字图像，先用滤波算法去除噪声，然后根据光纤插针端面图像的颜色(或灰度)信息采用串行边界分割算法对图像进行处理，分割出目标，并通过扫描图像，计算出光纤端面目标在图像中所占的像素，即可精确地计算出光纤端面的图像面积。设通过图像处理计算出图像端面所占的像素为N₁，而显示器平面的面积为S_{显示器面积}，显示器的分辨率为N，则图像端面投影面积可用下式计算：

本发明的光纤准直器封装方法，由于自聚焦透镜(GRIN)斜端面相位在装配前已经确定并处于固定位置，并且方向矢量在XOZ平面内，再使光纤插针在未插入不锈钢金属套筒前，通过检测和调整光纤插针斜端面相位，已经基本保证了光纤插针与自聚焦透镜(GRIN)的两个斜端面的平行。然后，只要保持插针以正确姿态插入不锈钢套筒，并使光纤插针在不锈钢套筒内作进给运动，以调节插针和自聚焦透镜在不锈钢金属套筒中的间隙，同时光纤插针作微旋转，用光学仪器(如光功率计)对入射于光纤并由自聚焦透镜出射的光信号进行监控，便能很快地使斜面插针达到最佳位置，保证输出的光功率最大，以提高生产效率，保证产品制造质量。

附图说明

图1为光纤准直器结构的结构示意图；

图2为光纤插针斜端面及投影的示意图；

图3为光纤旋转θ角的法矢量示意图及法矢量端点的运动图；

图4为光纤插针斜端面角度测试装置结构示意图。

图中标号说明

1-光纤插针    2-自聚焦镜头

3-金属套筒    4-CCD成像系统

5-夹具    6-光纤

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明是如何实现的：

实施例

在实施过程中，采用的CCD成像系统的CCD型号为

JVC彩色摄像机T K-C921EC

1/3″CCD，44万像素    535电视线的水平分辨率

0.7Lux的最低照度(F1.2、25％，，AGC开启)

50dB的高信噪比(AGC OFF)

内置革命性的10bit数字图像处理器(DSP)

提供CCTV用途摄像机的全面功能：

可开/关的电子快门

可开/关的自动增益控制(AGC)

可自动跟踪(ATW)/手动设定的白平衡方式

可开/关的自动背光补偿功能(BLC)

可选择Video/DC两种镜头光圈驱动

兼容C及CS型的镜头接口

小体积，紧凑的外观设计

可接受24V AC及12V DC两种电源供应

显微镜为：

型号：Nikon E200生物显微镜

放大频率范围：40X-1500X(观察)，8X-500X(35mm显微镜)

目镜筒：E2-TF铰链式三目镜观察筒(倾斜角30°，双目瞳距：47mm-75mm)

物镜：CFI E平场消色差4X，NA＝0.10

转换器：倾式四孔转换器

工作台：矩形216mmX54mm，行程78Xmm54Xmm，采用低位置X/Y共轴手柄

照明系统：6V 20W卤素灯

粗微调焦：微调每圈0.2mm，粗调每圈37.7mm，最小刻度2μm(位于微调手轮左侧)，粗调力矩可调，作台有自恢复聚焦机构，工作台手柄与调焦手轮离操作者一样远。

光源为金属卤素灯。

以美国New Focus公司环形器(C-I、C-II)中准直器为例：

该型号准直器的自聚焦透镜的直径D＝1.8mm，斜端面偏角γ为8°，计算得到自聚焦透镜斜端面的面积S_原面积＝2.57mm²，采用成像设备的放大倍数为160。如图4所示，将自聚焦透镜2固定装在不透明的不锈钢金属套筒3内的一端；在不锈钢金属套筒3的另一端外将光纤插针1放置在水平面，CCD成像系统4与水平面垂直，光纤插针1放置在CCD成像系统4的物镜的下面，则光纤插针1的端面被放大成像于CCD的光敏面上；调节成像系统，利用数字图像处理的方法计算光纤插针端面的投影面积。对用CCD采集到的包含光纤插针端面的数字图像，先用滤波算法去除噪声，然后根据光纤插针端面图像的颜色(或灰度)信息采用串行边界分割算法对图像进行处理，分割出目标，并通过扫描图像，计算出光纤端面目标在图像中所占的像素，即可精确地计算出光纤6端面的图像面积，计算方法如下：

设通过数字图像处理技术，计算出光纤端面图像所占的像素为N₁＝65288个像素，而对于17英寸的显示器来说，其可视面积为111.4558平方英寸，即S_{显示器面积}＝719.0682平方厘米，当显示器的分辨率N为1024*768时，得到图像端面投影面积为：

则由本方法通过计算，可以得：

即将光纤插针1按逆时钟方向旋转49.3度，然后保持插针1水平方向用夹具5插入不锈钢套筒，使光纤插针在不锈钢套筒内作进给运动，以调节插针1和自聚焦透镜2在不锈钢金属套筒3中的间隙，同时光纤插针1作微旋转，用光学仪器对入射于光纤并由自聚焦透镜2出射的光信号进行监控，输出的光功率达到最大即达到最佳位置，然后给插针涂覆固定胶并加热进行封装。

误差分析：

光纤插针相对于聚焦透镜角度(或相位)的误差，主要取决于光纤插针斜端面投影图像的采集和其面积计算的方法。光纤端面的投影图像面积计算越精确，角度(或相位)的计算也越准确。采用高斯滤波器和均值滤波器对图像进行预处理，有助于提高投影图像面积的计算精度。采用串行边界分割算法对光纤目标进行分割，再根据目标所占的像素多少求其面积，这种算法具有很高的精度。

通过反复实验验证，本发明提出的实现装配方法，相位的误差可控制在公差范围±5°内，完全能够保证光纤准直器装配时光纤相位检测的精度要求。

Claims (3)

1.一种光纤准直器封装方法，其工艺步骤如下：

A、自聚焦透镜固定装在不透明的不锈钢金属套筒内的一端；

B、光纤插针水平放置在不锈钢金属套筒的另一端外侧，CCD成像系统与水平面垂直，CCD成像系统的物镜位于水平放置的光纤插针的下面或上面，则光纤插针的端面被放大成像于CCD的光敏面上；调节成像系统，便可由CCD得到光纤端面的投影图像，利用这个投影图像和原图像的关系，得到光纤插针的相位信息，并由此对光纤插针的旋转角度进行调节，使光纤插针的斜端面与自聚焦透镜的斜端面平行；

C、然后保持插针水平方向插入不锈钢套筒，使光纤插针在不锈钢套筒内作进给运动，以调节插针和自聚焦透镜在不锈钢金属套筒中的间隙，同时光纤插针作微旋转，用光学仪器对入射于光纤并由自聚焦透镜出射的光信号进行监控，便能快速地使斜面插针达到最佳位置，输出的光功率达到最大；

D、然后给插针涂覆固定胶，实现封装。

2.根据权利要求1所述的一种光纤准直器封装方法，其特征在于：光纤插针斜端面由随机相位转到与自聚焦镜头斜端面平行所需旋转的角度θ推导如下：

由几何光学，原平面和实际的投影平面的面积有以下关系：

其中，S为平面的面积，α为投影平面和原平面的夹角；

S_图像投影为光纤插针斜端面投影的图像面积，β为成像系统的线放大倍率；所以光纤插针斜端面和水平面的夹角α可由以下公式求出：

假设光纤插针斜端面的法矢量位于XOZ平面内，并设水平面的单位法矢量为 ${\stackrel{\→}{n}}_1=\left(\mathrm{1,0,0}\right),$ 而 ${\stackrel{\→}{n}}_2=(-\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ},\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\θ},\cos \mathrm{\γ}),$ 其中γ为纤插针端面的斜面倾角，θ为光纤绕轴线旋转角；

水平面法矢量和光纤端面法矢量的夹角α可以由以下公式求得，即：

$\cos \mathrm{\α}=\frac{|x_1\·x_2+y_1\·y_2+z_1\·z_2|}{\sqrt{x_1^2+y_1^2+z_1^2}\·\sqrt{x_2^2+y_2^2+z_2^2}}---\left(5\right)$

将水平面法矢量和光纤端面法矢量

代入公式(5)得：

cosα＝|-sinγcosθ|＝sinγcosθ    (6)

联立公式(3)和公式(6)，最终可以得到光纤插针需要旋转的角度θ(逆时针旋转方向)：

3.根据权利要求2所述的一种光纤准直器封装方法，其特征在于：所述光纤插针端面的投影面积即S_图像投影的计算方法为：对用CCD采集到的包含光纤插针端面的数字图像，先用滤波算法去除噪声，然后根据光纤插针端面图像的颜色或灰度信息采用串行边界分割算法对图像进行处理，分割出目标，并通过扫描图像，计算出光纤端面目标在图像中所占的像素，即可计算出光纤端面的投影面积。

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