CN101320705A

CN101320705A - 一种部件与透镜中心轴线对准的方法

Info

Publication number: CN101320705A
Application number: CNA2007100748332A
Authority: CN
Inventors: 柏劲松
Original assignee: Shenzhen Mengyaguang Electromechanical Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Mengyaguang Electromechanical Technology Co Ltd
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-12-10

Abstract

本发明涉及光电组件制造技术，针对现有实现部件与透镜对准过程中机械对准精度差、有源光学对准成本高的缺点，提供一种部件与透镜中心轴线对准的方法，包括固定光学成像系统和结构光照明系统，使二者中心轴线重合；结构光照明系统发出光束照明透镜和部件；光学成像系统捕捉结构光照明系统经透镜上、下表面反射后的至少两个有中心特征结构的像；调整透镜的位置，使这至少两个像中心重合；光学成像系统捕捉部件表面的有特定特征结构的像；调整部件的位置，使特定特征结构处于重合的至少两个像的中心。本方法可有效应用于各种光电芯片与透镜的对准，且操作方法简单易行，对准精度高，成本低。

Description

一种部件与透镜中心轴线对准的方法

技术领域

本发明涉及光电组件制造技术，更具体地说，涉及一种部件与透镜中心轴线对准的方法。

背景技术

TO(Transistor Outline)封装是半导体光电子器件的主流封装方式之一，采用这种方式封装的激光器/探测器结构简单、价格低廉、可靠性高，主要应用于短途光通信，包括Metro(城域网)、DataCom(数据网络)、FTTH(光纤到户)以及移动机站通信等，市场需求量巨大。

目前高端TO封装器件的价格偏高，这主要是由于封装的成品率较低造成的。当前，一些TO封装生产线在进行TO封帽焊接时，只使用机械方式对准，没有采用光学对准。这种对准方式可以满足一些低端TO器件的封装要求，但对于高端TO器件来说，却无法保证芯片的有源区和透镜光轴之间的精密对准，生产出来的封装元件无法达到较高的TOSA(Transmitting OpticalSub-Assembly，光发射组件)/ROSA(Receiving Optical Sub-Assembly，光接收组件)光纤耦合效率，且耦合速度慢，从而造成产品合格率低下，材料浪费严重，直接导致器件成本上升。

虽然一些高端TO封装设备可以采用有源光学对准方式来实现精密对准及焊接，但此类设备往往需要配置与发光芯片波长相匹配的红外成像系统，结构过于复杂，从而直接导致封装设备价格和维护成本过高。另一方面，此类设备只能用于TO发光组件，而不能用于TO光探测组件。

因此，需要一种技术，可采用简单低廉的光学成像系统来实现半导体激光二极管芯片/半导体光探测芯片与封装壳体透镜的对准。另外，一些部件的加工，比如用激光将焊球熔化在一图形衬底的某一位置，激光束需要经过透镜投射到焊球上，在此之前，需要将焊球与透镜进行对准。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术实现部件与透镜中心轴线对准过程中机械对准精度差、有源光学对准成本高的缺点，提供一种对准透镜中心轴线的方法，用于将所述透镜的中心轴线与光学成像系统的中心轴线对准，包括如下步骤：

M1、固定所述光学成像系统和结构光照明系统，使二者的中心轴线重合；

M2、所述结构光照明系统发出光束对所述透镜进行照明；

M3、所述光学成像系统捕捉到所述结构光照明系统经所述透镜上、下表面反射后的至少两个有中心特征结构的像；

M4、调整所述透镜的位置，使所述至少两个有中心特征结构的像的各自中心特征结构的中心重合。

在本发明所述的方法中，所述结构光照明系统包括环行结构光照明系统、同轴结构光照明系统或者环行结构光与同轴光的组合。

在本发明所述的方法中，所述透镜为单个凸透镜、单个凹透镜或者透镜组。

在本发明所述的方法中，所述结构光照明系统发出的光束为可见光或红外光，所述可见光或红外光的波长由透镜的材料及镀膜决定。

在本发明所述的方法中，所述光学成像系统包括光学显微镜。

本发明进一步提供了一种部件与透镜中心轴线对准的方法，包括如下步骤：

N1、固定光学成像系统和结构光照明系统，使二者的中心轴线重合；

N2、所述结构光照明系统发出光束对所述透镜和所述部件进行照明；

N3、所述光学成像系统捕捉到所述结构光照明系统经所述透镜上、下表面反射后的至少两个有中心特征结构的像；

N4、调整所述透镜的位置，使所述至少两个有中心特征结构的像的各自中心特征结构的中心重合；

N5、所述光学成像系统捕捉到所述部件表面的有特定特征结构的像；

N6、调整所述部件的位置，使所述有特定特征结构的像的特定特征结构处于中心特征结构的中心重合的所述至少两个有中心特征结构的像的中心。

在本发明所述的方法中，所述结构光照明系统发出的光束为可见光或红外光，所述可见光或红外光的波长由所述部件、透镜的材料及镀膜决定。

本发明可有效应用于各种光电芯片与透镜的对准，且操作方法简单易行，对准精度高，成本低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明方法使用的光学系统的基本结构示意图；

图2是本发明提供的部件与透镜中心轴线对准方法的流程示意图；

图3是环形结构光照明系统示意图；

图4是环形结构光照明系统的一种光源布置示意图；

图5是环形结构光照明系统的另一种光源布置示意图；

图6是环形结构光照明系统的又一种光源布置示意图；

图7是同轴结构光照明系统示意图；

图8是环形结构光加同轴光组合照明系统示意图；

图9是按照本发明方法的对准透镜光轴的第一原理示意图；

图10是按照本发明方法的对准透镜光轴的第二原理示意图；

图11是本发明方法的将部件与透镜光轴对准的第一原理示意图；

图12是本发明方法的将部件与透镜光轴对准的第二原理示意图；

图13是本发明针对半导体探测芯片对准成像的实拍图；

图14是半导体光探测器芯片的表面结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明方法使用的光学系统的基本结构示意图。在图1示出的本发明方法使用的光学系统中，包括光学成像系统100，结构光照明系统102，透镜104以及需要与透镜中心轴线对准的部件106(设置在底座之上)，其中透镜104为单个凸透镜、单个凹透镜或者透镜组，光学成像系统100内部包括光学显微镜(未示出)。

图2是本发明提供的部件与透镜中心轴线对准方法的流程示意图。如图2所示，本方法开始于步骤200，固定光学成像系统100和结构光照明系统102，使二者的中心轴线重合；随后，在步骤202，结构光照明系统102发出光束对透镜104和部件106进行照明；在下一步骤204，光学成像系统100捕捉到结构光照明系统102经透镜104上、下表面反射后的至少两个(因透镜104上、下表面反射后可能会形成多个像)有中心特征结构的像；接下来，在步骤206，调整透镜104的位置，使至少两个有中心特征结构的像的各自中心特征结构的中心重合；在下一步骤208，光学成像系统100捕捉到部件106表面的有特定特征结构的像；最后，在步骤210，调整部件106的位置，使有特定特征结构的像的特定特征结构处于中心特征结构的中心重合的至少两个有中心特征结构的像的中心，从而实现部件106与透镜104中心轴线的对准。

其中，部件106可以是下列之一：半导体激光二极管(LD)芯片、半导体发光二极管(LED)芯片、半导体超辐射二极管(SLED)芯片、半导体光放大器(SOA)芯片、半导体光探测芯片(PD)及其它光探测芯片、微机械(MEMS)芯片和微光机械(MOEMS)芯片等。

图3是环形结构光照明系统示意图。在具体实施过程中，该环形光源的形状可以为圆形、椭圆形或者其他对称的结构。该环形结构光照明系统包括发光单元300，该发光单元300发出的光束为可见光或红外光，该可见光或红外光的波长由透镜104的材料及镀膜决定。

图4-图6是图3中环形结构光照明系统的三种光源布置示意图。在图4中，环形结构光照明系统包括按照环形分布的4颗发光单元300，具体来说，该发光单元可以是LED或小灯泡。在图5中，环形结构光照明系统包括按照环形分布的多颗发光单元300。在图6中，环形结构光照明系统中的光源为多根光纤捆匝而成的光纤灯，或者环形灯管。

图7是同轴结构光照明系统示意图。如图7所示，该同轴结构光照明系统包括光源700、结构光板702以及直角棱镜704，其中结构光板702具有如下特性，均匀的入射光通过之后变成有图样的光。比如，该结构光板可以是遮光板，其上设有透光窗，其形状可根据具体需要设置。

图8是环形结构光加同轴光组合照明系统示意图。如图所示，该照明系统采用了由第一光源800及直角棱镜802组成的第一光源以及包括若干发光单元804的环形结构的第二光源。

图9是按照本发明方法的对准透镜光轴的的原理示意图。如图9所示，结构光照明系统102采用如图5所示的多颗发光单元300做光源，其经透镜104上表面反光后，在光学成像系统100中的成像为900，该成像900包括第一中心特征结构902；结构光照明系统102经透镜104下表面反光后，在光学成像系统100中的成像为904，该成像904包括第二中心特征结构906。如图9所示，第一中心特征结构902与第二中心特征结构906的中心并未重合，说明透镜104的中心轴线与结构光照明系统102的中心轴线和光学成像系统100的中心轴线并未重合。此时，借助像900和904来调整透镜104的位置，使得第一中心特征结构902的中心与第二中心特征结构906的中心重合，这样便可使透镜104的中心轴线与结构光照明系统102的中心轴线以及光学成像系统100的中心轴线重合。透镜104的中心轴线与结构光照明系统102的中心轴线以及光学成像系统100的中心轴线重合后，像900与像904的位置关系如图10所示，第一中心特征结构902与第二中心特征结构906的中心重合，形成如图中阴影所示的亮区。

图11是本发明方法的将部件与透镜光轴对准的原理示意图。如图11所示，结构光照明系统102采用如图5所示的多颗发光单元300做光源，其经透镜104上表面反光后，在光学成像系统100中的成像为1100，该成像1100包括第三中心特征结构1102；结构光照明系统102经透镜104下表面反光后，在光学成像系统100中的成像为1104，该成像1104包括第四中心特征结构1106。如图11所示，第三中心特征结构1102与第四中心特征结构1106的中心重合，说明透镜104的中心轴线与结构光照明系统102的中心轴线和光学成像系统100的中心轴线已重合。

同时，部件106表面本身有一定的图案(比如马蹄形图案)，该表面反光后，在光学成像系统100中的成像为1108，该成像1108包括特定特征结构1110，在图11所示的特定实施例中，该特定特征结构1110为一缺口。此时，特定特征结构1110并未处于中心重合的像1100和像1104的中心，说明透镜104与部件106并未对准。若要使部件106的特征位置与透镜104的中心轴线对准，只需移动部件106，使像1108的特定特征结构1110处于像1104和1102的中心即可。部件106与透镜104对准后，像1100、像1104和像1108的位置关系如图12所示。

图13是本发明针对半导体探测芯片对准成像的实拍图。部件106为半导体探测芯片，其表面有马蹄形的金属电极结构，如图14所示。结构光照明组件102经透镜104上表面反光后，在光学成像子系统100中的成像为1300，该成像1300包括第五中心特征结构1302；结构光照明组件102经透镜104下表面反光后，在光学成像子系统100中的成像为1304，该成像1304包括第六中心特征结构1306。如图9所示，第五中心特征结构1302与第六中心特征结构1306的中心重合，说明透镜104的中心轴线与结构光照明组件108的中心轴线和光学成像系统100的中心轴线已重合。

部件106的表面反光后在光学成像子系统100中的成像为1308，该成像1308包括特定特征结构1310，在图13中，该特定特征结构1310为一缺口。此时，特定特征结构1310并未处于重合的像1300和像1304的中心，说明透镜104与部件106并未对准。移动部件106，使像1308的特定特征结构1310处于像1300和1304的中心，即可实现对准。

图14是半导体光探测器芯片的表面结构示意图，其中展示了半导体光探测器芯片1402和其上马蹄形的金属电极结构1404。其中，金属电极结构1404在经光束照射时会产生强烈的反光，而半导体光探测器芯片1402上的其他部分则吸收光。

本发明的方案可有效应用于各种光电芯片与透镜的对准，且操作方法简单易行，对准精度高，成本低。

Claims

1.一种对准透镜中心轴线的方法，用于将所述透镜的中心轴线与光学成像系统的中心轴线对准，其特征在于，包括如下步骤：

M2、所述结构光照明系统发出光束对所述透镜进行照明；

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构光照明系统包括环行结构光照明系统、同轴结构光照明系统或者环行结构光与同轴光的组合。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透镜为单个凸透镜、单个凹透镜或者透镜组。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构光照明系统发出的光束为可见光或红外光，所述可见光或红外光的波长由所述透镜的材料及镀膜决定。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学成像系统包括光学显微镜。

6、一种部件与透镜中心轴线对准的方法，其特征在于，包括如下步骤：

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述结构光照明系统包括环行结构光照明系统、同轴结构光照明系统或者环行结构光与同轴光的组合。

8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述透镜为单个凸透镜、单个凹透镜或者透镜组。

9、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述结构光照明系统发出的光束为可见光或红外光，所述可见光或红外光的波长由所述部件、透镜的材料及镀膜决定。

10、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光学成像系统包括光学显微镜。