CN101477229A - 阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法及平行光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法，波导芯片放置在摄像头的正前方，采用平行光从波导芯片的背面垂直照射向波导芯片，平行光线从波导芯片外部进入波导芯片内部后再射入到摄像头内进行拍摄。其平行光源装置是在外套筒(4)内设有通孔(10)，所述的外套筒(4)前端设有与所述的通孔(10)对应的螺纹孔(9)，挡圈(1)和弹簧(3)将凸透镜(2)安装在所述的螺纹孔(9)内，底板(7)通过盖板(6)将电路板(8)安装在所述的外套筒(4)底端，所述的电路板(8)上设有LED灯(5)且所述的LED灯(5)处于所述的凸透镜(2)的焦点上。

Description

阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法及平行光源装置

技术领域

本发明涉及一种阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法，本发明还涉及应用于该阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法的平行光源装置。

背景技术

阵列波导器件是支撑未来光通信技术发展的光MEMS器件，具有广阔应用前景。它采用MEMS工艺制造波导芯片，将常规分立光学元件的各种功能集成到同一光学衬底表面，完成常规分立光学系统的光通信处理能力，实现光功率分配、光开关、光滤波等功能，具有结果紧凑、抗干扰、性能一致性好、便于自动化批量生产等突出优势。据CIR(通讯工业研究者公司)统计，2006年阵列波导器件的市场约为13亿美元，据其预测，未来5年的平均增长率大于50％。

阵列波导器件的封装，利用亚微米精度运动平台，将波导芯片与阵列光纤进行对准耦合并固定，实现器件的高性能。其主要特点是：波导芯片与光纤间要求模场匹配的光纤对准与耦合，对准过程需要进行6维全空间的高精度定位；而且多光路需以近乎相同的低损耗同时实现对接耦合，要求数十甚至数百路光路同时达到亚微米对准精度。因此耦合与封装成为制约阵列波导器件发展的一个瓶颈，封装总成本占总成本的70％～90％，封装时间占生产时间的50％以上。

阵列波导器件的封装设备集成了对准耦合、布胶、固化、测试等功能，精度和自动化要求高、结构复杂，是集成了光、机、电、液于一体的高技术装备，被美国、德国、日本等少数几家公司垄断，单台售价为20～40美元。近几年，国内也开展了相关的研究，武汉光迅科技有限公司以及哈尔滨工业大学等都取得了进展，目前正处在研发阶段，尚未出现产品。现在实用的阵列波导器件封装设备对准有两种方式：1.采用盲搜索的方式，通过光功率的反馈，利用合理的算法实现芯片光通道之间的亚微米精度的对准。2.利用机器视觉与被观测对象无接触，易于实现自动化的优点，采用机器视觉进行对准。

在机器视觉这种对准方法中，获取到清晰、高质量的图像是一个机器视觉系统成功的最重要步骤之一，清晰、高质量的图像可以简化图象处理的算法，提高系统的稳定性，因此合理的选取相机和光源，并设计适当的照明方式。在实际应用中，比如图像分割，很大程度上取决于图像的质量，而图像的质量很大程度上取决于合理的打光和稳定的照明系统。为了完成视觉处理任务，我们有两个方法解决这个问题：1.使我们的机器视觉系统对照明不敏感，可以忽视由于照明的改变对图像造成的影响。2.利用稳定均匀的外在光源，使用合理的照明方式。在实际案例中，比如说日光、普通的白炽灯，光照往往会随着时间而改变不能满足机器视觉的应用；因此，设计均匀、稳定的光源在机器视觉应用中是非常有必要的。

照明方式总的来说可分为前向照明、背向照明。不同照明方式适用于不同的情况，下表是各种照明方式及相应的特点：

表1.主要照明技术及特点

根据表1中列出的照明方式，不同的照明方式对应于不同的情况，在实际应用中还要由实验来确定哪种照明方式最合适。

光纤纤芯的模场直径为9.2um，而光波导光通道的宽度为8～3um不等，都是微米级尺度，而波导芯片和光纤阵列的外形的尺寸精度较差，误差一般在150um以上，而目前国际上的关于阵列波导封装的先进指标是每端损耗低于0.15dB。要达到这一指标，除了要求阵列波导的模场分布尽可能与光纤的一致，还必须要求波导器件的导光通路与光纤的光轴对准误差在亚微米级，因此，在阵列波导芯片和光纤阵列的对准中，应用机器视觉对阵列波导和光纤阵列进行边缘对准是不够的，需要实现光通道的直接对准。目前日本的骏河精机的封装设备中，采用的是接触力传感器方法，并未采用机器视觉的方法。日本久下(KUGE)公司采用接触传感器和红外相机(盲搜索)来进行波导芯片和光纤阵列的粗对准，未采用机器视觉。德国ficonTEC公司的阵列波导封装设备中，机器视觉系统的照明采用正面打光。

同轴光照明主要用于检测反光程度很厉害的平面物体，比如玻璃。它的特点是：里面有一块45度安装的半透半反玻璃。LED发出的光线，先通过全反射垂直照到被测物体，从被测物体上反射的光线垂直向上穿过半透半反玻璃，进入摄像头。这样就既消除了反光，又避免了图象中产生摄像头的倒影。ficonTEC公司采用这种照明方式，只能观察到芯片的边缘，不能看到芯片内部的光路，只能进行芯片的边缘对准。但由于芯片本身的外形尺寸精度误差在150um以上，因此采用机器视觉对准精度不会很高，而同时阵列波导封装要求波导芯片的光路与光纤的光轴对准误差在亚微米级，两者精度相差很远，所以对ficonTEC公司采用的方案，机器视觉只是实现一个粗对准功能。总的来说，这种照明方式存在的弊端是：1.只能看到芯片边缘，看不到内部光路2.芯片外形尺寸差，对准精度不高3.机器视觉投入资金多，而只是实现了粗对准，经济效益不高。

阵列波导器件是透明的、不易反射光，正面照明很难看到光通道，光通道位于芯片的内部尺寸小，且光通道和周围介质之间的折射率差异小(0.3～2.0％)，因此，在阵列波导封装系统机器视觉中，须选择并设计一种合理的照明方式，并设计一个稳定而廉价的光源，解决光波导器件封装过程中，阵列波导光通道和光纤纤芯位置难以精确检测的问题。

此外，由于六维驱动平台之间空间位置的限制，封装设备中照明系统的安装空间狭小，而市场上现有的光源尺寸远大于设备的安装空间，需要照明系统具有体积小、打光效率高的特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以观测到波导芯片内部光通道的阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法。

本发明还要解决的技术问题是提供一种均匀、稳定、体积小、廉价的平行光源装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法，波导芯片放置在摄像头的正前方，采用平行光从波导芯片的背面垂直照射向波导芯片，平行光线从波导芯片外部进入波导芯片内部后再射入到摄像头内进行拍摄。

本发明提供的平行光源装置，在外套筒内设有通孔，所述的外套筒前端设有与所述的通孔对应的螺纹孔，挡圈和弹簧将凸透镜安装在所述的螺纹孔内，底板通过盖板将电路板安装在所述的外套筒底端，所述的电路板上设有LED灯且所述的LED灯处于所述的凸透镜的焦点上。

发光体和透镜之间有一个被压缩的弹簧，发光体和透镜之间的距离可以调节，在采用平凸透镜时，可以推导得到在垂直光轴面上的点C的照度如下：

$E=\frac{I[R^4-d^2{\left(\sqrt{n^2{R}^2-d^2}\right)}^2]}{f_b^2{R}^4}$

其中I是光源的发光强度，R是平凸透镜的半径，n是透镜的折射率，d是点C到光轴的距离。

采用上述技术方案的阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法，采用平行光从背面垂直照射向波导芯片，光线从外部进入波导芯片内部。平行光线经过光通道下表面时，有部分光线发生反射，光线从光通道再次进入波导芯片时，又有部分光线发生反射，也就是说，比没经过光通道的光线而言，进入通过波导芯片经过光通道路的光线要多经历两次反射，因而产生了造成的反射光能量损失，光线强度会比通过波导芯片而没经过光通道的光线要小，光线强度的变化会反应在拍摄的图像上，因此就可以观测到光通道。但是实际中，由于波导芯片的光通道材料比外部折射率大，同时也不是完全的方形，而是每一个侧面的中间均略微突起，形成了一个凸透镜结构，因此通过光通道的光线会聚焦，产生自聚焦现象，因此光通道会比周围亮；但由于光通道对外部折射率变化小，凸透镜效应不明显，因此这个透镜的聚光能力弱，同时由于反射光线的能量损失，在拍摄的图像上，光通道比周围区域稍亮，这样就把光通道从玻璃衬底检测出来了。

本发明提供的平行光源装置，包括点光源和一个可调的稳压直流电源。点光源利用的稳压直流电源进行驱动，通过改变电压，来调节LED灯的亮度使满足机器视觉照明要求。LED灯通过凸透镜折射，转变为稳定的平行光，同时通过调节前环，来调节透镜和LED灯之间的距离，保证LED灯处于凸透镜的焦点上，从而保证出来的是平行光。

本发明的优点：

1、采用背光源方式来进行照明，使得机器视觉能清晰看到阵列波导器件中的波导和光纤阵列的纤芯。

2、本发明中光源输出强度均匀的平行出射光，能满足特殊场合的照明。

3、本发明内部采用弹簧结构，通过旋转挡圈来实现透镜与LED灯之间距离的微调，使LED灯在透镜的焦距上，保证出射光是均匀的平行光。

4、本发明的外形结构小，因此可用于安装空间狭小的场合。

5、本发明采用单个LED灯，散热量小，不需要额外加风扇散热，同时就避免了风扇转动引起的振动，可用于精密控制的场合。

6、本发明得到的是均匀的圆形平行光，光照强度理论上不随工作距离变化而变化。

7、本发明采用高亮度的单色LED作为光源，使用寿命长，光源稳定。

综上所述，本发明是一种可以观测到波导芯片内部光通道的阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法，其平行光源装置体积小、廉价，其光源均匀、稳定。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的波导芯片照明截面示意图；

图3是本发明平凸透镜尺寸图；

图4是平凸透镜照度分析示意图；

图5是本发明的平行光源装置结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1，波导芯片12放置在摄像头11的正前方，平行光源装置13采用平行光从波导芯片12的背面垂直照射向波导芯片12，平行光线从波导芯片12外部进入波导芯片12内部后再射入到摄像头11内进行拍摄。

参见图1和图2，采用平行光从背面垂直照射向波导芯片12，光线从外部进入波导芯片12内部，平行光线经过光通，14下表面时，有部分光线发生反射，光线从光通道14再次进入波导芯片12时，又有部分光线发生反射，也就是说，比没经过光通道14的光线而言，进入通过波导芯片12经过光通道14的光线要多经历两次反射，因而产生了造成的反射光能量损失，光线强度会比通过波导芯片12而没经过光通道14的光线要小，光线强度的变化会反应在拍摄的图像上，因此就可以观测到光通道14。但是实际中，由于波导芯片12的光通道14材料比外部折射率大，同时也不是完全的方形，而是每一个侧面的中间均略微突起，形成了一个凸透镜结构，因此通过光通道14的光线会聚焦，产生自聚焦现象，因此光通道14会比周围亮；但由于光通道14对外部折射率变化小，凸透镜效应不明显，因此这个透镜的聚光能力弱，同时由于反射光线的能量损失，在拍摄的图像上，光通道14比周围区域稍亮，这样就把光通道14从玻璃衬底检测出来了。

参见图5，在外套筒4内设有通孔10，外套筒4前端设有与通孔10对应的螺纹孔9，外套筒4的螺纹孔9与挡圈1的外螺纹配合安装，用于固定凸透镜2，外套筒的螺纹孔9与通孔10之间有一个台阶，用于放置弹簧3，将凸透镜2放置于弹簧3上，通过旋转挡圈1，来调节透镜3与LED灯5(或激光二极管)之间的距离；LED灯5焊接在电路板8上，通过电路板8与盖板6之间的配合来保证LED灯5的安装位置，LED灯5处于凸透镜2的焦点上；外套筒4与盖板6、底板7之间通过四个小螺钉来固定。

参见图3和图4，在采用平凸透镜时，可以推导得到在垂直光轴面上的点C的照度如下：

$E=\frac{I[R^4-d^2{\left(\sqrt{n^2{R}^2-d^2}\right)}^2]}{f_b^2{R}^4}$

其中I是光源的发光强度，R是平凸透镜的半径，n是透镜的折射率，d是点C到光轴的距离。在光照区域确定的情况下，光照度会随着透镜焦距的变大而变的均匀。

如图5所示，外套筒4、后盖6、紧固件7可以采用铝合金、铸铁、钢、硬质塑料制造，但表面要光滑，涂消光漆，以利于吸收光线、减少光线反射。三者采用4个螺钉加以固定。外套筒制作时，通孔10可采用矩形孔或圆形孔等，但通孔10比螺纹孔9要大，保证两者之间有个适当的台阶，用于放置弹簧3，同时还要保证通孔10和螺纹孔9之间的同轴度；如果通孔10二采用矩形孔，要保证矩形的对角线比螺纹孔9的直径要小2～5mm。螺纹孔9与挡圈1的外螺纹进行配合安装，用于调整凸透镜2的位置。同时弹簧3要制作成平头的，保证弹簧3在台阶上放置的稳定性和凸透镜2在弹簧3上放置处于水平位置，弹簧3要有足够的刚性，保证凸透镜2放上去不变形，可采用铜、钢等材料制造，表面进行热处理并涂消光漆。凸透镜2可采用平凸透镜或双凸透镜。同时挡圈1和外套筒4的螺纹连接，采用细牙螺纹，保证自锁，前环的材料与外套筒一致。

点光源LED灯5利用的稳压直流电源进行驱动，通过改变电压，来调节LED灯5的亮度使满足机器视觉照明要求。LED灯5通过凸透镜2折射，转变为稳定的平行光，同时通过调节挡圈1，来调节凸透镜2和LED灯5之间的距离，保证LED灯5处于凸透镜2的焦点上，从而保证出来的是平行光。

Claims (3)

1、一种阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法，其特征是：波导芯片放置在摄像头的正前方，采用平行光从波导芯片的背面垂直照射向波导芯片，平行光线从波导芯片外部进入波导芯片内部后再射入到摄像头内进行拍摄。

2、一种阵列波导对准封装中机器视觉的照明方法使用的平行光源装置，包括：挡圈(1)、凸透镜(2)、弹簧(3)、外套筒(4)、LED灯(5)、盖板(6)、底板(7)、电路板(8)，其特征是：在外套筒(4)内设有通孔(10)，所述的外套筒(4)前端设有与所述的通孔(10)对应的螺纹孔(9)，挡圈(1)和弹簧(3)将凸透镜(2)安装在所述的螺纹孔(9)内，底板(7)通过盖板(6)将电路板(8)安装在所述的外套筒(4)底端，所述的电路板(8)上设有LED灯(5)且所述的LED灯(5)处于所述的凸透镜(2)的焦点上。

3、根据权利要求2所述的平行光源装置，其特点是：在所述的发光体和透镜之间设有一个被压缩的弹簧，发光体和透镜之间的距离可以调节，在采用平凸透镜时，可以推导得到在垂直光轴面上的点C的照度如下：

$E=\frac{I[R^4-d^2{\left(\sqrt{n^2{R}^2-d^2}\right)}^2]}{f_b^2{R}^4}$

其中I是光源的发光强度，R是平凸透镜的半径，n是透镜的折射率，d是点C到光轴的距离。

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