CN111638578A - 一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合定位装置 - Google Patents

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余桂英
张宝武
赵美丹
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Abstract

本发明涉及一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合定位装置，适用于光器件生产，包括控制台、防振台、输入端准直器夹持机构、接收端准直器夹持机构、光器件基板夹持机构、机械臂吸取机构、激光光源、光功率计、镜像双目视觉检测机构、多轴运动平台，所述接收端准直器夹持机构、光器件基板夹持机构固定装载在多轴运动平台上，其余机构固定于防振台上。本发明通过镜像双目视觉对光器件进行初步耦合后再根据光功率计所接受的光强信号进行高精度耦合，结构简单、硬件成本，能高效、高精度地进行光准直耦合。

Description

一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合定位装置
技术领域
本发明属于光器件制作领域，具体涉及一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置。
背景技术
随着5G时代的到来，一些经济新业态会在5G技术的赋能下得到进一步的推动和升级发展，其中就包括了视联网与物联网、移动电商、无人零售、虚拟社交、在线娱乐、远程医疗、远程教育、网络办公、智慧城市等。在这样的背景下, 全球范围内的网络和数据中心运营商将争夺带宽,都需要大容量的传输系统搭建通信的基础平台，而其主要的技术手段就是采用光通信技术，光器件的需求将不断增长。
在光通信领域，主要运用平面光波导（Planar Light-wave，简写PLC）技术及波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术，前者是基于PLC芯片进行分光功率或者分光波长的技术；后者是基于无源光模块在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增的超高速的光缆技术。WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。
光器件是尺寸极小的产品，透镜的尺寸一般小于1mm，镀有滤波膜层，极易损坏，不可触碰。在耦合过程都是在极小的尺寸之间进行的，需要极高的定位精度（0.5微米），往往以在器件的一端通过光纤准直器发射激光，在另一端放置光纤准直器接收激光的方式来确定耦合位置。从光纤中发射出的激光是具有一定发散角的，两耦合平面的平行度以及两耦合平面之间距离均对耦合的器件光学参数指标（例如，影响器件插损、回损等）有决定性影响。当前市面上存在的光模块自动耦合装置成本极其高昂，大多数企业难以负担，仍在人工耦合台上进行纯人工产生或者半自动化生产，透镜的抓取、放置及耦合等操作都需要非常小心，生产效率较低，尤其是阵列波导类器件，其一般通过手动耦合，因此一致性较差。
将机器视觉引入光器件制作领域将大大提高生产效率，增加企业效益，目前存在几个问题，一是照明方案设计，由于光器件为玻璃材质，尺寸较小，对精度要求高，需要解决边缘衍射效应产生的误差；二是成本控制。
公告号为CN110061415A，名称为“光模块自动耦合装置”的中国专利中公开了一种装置，包括光模块托盘、透镜托盘、耦合台、光模块抓取装置、透镜安装装置及三台相机。该耦合装置主要分为两个步骤进行检测：（1）通过光模块的光信号和电信号将透镜固定在最佳配合位置，（2）通过三台相机确定透镜安装装置的最佳配合位置对透镜进行固定安装。
针对该装置检测步骤顺序：根据光模块本身的光电信号转换的定位精度比根据相机图像的定位精度高，该检测步骤顺序存在不合理，最终将导致透镜的安装误差较大。针对步骤（2）：该机器视觉检测模块采取了3个相机进行定位，结构冗杂，硬件成本高，且没有设计合理的照明装置将导致定位精度较低。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置和方法，克服现有技术中的欠缺而提供一种结构简单、成本较低、检测精度较高的自动光准直耦合方法。在此基础上进行无源光模块生产，具有高效、稳定、准确等优点，提升工业制造水平。
本发明提供如下技术方案：一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，包括控制台、防振台、输入端准直器夹持机构、接收端准直器夹持机构、光器件基板夹持机构、机械臂吸取机构、激光光源、光功率计、镜像双目视觉检测机构、多轴运动平台。所述输入端准直器夹持机构、机械臂吸取机构、光功率计、激光光源、多轴运动平台、镜像双目视觉检测机构通过其固定装置装载在防振台上，工装部件采用磁性固定，并设置相应的定位基准面，重复定位精度高，确保他们在整个耦合过程稳定进行，所述接收端准直器夹持机构、光器件基板夹持机构固定装载在多轴运动平台上，所述多轴运动平台选用高刚性，高精度的平台，再现性好，所述激光光源连接输入端准直器夹持机构上的光纤准直器输出光信号，所述光功率计接收端连接准直器夹持机构上光纤准直器用于读取探测到的光强并通过输出端传送给控制台进行高精度耦合，所述镜像双目视觉检测机构采用由单摄像机与单反射镜组成的非对称式平面折反射镜像双目结构，同时采集两个光纤准直器相对于多轴运动平台的空间位置进行初步耦合。
本发明与现有技术相比具有以下优点：1、采取镜像双目视觉设计，结构简单，硬件成本低。2、能提供较高定位精度。
附图说明
图1为本发明的实施例的光准直耦合工作台的结构及连接示意图。
图2为本发明实施例中镜像双目视觉检测机构的结构示意图。
图3为本发明实施例中镜像双目视觉检测机构的光路示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明主体通过机械连接装载在防振台105上，确保他们在整个耦合过程位置固定,包括机械臂吸取机构101、光功率计102、多轴运动平台104、镜像双目视觉检测机构107、输入端准直器夹持机构108、激光光源109，所述接收端准直器夹持机构103、光器件基板夹持机构106固定装载在多轴运动平台104上，控制台110由计算机及PLC组成，安装在防振台105的一侧，分别于与机械臂吸取机构101、多轴运动平台104、镜像双目视觉检测机构107电连接。
参见图2，镜像双目视觉检测机构107安装在防振台105上，由工业相机111、镜头112、光源113、光学反射镜114及支撑架115组成，镜头112的主光轴与防振台105水平垂直，光学反射镜114与镜头112的主光轴成一定角度，光源113位于镜头112正下方。
参见图3，本发明采用由单摄像机与单反射镜组成的非对称式平面折反射镜像双目结构，光路主要由工业相机111、虚拟相机113、光学反射镜114及被测物115组成，被测物115表面的光学信息一部分直接进入工业相机111，另一部信息经过已调节位置和角度的光学反射镜114反射进入工业相机111实现大基线距的侧方成像，形成虚拟摄像机113。
工作原理：本发明的耦合定位方法包括以下步骤。
A、启动设备后，激光光源连接输出端准直器夹持机构上的光纤准直器输出光信号，光功功率计读取接收端光纤准直器光信号。
B、此时，镜像双目视觉检测机构每间隔一定时间同步采集两张有一定视差的图像传输给控制台。
C、此时，控制台每得到一组图像就通过图像算法得出两个光纤准直器的相对位置，然后发出相应的运动指令给多轴运动平台。
D、此时，多轴运动平台做出反馈，调整接收端准直器夹持机构的姿态。
E、此时，不断循环以上B、C、D指令直到不同视差图像中的两个准直器的光轴都处于同一基准线，完成初步耦合。
F、此时，机械臂吸取机构吸取光器件基板，通过镜像双目视觉检测机构获取的光器件基板与光器件基板夹持机构的相对位置后将光器件基板放置在光器件基板夹持机构上。
G、此时，机械臂吸取机构吸取光器件，通过镜像双目视觉检测机构获取的光器件与光器件基板的相对位置后将光器件悬放在光器件基板上方一定距离。
H、此时，输出端准直器输出的光信号经过光器件后进入输入端光纤准直器，光功率计读取光强信息后传送给控制台。接收端连接接收端准直器夹持机构上光纤准直器用于读取探测到的光强并通过输出端传送给控制台进行高精度耦合。
I、此时，控制台通过光耦合算法处理接受到的光强信息，然后发出相应的运动指令给多轴运动平台。
J、此时，多轴运动平台做出反馈，调整机械手抓取机构或机械手抓取机构的姿态。
K、此时，不断循环以上H、I、J指令直到光功率计中读取稳定的最大光强，完成高精度耦合。
L、此时，用户可以通过外接其他设备对光器件进行点胶或其他操作。
综上所述，本发明能够实现对光器件进行高效率、高精度自动光准直耦合，提高企业效益。
尽管本发明已经示出了本发明的实施例，但其并非用以限定本发明的保护范围，比如可以在镜头及光源上增加偏正片等常用视觉辅助元件。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和构思的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，其特征在于：包括控制台、防振台、输入端准直器夹持机构、接收端准直器夹持机构、光器件基板夹持机构、机械臂吸取机构、激光光源、光功率计、镜像双目视觉检测机构、多轴运动平台。所述输入端准直器夹持机构、机械臂吸取机构、光功率计、激光光源、多轴运动平台、镜像双目视觉检测机构通过其固定装置装载在防振台上并确保他们在整个耦合过程中位置固定，所述接收端准直器夹持机构、光器件基板夹持机构固定装载在多轴运动平台上，所述激光光源连接输入端准直器夹持机构上的光纤准直器输出光信号，所述光功率计接收端连接接收端准直器夹持机构上光纤准直器用于读取探测到的光强并通过输出端传送给控制台进行高精度耦合，所述镜像双目视觉检测机构采集两个光纤准直器相对于多轴运动平台的空间位置进行初步耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，其特征在于：所述多轴运动平台的运动三维空间内X、Y和Z三个直线维度和分别及基于该三个直线维度旋转的θX、θY和θZ旋转维度，通过镜像双目视觉检测机构提供光纤准直器的空间位置进行初步耦合。
3.根据权利要求2所述的一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，其特征在于：所述机械臂吸取机构与多轴运动平台及镜像双目视觉检测机构形成统一的世界坐标系，经过初步耦合后，基于光功率计提供的光信号配合多轴运动平台通过负压吸嘴将光学元件准确放置于器件基板上。
4.根据权利要求2所述的一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，其特征在于：所述接收端准直器夹持机构带有可对光纤准直器进行旋转、倾斜和摆动角度调整的机构。
5.根据权利要求2所述的一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，其特征在于：所述光器件基板夹持机构带有可对光器件基板进行旋转、倾斜和摆动角度调整的机构。
6.根据权利要求1所述的一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，其特征在于：所述镜像双目视觉检测机构采用由单摄像机与单反射镜组成的非对称式平面折反射镜像双目结构，具体由相机、镜头、支撑架、光源、光学反射镜组成。检测时，被测物表面的光学信息一部分直接进入工业相机，另一部信息经过已调节位置和角度的光学反射镜反射进入工业相机实现大基线距的侧方成像，形成虚拟摄像机，从而达到采用一台相机拍摄同时获取被测物两张有一定视差图像的效果。所述相机为工业CMOS相机，镜头主光轴与防振台水平垂直，光学反射镜与镜头主光轴成一定角度，光源位于镜头正下方。
7.根据权利要求6所述的一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，其特征在于：所述平面反射镜固定于防振台上，按照标定算法使镜头主光轴成一定角度。
8.根据权利要求6所述的一种基于镜像双目视觉的自动光准直耦合装置，其特征在于：所述光源为穹顶灯，根据多轴运动平台的行程选择适当大小的灯源及光源与相机的相对距离。
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