CN112230348A - 一种全自动光纤耦合对准装置及光纤耦合对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全自动光纤耦合对准装置及光纤耦合对准方法，包括待耦合入光纤的光学器件以及依次设置在所述光学器件的光轴上的准直镜、分光镜与第一物镜，所述光纤的耦合端面设置与所述第一物镜的焦点上，所述第一物镜安装于所述分光镜的透射光路上，该全自动光纤耦合对准装置及光纤耦合对准方法信噪比高、效率高。

Description

一种全自动光纤耦合对准装置及光纤耦合对准方法
技术领域
本发明涉及半导体产品检测技术领域，尤其涉及一种全自动光纤耦合对准装置及光纤耦合对准方法。
背景技术
光从光学器件发出后在空间中传输，需要通过光束准直、光束整形、光束聚焦，耦合到传输光纤中。光束聚焦通常采用光学透镜将激光束聚焦到光纤入射端面纤芯位置，在汇聚角度与光斑大小一定的条件下，光束被耦合进传输光纤，在光纤中传输至干涉仪后进行检测，以确定是否满足使用要求。由于光纤纤芯直径较小，通常仅为10μm数量级，因此半导体激光聚焦光斑大小、汇聚角度与传输方向的偏差对耦合进光纤的效率具有加大影响，因此光学镜片的安装工序需要较高的调试精度。传统光学装调采用手动方式进行调试，但效率较低，无法满足量产的需求，且针对高灵敏度光学器件，光纤无法垂直射入光线的耦合端面内，信噪比较低无法满足客户要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种全自动光纤耦合对准装置，信噪比高且效率高。
本发明的目的之二在于提供一种光纤耦合对准方法。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种全自动光纤耦合对准装置，包括待耦合入光纤的光学器件以及依次设置在所述光学器件的光轴上的准直镜、分光镜与第一物镜，所述光纤的耦合端面设置于所述第一物镜的焦点上，所述第一物镜安装于所述分光镜的透射光路上；
还包括用于安装光学器件的六轴载物台，所述六轴载物台适于调整所述光学器件的位置以及角度，以能够使所述光学器件的光线射出端置于所述准直镜的物方焦点处；
还包括控制器、依次安装于所述分光镜的反射光路上的第二物镜与工业相机，所述控制器与所述工业相机及所述六轴载物台通信连接。
进一步地，所述准直镜与所述分光镜之间还设置有隔离器。
进一步地，所述分光镜的反射光路上还设置有光线衰减器，所述光线衰减器设置在所述分光镜与所述第二物镜之间。
进一步地，还包括功率仪，所述功率仪的输入端与所述光纤的输出端连接。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种光纤耦合对准方法，用于上述全自动光纤耦合对准装置，其包括以下步骤：
基准确定步骤：在工业相机的接收端上选取基准点，并建立直角坐标系，所述基准点为坐标系原点，所述基准点与所述光纤的耦合端面对应；
第一参考光斑获取步骤：光学器件发出的光镜所述准直镜准直后，经所述分光镜分为透射光线和反射光线，反射光线将反射至工业相机，并在工业相机的接收端上形成第一参考光斑，获得第一参考光斑坐标；
第二参考光斑获取步骤：移动所述光学器件，以使反射光线在工业相机的接收端上形成第二参考光斑，获得第二参考光斑坐标；
计算步骤：根据第一参考光斑坐标、第二参考光斑坐标计算出光学器件射出光线的偏移角度以及偏移距离；
调整步骤：六轴载物台根据偏移角度以及偏移距离调整光学器件的光线射出角度以及位置，以使反射光线能够垂直照射在所述基准点，此时，透射光线将垂直射入所述光纤的耦合端面。
进一步地，所述调整步骤中移动所述光学器件，以使透射光线在所述工业相机的接收端的能量值最大。
进一步地，在所述调整步骤之后还包括比较步骤，在所述比较步骤中，对射入光纤的耦合端面的光线能量进行检测，并判断光线能量是否不小于预设值，如不满足，则执行第一参考光斑获取步骤。
进一步地，在所述基准确定步骤之前还包括安装步骤，在所述安装步骤中，将所述光学器件粘接在所述六轴载物台上，并使所述光学器件的光线射出端朝向所述准直镜。
进一步地，在所述计算步骤中还包括验证步骤，在所述验证步骤中对光学器件射出光线的偏移角度进行验证。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本申请通过设置的分光镜与工业相机配合，通过分析射入工业相机中光线，获得光学器件射出光线照射在光纤的入射端的位置以及角度，从而能够通过控制器控制六轴载物台调整光学器件的射出角度以及位置，以使得光线能够垂直射入光纤中，确保耦合进光纤的光线损失最小，效率高，为后续光学器件的检测做好准备。
附图说明
图1为本发明的一种全自动光纤耦合对准装置的结构示意图；
图2为本发明的一种全自动光纤耦合对准装置的俯视图；
图3为本发明的一种全自动光纤耦合对准装置的简略图；
图4为本发明的一种光纤耦合对准方法第一参考光斑获取步骤中获取第一参考光斑的图像；
图5为本发明的一种光纤耦合对准方法偏移角度计算步骤中构建空间三角形的图像；
图6为图5中A处的放大视图；
图7为本发明的一种光纤耦合对准方法的流程图。
图示：1、光学器件；2、准直镜；3、隔离器；4、分光镜；5、第一物镜；6、光纤；7、光线衰减器；8、第二物镜；9、工业相机；10、安装步骤；11、基准确定步骤；12、第一参考光斑获取步骤；13、第二参考光斑获取步骤；14、计算步骤；15、调整步骤；16、比较步骤；17、第一参考光斑；18、第二参考光斑。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
由于光从光学器件发出后在空间中传输，需要通过光束准直、光束整形、光束聚焦，耦合到传输光纤中。光束聚焦通常采用光学透镜将激光束聚焦到光纤入射端面的纤芯位置，在汇聚角度与光斑大小一定的条件下，光束被耦合进光纤，在光纤中传输至干涉仪后进行检测，以确定是否满足使用要求。由于光纤纤芯直径较小，通常仅为10μm数量级，因此半导体激光聚焦光斑大小、汇聚角度与传输方向的偏差对耦合进光纤的效率具有较大影响，为解决上述问题，本申请发明了一种全自动光纤耦合对准装置，取代了现有人工调节的方式效率高。
如图1-3所示的一种全自动光纤耦合对准装置，包括待耦合入光纤的光学器件1以及依次设置在光学器件1的光轴上的准直镜2、分光镜4与第一物镜5，光纤的耦合端面设置于第一物镜5的焦点上，第一物镜5安装于分光镜4的透射光路上；
还包括用于安装光学器件1的六轴载物台，六轴载物台适于调整光学器件1的位置以及角度，以能够使光学器件1的光线射出端置于准直镜2的物方焦点处；
还包括控制器、依次安装于分光镜4的反射光路上的第二物镜8与工业相机9，控制器与工业相机9及六轴载物台通信连接。
由于光线的反射角度由光线与反射面(即分光镜的反射面)之间的夹角决定，故在使用前，需要调整分光镜4的位置，以保证当透射光线垂直入射到光纤的中心点时，该反射光线也要垂直入射到工业相机感光片中心，从而能够通过观察工业相机接受反射光线的角度和位置，以调节射出光线的角度以及位置，实现对透射光线的调节，以使其能垂直入射到光纤中心。
工作时，使用者将待检测光学器件1安装在六轴载物台上，并使得光学器件1的光线射出端朝向准直镜2，开始测试。
测试时，光学器件1射出光线通过准直镜2，由准直镜2转换成平行光，然后照射在分光镜4上，分光镜4将把射入光线分为透射光线与反射光线，其中透射光线将照射在第一物镜5上，由第一物镜5聚焦后照射在光纤的输入端，而反射光线将照射在第二物镜8上，由第二物镜8聚焦后照射在工业相机9上，工业相机9将对射入光线进行分析，并将分析结果传送至控制器中，控制器控制六轴载物台调整光学器件1的射出角度以及位置，以使得透射光线能够垂直照射在光纤耦合端面的中心，满足后续检测需要。
本申请通过设置的分光镜4与工业相机9配合，以能够通过分析射入工业相机9中反射光线，获得光学器件1射出光线照射在光纤的入射端的位置以及角度，从而能够通过控制器控制六轴载物台调整光学器件1的射出角度以及位置，以使得光线能够垂直射入光纤中，确保耦合进光纤的光线损失最小，能够满足检测使用需要，效率高。
同时，由于分光镜4作为透镜，部分光线可能被反射至准直镜2，然后经过反射后进入工业相机9中，对检测结果造成干扰，故在准直镜2与分光镜4之间设置隔离器3，以避免光线被反射回准直镜2中。
此外，为避免分光镜4反射至工业相机9的光线能量过高，影响工业相机9的检测结果，本申请还在反射光路上设置有光线衰减器7，且光线衰减器7设置在分光镜4与第二物镜8之间，以能够降低反射至工业相机9的光线能量，提高工业相机9检测的准确度。
因为检测时，对光线的能量有一定要求，只有当光线能量达到预期时，才能对光线进行检测，故本申请还包括功率仪，功率仪的输入端与光纤的输出端连接，以能够实时对射入检测设备中光线能量进行检测，并在光线能量未达到使用需要时，将信息传输至控制器中，由控制器对光学器件1的光线射出角度以及位置进行调整，如在经过一定次数的检测后仍未达到能量检测的标准，则停止该光学器件1的检测，认定其为缺陷产品。
如图4-7所示，本申请还包括一种应用上述全自动光纤耦合对准装置的对准方法，其包括以下步骤：
基准确定步骤11：在工业相机9的接收端上选取基准点，并建立直角坐标系，所述基准点为坐标系原点，所述基准点与所述光纤的耦合端面对应，通过建立直角坐标系，以便于后期计算偏移角度以及偏移距离；
第一参考光斑获取步骤12：光学器件1发出的光经所述准直镜2准直后，经所述分光镜4分为透射光线和反射光线，反射光线将反射至工业相机9，并在工业相机9的接收端上形成第一参考光斑17，获得第一参考光斑17坐标，如图4所示；
第二参考光斑获取步骤13：移动所述光学器件1，以使反射光线在工业相机9的接收端上形成第二参考光斑18，获得第二参考光斑18坐标，具体地，本申请中将光线器件的移动方向为沿坐标系的Z轴方向移动，以拉开光线器件与准直镜2之间的距离，从而能够在工业相机9的接收端上形成第二参考光斑18；后续为了便于计算，本申请以光学器件为参照物，将两次不同距离移动后透射出来的参考光斑放置在两个坐标平面中，两坐标平面之间的距离即为光线器件沿坐标系的Z轴方向移动的距离，将第一参考光斑所在坐标平面为Y，第二参考光斑所在坐标平面为X，具体参见图5。
计算步骤14：根据第一参考光斑17坐标、第二参考光斑18坐标计算出光学器件1射出光线的偏移角度以及偏移距离；
具体地，计算步骤14包括偏移距离计算步骤与偏移角度计算步骤：
在偏移角度计算步骤，使用者将坐标平面X作为基准平面，将坐标平面Y放置在坐标平面X的前方，坐标平面Y与坐标平面X之间的距离为第二参考光斑获取步骤13中光学器件的移动距离，即Z轴方向上的移动距离，在本申请中为10，在坐标平面Y上的第一参考光斑17用C替代，将第一参考光斑17在坐标平面X上的投影点用B替代，将第二参考光斑在坐标平面X上用A替代，假定本申请中C在坐标平面Y上的坐标为(-10，10)；B在坐标平面X上的坐标为(-10，10)，A在坐标平面X的坐标为(-15，15)；在坐标平面X上以A点、B点构建直角三角形，以找到点D，D在坐标平面X的坐标为(-15、10)；
计算∠C1，根据tanC1＝AD/CD＝(15-10)/10＝1/2，其中CD等于坐标平面Y与坐标平面X之间的距离，通过反向推导从而可得出∠C1＝26.33°。
计算∠C2，根据tanC2＝BD/CD＝(15-10)/10＝1/2，通过反向推导从而可得出∠C1＝26.33°
然后六轴载物台在X轴的方向上反向移动26.33°，然后在Y轴的方向上反向移动26.33°，以使得光线能够垂直照射入工业相机中。如此移动的结果是光线照射在坐标平面X上形成的第二参考光斑将移动至B点位置，即光线垂直照射坐标平面X上。
比较步骤16，然后再次移动光学器件，即将光学器件沿Z轴方向移动，以在工业相机上获得光斑E，然后再次移动光学器件，以在光学器件上获得光斑F，然后计算光斑E以及光斑F，两个光斑的中心点的坐标位置是否重合，如果不重合，直接利用光斑E与F的坐标重新计算位移的角度。此次循环验证有次数限定，本申请为10次。如果验证通过即进行下一步
调整步骤15，根据最后一个选定的光斑的坐标值，调整光线位置，本申请中假定最后一个光斑为光斑F，其坐标值为(-4，3)，即调整时六轴载物台将光线沿X轴方向水平正向移动4个单位距离，即光斑F移动至(0，3)坐标处，然后在沿Y轴方向反向移动3个单位距离，此时光斑F移动(0，0)位置处，即本申请中工业相机的中心位置，透射光线照射在光纤耦合面上，本申请中单位距离根据实际情况考虑。
本申请中基准点设置成与光纤的耦合端面对应，从而使得反射光线垂直照射在基准点时，透射光线能够垂直射入光纤的耦合端面中心，此种状态是光线能量最高值状态，然后进行光线能量的测量，满足能量要求的产品再进行检测。
在进行检测前，可移动所述光学器件1，以使透射光线在所述工业相机9的能量值最大，达到最大值时的位置即为最终选定位置，使用者可以根据需要将需要检测装置与光纤6连接。上述能量值可通过本申请中的功率仪获得。
优选地，在所述基准确定步骤11之前还包括安装步骤10，在所述安装步骤10中，将所述光学器件1粘接在所述六轴载物台上，并使所述光学器件1的光线射出端朝向所述准直镜2。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种全自动光纤耦合对准装置，包括待耦合入光纤的光学器件，其特征在于：依次设置在所述光学器件的光轴上的准直镜、分光镜与第一物镜，所述光纤的耦合端面设置于所述第一物镜的焦点上，所述第一物镜安装于所述分光镜的透射光路上；
还包括用于安装光学器件的六轴载物台，所述六轴载物台适于调整所述光学器件的位置以及角度，以能够使所述光学器件的光线射出端置于所述准直镜的物方焦点处；
还包括控制器、依次安装于所述分光镜的反射光路上的第二物镜与工业相机，所述控制器与所述工业相机及所述六轴载物台通信连接。
2.如权利要求1所述的一种全自动光纤耦合对准装置，其特征在于：所述准直镜与所述分光镜之间还设置有隔离器。
3.如权利要求1所述的一种全自动光纤耦合对准装置，其特征在于：所述分光镜的反射光路上还设置有光线衰减器，所述光线衰减器设置在所述分光镜与所述第二物镜之间。
4.如权利要求1所述的一种全自动光纤耦合对准装置，其特征在于：还包括功率仪，所述功率仪的输入端与所述光纤的输出端连接。
5.一种光纤耦合对准方法，用于权利要求1-4项任一项所述全自动光纤耦合对准装置，其特征在于包括以下步骤：
基准确定步骤：在工业相机的接收端上选取基准点，并建立直角坐标系，所述基准点为坐标系原点，所述基准点与所述光纤的耦合端面对应；
第一参考光斑获取步骤：光学器件发出的光镜所述准直镜准直后，经所述分光镜分为透射光线和反射光线，反射光线将反射至工业相机，并在工业相机的接收端上形成第一参考光斑，获得第一参考光斑坐标；
第二参考光斑获取步骤：移动所述光学器件，以使反射光线在工业相机的接收端上形成第二参考光斑，获得第二参考光斑坐标；
计算步骤：根据第一参考光斑坐标、第二参考光斑坐标计算出光学器件射出光线的偏移角度以及偏移距离；
调整步骤：六轴载物台根据偏移角度以及偏移距离调整光学器件的光线射出角度以及位置，以使反射光线能够垂直照射在所述基准点，此时，透射光线将垂直射入所述光纤的耦合端面。
6.如权利要求5所述的一种光纤耦合对准方法，其特征在于：所述调整步骤中移动所述光学器件，以使透射光线在所述工业相机的接收端的能量值最大。
7.如权利要求6所述的一种光纤耦合对准方法，其特征在于：在所述调整步骤之后还包括比较步骤，在所述比较步骤中，对射入光纤的耦合端面的光线能量进行检测，并判断光线能量是否不小于预设值，如不满足，则执行第一参考光斑获取步骤。
8.如权利要求5所述的一种光纤耦合对准方法，其特征在于：在所述基准确定步骤之前还包括安装步骤，在所述安装步骤中，将所述光学器件粘接在所述六轴载物台上，并使所述光学器件的光线射出端朝向所述准直镜。
9.如权利要求5所述的一种光纤耦合对准方法，其特征在于：在所述计算步骤中还包括验证步骤，在所述验证步骤中对光学器件射出光线的偏移角度进行验证。
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