CN113504613A - 一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统 - Google Patents

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CN113504613A CN202110781242.9A CN202110781242A CN113504613A CN 113504613 A CN113504613 A CN 113504613A CN 202110781242 A CN202110781242 A CN 202110781242A CN 113504613 A CN113504613 A CN 113504613A
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Abstract

本发明公开了一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统；通过图像采集识别机构获取光纤组件的两个维度的实时图像和透镜的两个维度实时图像后，传输至图像处理装置进行处理，图像处理装置根据图像处理的结果控制光纤组件控制机构和透镜控制机构进行位移，当光束质量分析控制机构测量的光纤组件的出光特性参数和透镜的出光特性参数符合要求后，通过固化装置将光纤组件和透镜进行结合固化。解决了相关技术中，光纤透镜耦合通过人工操作进行人工耦合，导致光纤透镜耦合效率低下、精度低且性能指标难以一致的技术问题，提供了一种高效的、精确度高的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统。

Description

一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统。
背景技术
光模块作为光通信技术领域中重要的组成部件，为提高其生产效率、性能、并保证性能稳定一致是本领域技术人员的追求目标。光纤透镜耦合作为光模块制作过程中的核心技术之一，相关技术中，光纤透镜耦合一般通过人工操作进行人工耦合，导致光纤透镜耦合效率低下、精度低且性能指标难以一致的技术问题。
因此，如何对克服上述人工进行光纤透镜耦合导致的技术问题，成为本领域技术人员需要面对的难题。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高效的、精确度高的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统。
第一方面，本发明的一个实施例提供了一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，包括
光纤组件控制机构，用于固定光纤组件，并接收第一控制指令进行位移；所述光纤组件用于接收激光，且所述光纤组件出光为高斯光束；
透镜控制机构，用于固定透镜，并接收第二控制指令进行位移，所述透镜用于接收所述高斯光束；
图像采集识别机构，用于获取所述光纤组件的两个维度的实时图像，以及获取所述透镜的两个维度的实时图像；
图像处理装置，用于处理所述光纤组件的两个维度的实时图像，并输出所述第一控制指令控制所述光纤组件控制机构进行位移；以及，处理所述透镜的两个维度的实时图像，并输出所述第二控制指令控制所述透镜控制机构进行位移；
光束质量分析控制机构，用于分析所述光纤组件的出光特性参数；以及，用于分析所述透镜的出光特性参数；
固化装置，用于将所述光纤组件和所述透镜结合固化。
本发明实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统至少具有如下有益效果：
本发明实施例中一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，设置有光纤组件控制机构、透镜控制机构、图像采集识别机构、图像处理装置、光束质量分析控制机构和固化装置，光纤组件控制机构中的光纤组件接收激光后，所述光纤组件出光为高斯光束，通过图像采集识别机构获取光纤组件的两个维度的实时图像和透镜的两个维度实时图像后，传输至图像处理装置进行处理，图像处理装置根据图像处理的结果控制光纤组件控制机构和透镜控制机构进行位移，当光束质量分析控制机构测量的光纤组件的出光特性参数和透镜的出光特性参数符合要求后，通过固化装置将光纤组件和透镜进行结合固化。解决了相关技术中，光纤透镜耦合通过人工操作进行人工耦合，导致光纤透镜耦合效率低下、精度低且性能指标难以一致的技术问题，提供了一种高效的、精确度高的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述光纤组件控制机构包括光纤组件夹具和第一六轴电控平台；
所述光纤组件夹具用于固定所述光纤组件；
所述第一六轴电控平台用于接收所述第一控制指令，以带动所述光纤组件夹具进行位移。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述透镜控制机构包括透镜夹具和第二六轴电控平台；
所述透镜夹具用于固定所述透镜；
所述第二六轴电控平台用于接收所述第二控制指令，以带动所述透镜夹具进行位移。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述图像采集识别机构包括第一CCD摄像机和第二CCD摄像机，所述第一CCD摄像机和所述第二CCD摄像机均可进行三轴调整，所述第一CCD摄像机和所述第二CCD摄像机垂直安装；
所述第一CCD摄像机用于获取所述光纤组件的第一维度的实时图像，以及获取所述透镜的第一维度的实时图像；
所述第二CCD摄像机用于获取所述光线组件的第二维度的实时图像，以及获取所述透镜的第二维度的实时图像。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述图像处理装置包括计算机；
所述计算机通过边缘检测算法计算所述光纤组件的第一维度的实时图像和所述光纤组件的第二维度的实时图像，以获得所述光纤组件的角度差值，并根据所述角度差值发送所述第一控制指令至所述第一六轴电控平台；
所述计算还通过边缘检测算法计算所述透镜的第一维度的实时图像和所述透镜的第二维度的实时图像，以获得所述透镜的角度差值，并根据所述角度差值发送所述第二控制指令至所述第二六轴电控平台。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述光束质量分析控制机构包括光束质量分析仪、三轴微调架和Z轴电控平台；
所述光束质量分析仪用于测量所述光纤组件的出光特性参数，以及所述透镜的出光特性参数；
所述三轴微调架用于调节所述光束质量分析仪的相对位置；
所述Z轴电控平台用于调节所述光束质量分析仪在Z轴方向上移动，以测量所述高斯光束在Z轴上的分布情况。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述光纤透镜自动耦合系统还包括龙门架；
所述第一CCD摄像机和所述第二CCD摄像机均设置于所述龙门架上。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述光纤透镜自动耦合系统还包括光学平台；
所述龙门架、所述光纤组件控制机构、所述透镜控制机构和光束质量分析控制机构均设置于所述光学平台上。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述第一六轴电控平台的参数包括：
X轴、Y轴和Z轴的行程范围均为±25mm，精度均为0.05um；
θx轴、θy轴和θz轴的行程范围均为±8°，精度均为0.003°。
根据本发明的另一些实施例的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，所述第二六轴电控平台的参数包括：
X轴、Y轴和Z轴的行程范围均为±25mm，精度均为0.05um；
θx轴、θy轴和θz轴的行程范围均为±8°，精度均为0.003°。
附图说明
图1是本发明实施例一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统的一具体实施例模块示意图；
图2是本发明实施例一种基于高斯光束质量分析的光纤自动耦合系统中光纤组件控制机构、透镜控制机构、图像采集识别机构、光束质量分析控制机构、龙门架以及光学平台的一具体实施例结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
参照图1，本发明实施例中，一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其包括光纤组件控制机构、透镜控制机构、图像采集识别机构、图像处理装置、光束质量分析控制机构和固化装置；其中，光纤组件控制机构用于固定光纤组件，并接收第一控制指令进行位移，光纤组件接收激光后，其出光为高斯光束。透镜控制机构用于固定透镜，并接收第二控制指令进行位移。本实施例中，图像采集识别机构用于采集光纤组件的两个维度的实时图像信息，并采集透镜的两个维度的实时图像信息，图像采集识别机构将采集的实时图像信息传输至图像处理装置，图像处理装置根据光纤组件的两个维度的实时图像信息输出第一控制指令至光纤组件控制机构，以控制光纤组件控制机构进行位移。光纤组件控制机构根据第一控制指令位移完成后，其固定的光纤组件接收高斯光束，通过光束质量分析控制机构分析光纤组件的出光特性参数并传输至图像处理装置。此外，图像处理装置根据透镜的两个维度的实时图像信息输出第二控制指令至透镜控制机构，以控制透镜控制机构进行位移。透镜控制机构根据第二控制指令位移完成后，通过光束质量分析控制机构分析透镜的出光特性参数并传输至图像处理装置。当图像处理装置判断光纤组件的出光特性参数和透镜的出光特性参数符合预设标准后，启动固化装置将光纤组件和透镜进行结合固化。本实施例中，通过采集光纤组件的两个维度的实时图像信息以及透镜的两个维度的实时图像信息进行处理后，对光纤组件控制机构和透镜控制机构的空间位置进行调整，再通过光束质量分析控制机构分别对光纤组件的出光特性参数以及透镜的出光特性参数进行分析，在满足预设标准后，通过固化装置将光纤组件和透镜进行结合固化，其解决相关技术中光纤透镜耦合通过人工操作进行人工耦合，导致光纤透镜耦合效率低下、精度低且性能指标难以一致的技术问题，提供了一种高效的、精确度高的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统。
在一些实施例中，光纤组件控制机构包括光纤组件夹具和第一六轴电控平台。本实施例中，光纤组件夹具用于固定光纤组件，第一六轴电控平台用于接收第一控制指令，根据第一控制指令带动光纤组件夹具进行位移。另外，在另一些实施例中，光纤组件控制机构还包括第一气泵，第一气泵开启后，光纤组件夹具通过吸气方式夹持该光纤组件。在另一些实施例中，第一六轴电控平台的参数包括：X轴、Y轴和Z轴的行程范围均为±25mm，精度均为0.05um；θx轴、θy轴和θz轴的行程范围均为±8°，精度均为0.003°。通过设置具有第一六轴电控平台，且对第一六轴电控平台的参数设置要求，能够自动化的调整光纤组件控制机构的空间位置，提高效率且生产的精度更高。
在一些实施例中，透镜控制机构包括透镜夹具和第二六轴电控平台。本实施例中，透镜夹具用于固定透镜，第二六轴电控平台用于接收第二控制指令，根据第二控制指令带动透镜夹具进行位移。另外，在另一些实施例中，透镜控制机构还包括第二气泵，第二气泵开启后，透镜夹具通过吸气方式夹持该透镜。在另一些实施例中，第二六轴电控平台的参数包括吸气方式夹持该光纤组件。在另一些实施例中，第一六轴电控平台的参数包括：X轴、Y轴和Z轴的行程范围均为±25mm，精度均为0.05um；θx轴、θy轴和θz轴的行程范围均为±8°，精度均为0.003°。通过设置具有第二轴电控平台，且对第二六轴电控平台的参数设置要求，能够自动化的调整光纤组件控制机构的空间位置，提高效率且生产的精度更高。
在一些实施例中，图像采集识别机构包括第一CCD摄像机和第二CCD摄像机，其中，第一CCD摄像机和第二CCD摄像机均配置有三轴微调架，可在XYZ三轴上调整，分别用于调校第一CCD摄像机与光纤组件的相对位置，以及调校第二CCD摄像机与光纤组件的相对位置，且第一CCD摄像机和第二CCD摄像机相互成90°垂直安装。第一CCD摄像机用于获取光纤组件的第一维度的实时图像，以及获取透镜的第一维度的实时图像。第二CCD摄像机用于获取光纤组件的第二维度的实时图像，以及获取透镜的第二维度的实时图像。本实施例中，第一维度为X轴方向，第二维度为Y轴方向。
在一些实施例中，图像处理装置包括计算机。本实施例中，计算机接收到光纤组件的第一维度的实时图像和第二维度的实时图像后(即X轴和Y轴两个维度的实时图像)，计算机通过边缘检测算法计算出光纤组件的第一边界棱线和第二边界棱线，第一边界棱线与第一CCD摄像机固有基准线在X轴上夹角即为第一角度差值，第二边界棱线与第二CCD摄像机固有基准线在Y轴上夹角即为第二角度差值，计算机将第一角度差值和第二角度差值反馈给光纤组件控制机构的第一六轴电控平台，第一六轴电控平台根据指令调整光纤组件夹具空间位置，从而带动光线组件进行位置调整。本实施例中，计算机接收到透镜的第一维度的实时图像和第二维度的实时图像后(及X轴和Y轴两个维度的实时图像)，计算机通过边缘检测算法计算出透镜的第三边界棱线和第四边界棱线，第三边界棱线与第一CCD摄像机固有基准线在X轴上的夹角即为第三角度差值，第四边界棱线与第二CCD摄像机固有基准线在Y轴上夹角即为第四角度差值，计算机将第三角度差值和第四角度差值反馈给光纤组件控制机构的第二六轴电控平台，第二六轴电控平台根据指令调整透镜夹具空间位置，从而带动透镜进行位置调整。
在一些实施例中，光束质量分析控制机构包括光束质量分析仪、三轴微调架和Z轴电控平台。本实施例中，光束质量分析仪用于测量光束的参数，三轴微调架为XYZ三个方向的手动三轴微调架，用于调节所述光束质量分析仪的相对位置，Z轴电控平台用于调节光束质量分析仪在Z轴方向上移动，以测量高斯光束在Z轴上的分布情况。
参照图2，本实施例中，基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统还包括龙门架500和光学平台600。本实施例中，第一CCD摄像机410和第二CCD摄像机420均设置于龙门架500上，第一CCD摄像机410和第二CCD摄像机420相互成90°垂直安装。本实施例中，光纤组件控制机构100、透镜控制机构200、光束质量分析控制机构300和龙门架500均设置于所述光学平台600上。其中，光纤组件控制机构100和透镜控制机构200设置于光学平台600的平面的前部区域，光束质量分析控制机构300设置于光学平台600的平面的中部区域，龙门架500设置于光学平台600的平面的后部区域。通过设置有龙门架500和光学平台600，能够使得本发明实施例基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统的精确度和集成度更高。
结合上述实施例并参照图2，以下以一具体实施例说明本发明一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统的具体工作过程。本实施例中，将光纤组件放置于光纤组件控制机构100上后，启动第一气泵，通过光纤夹具吸附光纤组件进行固定，为使光纤组件固定更加稳固，可通过磁铁固定光纤组件的尾部。透镜放置于透镜控制机构200上，启动第二气泵，通过透镜夹具吸附透镜进行固定。将光纤组件和透镜分别进行固定后，光纤组件接收激光输入，并输出高斯光束。本实施例中，输入的激光的波长为1310nm或1550nm，光纤组件与透镜默认起始位置为：X轴、Y轴的相对距离均为0，Z轴的相对距离为5mm，光束质量分析仪与光纤组件默认起始位置为：X轴、Y轴的相对距离均为0，Z轴的相对距离为80mm，再通过第二六轴电控平台将透镜延X轴负方向(即远离龙门架500方向)移动15mm。此时，通过设置于龙门架500上的第一CCD摄像机410和第二CCD摄像机420获得光纤组件的两个维度的实时图像，并将该实时图像传输至计算机，计算机通过边缘检测算法计算出光纤组件在两个维度上的边界棱线即第一边界棱线和第二边界棱线，第一边界棱线与第一CCD摄像机410固有基准线在X轴上夹角即为第一角度差值，第二边界棱线与第二CCD摄像机420固有基准线在Y轴上夹角即为第二角度差值，计算机根据第一角度差值和第二角度差值输出第一控制指令至第一六轴电控平台，第一六轴电控平台根据第一控制指令进行调节，从而调节光纤组件的空间位置。此时，启动光束质量分析仪，记录光纤组件出光的光斑中心坐标轴参数S1，之后通过光束质量分析控制机构300中的Z轴电控平台将光束质量分析仪延Z轴向后平移100mm，此时光束光束质量分析仪测量光纤组件出光的光斑中心坐标轴参数S2，光纤组件出光的光斑中心坐标轴参数S1和光纤组件出光的光斑中心坐标轴参数S2即为光纤组件的出光特性参数。此时，将透镜控制机构200和光束质量分析控制机构300返回默认起始位置后，通过第二六轴电控平台移动透镜控制机构200，使得透镜与光纤组件相距1mm，通过设置于龙门架500上的第一CCD摄像机410和第二CCD摄像机420获得透镜的两个维度的实时图像，并将该实时图像传输至计算机，计算机通过边缘检测算法计算出透镜在两个维度上的边界棱线即第三边界棱线和第四边界棱线，第三边界棱线与第一CCD摄像机410固有基准线在X轴上夹角即为第三角度差值，第四边界棱线与第二CCD摄像机420固有基准线在Y轴上夹角即为第四角度差值，计算机根据第三角度差值和第四角度差值输出第二控制指令至第二六轴电控平台，第二六轴电控平台根据第二控制指令进行调节，从而调节透镜的空间位置。此时，启动光束质量分析仪，记录透镜出光的光斑中心坐标轴参数S3，之后通过光束质量分析控制机构300中的Z轴电控平台将光束质量分析仪延Z轴向后平移100mm，此时光束光束质量分析仪测量透镜出光的光斑中心坐标轴参数S4，透镜出光的光斑中心坐标轴参数S3和透镜出光的光斑中心坐标轴参数S4即为透镜的出光特性参数。将采集到的光纤组件出光的光斑中心坐标轴参数S1和光纤组件出光的光斑中心坐标轴参数S2，以及透镜出光的光斑中心坐标轴参数S3和透镜出光的光斑中心坐标轴参数S4发送至计算机，当计算机判断S1与S2的光斑位置偏移量满足预设标准，且S3与S4的光斑位置偏移量满足预设标准，则输出满足要求信号。此时，在光纤组件与透镜结合处点胶后，通过启动固化装置将光纤组件与透镜结合固化。在一些实施例中，固化装置为紫外灯，紫外灯同样可以设置于龙门架500上，以提高系统集成度，并能生产提高效率。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，包括
光纤组件控制机构，用于固定光纤组件，并接收第一控制指令进行位移；所述光纤组件用于接收激光，且所述光纤组件出光为高斯光束；
透镜控制机构，用于固定透镜，并接收第二控制指令进行位移，所述透镜用于接收所述高斯光束；
图像采集识别机构，用于获取所述光纤组件的两个维度的实时图像，以及获取所述透镜的两个维度的实时图像；
图像处理装置，用于处理所述光纤组件的两个维度的实时图像，并输出所述第一控制指令控制所述光纤组件控制机构进行位移；以及，处理所述透镜的两个维度的实时图像，并输出所述第二控制指令控制所述透镜控制机构进行位移；
光束质量分析控制机构，用于分析所述光纤组件的出光特性参数；以及，用于分析所述透镜的出光特性参数；
固化装置，用于将所述光纤组件和所述透镜结合固化。
2.根据权利要求1所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述光纤组件控制机构包括光纤组件夹具和第一六轴电控平台；
所述光纤组件夹具用于固定所述光纤组件；
所述第一六轴电控平台用于接收所述第一控制指令，以带动所述光纤组件夹具进行位移。
3.根据权利要求2所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述透镜控制机构包括透镜夹具和第二六轴电控平台；
所述透镜夹具用于固定所述透镜；
所述第二六轴电控平台用于接收所述第二控制指令，以带动所述透镜夹具进行位移。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述图像采集识别机构包括第一CCD摄像机和第二CCD摄像机，所述第一CCD摄像机和所述第二CCD摄像机均可进行三轴调整，所述第一CCD摄像机和所述第二CCD摄像机垂直安装；
所述第一CCD摄像机用于获取所述光纤组件的第一维度的实时图像，以及获取所述透镜的第一维度的实时图像；
所述第二CCD摄像机用于获取所述光线组件的第二维度的实时图像，以及获取所述透镜的第二维度的实时图像。
5.根据权利要求4所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述图像处理装置包括计算机；
所述计算机通过边缘检测算法计算所述光纤组件的第一维度的实时图像和所述光纤组件的第二维度的实时图像，以获得所述光纤组件的角度差值，并根据所述角度差值发送所述第一控制指令至所述第一六轴电控平台；
所述计算还通过边缘检测算法计算所述透镜的第一维度的实时图像和所述透镜的第二维度的实时图像，以获得所述透镜的角度差值，并根据所述角度差值发送所述第二控制指令至所述第二六轴电控平台。
6.根据权利要求5所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述光束质量分析控制机构包括光束质量分析仪、三轴微调架和Z轴电控平台；
所述光束质量分析仪用于测量所述光纤组件的出光特性参数，以及所述透镜的出光特性参数；
所述三轴微调架用于调节所述光束质量分析仪的相对位置；
所述Z轴电控平台用于调节所述光束质量分析仪在Z轴方向上移动，以测量所述高斯光束在Z轴上的分布情况。
7.根据权利要求5或6所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述光纤透镜自动耦合系统还包括龙门架；
所述第一CCD摄像机和所述第二CCD摄像机均设置于所述龙门架上。
8.根据权利要求7所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述光纤透镜自动耦合系统还包括光学平台；
所述龙门架、所述光纤组件控制机构、所述透镜控制机构和光束质量分析控制机构均设置于所述光学平台上。
9.根据权利要求2所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述第一六轴电控平台的参数包括：
X轴、Y轴和Z轴的行程范围均为±25mm，精度均为0.05um；
θx轴、θy轴和θz轴的行程范围均为±8°，精度均为0.003°。
10.根据权利要求3所述的基于高斯光束质量分析的光纤透镜自动耦合系统，其特征在于，所述第二六轴电控平台的参数包括：
X轴、Y轴和Z轴的行程范围均为±25mm，精度均为0.05um；
θx轴、θy轴和θz轴的行程范围均为±8°，精度均为0.003°。
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