專利名稱::陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法及平行光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
:本發(fā)明涉及一種陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法,本發(fā)明還涉及應(yīng)用于該陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法的平行光源裝置。
背景技術(shù):
:陣列波導(dǎo)器件是支撐未來(lái)光通信技術(shù)發(fā)展的光MEMS器件,具有廣闊應(yīng)用前景。它采用MEMS工藝制造波導(dǎo)芯片,將常規(guī)分立光學(xué)元件的各種功能集成到同一光學(xué)襯底表面,完成常規(guī)分立光學(xué)系統(tǒng)的光通信處理能力,實(shí)現(xiàn)光功率分配、光開(kāi)關(guān)、光濾波等功能,具有結(jié)果緊湊、抗干擾、性能一致性好、便于自動(dòng)化批量生產(chǎn)等突出優(yōu)勢(shì)。據(jù)CIR(通訊工業(yè)研究者公司)統(tǒng)計(jì),2006年陣列波導(dǎo)器件的市場(chǎng)約為13億美元,據(jù)其預(yù)測(cè),未來(lái)5年的平均增長(zhǎng)率大于50%。陣列波導(dǎo)器件的封裝,利用亞微米精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),將波導(dǎo)芯片與陣列光纖進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)耦合并固定,實(shí)現(xiàn)器件的高性能。其主要特點(diǎn)是波導(dǎo)芯片與光纖間要求模場(chǎng)匹配的光纖對(duì)準(zhǔn)與耦合,對(duì)準(zhǔn)過(guò)程需要進(jìn)行6維全空間的高精度定位;而且多光路需以近乎相同的低損耗同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)接耦合,要求數(shù)十甚至數(shù)百路光路同時(shí)達(dá)到亞微米對(duì)準(zhǔn)精度。因此耦合與封裝成為制約陣列波導(dǎo)器件發(fā)展的一個(gè)瓶頸,封裝總成本占總成本的70%90%,封裝時(shí)間占生產(chǎn)時(shí)間的50%以上。陣列波導(dǎo)器件的封裝設(shè)備集成了對(duì)準(zhǔn)耦合、布膠、固化、測(cè)試等功能,精度和自動(dòng)化要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,是集成了光、機(jī)、電、液于一體的高技術(shù)裝備,被美國(guó)、德國(guó)、日本等少數(shù)幾家公司壟斷,單臺(tái)售價(jià)為2040美元。近幾年,國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了相關(guān)的研究,武漢光迅科技有限公司以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等都取得了進(jìn)展,目前正處在研發(fā)階段,尚未出現(xiàn)產(chǎn)品?,F(xiàn)在實(shí)用的陣列波導(dǎo)器件封裝設(shè)備對(duì)準(zhǔn)有兩種方式l.采用盲搜索的方式,通過(guò)光功率的反饋,利用合理的算法實(shí)現(xiàn)芯片光通道之間的亞微米精度的對(duì)準(zhǔn)。2.利用機(jī)器視覺(jué)與被觀測(cè)對(duì)象無(wú)接觸,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn),采用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。在機(jī)器視覺(jué)這種對(duì)準(zhǔn)方法中,獲取到清晰、高質(zhì)量的圖像是一個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)成功的最重要步驟之一,清晰、高質(zhì)量的圖像可以簡(jiǎn)化圖象處理的算法,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此合理的選取相機(jī)和光源,并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼彰鞣绞?。在?shí)際應(yīng)用中,比如圖像分割,很大程度上3取決于圖像的質(zhì)量,而圖像的質(zhì)量很大程度上取決于合理的打光和穩(wěn)定的照明系統(tǒng)。為了完成視覺(jué)處理任務(wù),我們有兩個(gè)方法解決這個(gè)問(wèn)題1.使我們的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)照明不敏感,可以忽視由于照明的改變對(duì)圖像造成的影響。2.利用穩(wěn)定均勻的外在光源,使用合理的照明方式。在實(shí)際案例中,比如說(shuō)日光、普通的白熾燈,光照往往會(huì)隨著時(shí)間而改變不能滿足機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用;因此,設(shè)計(jì)均勻、穩(wěn)定的光源在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中是非常有必要的。照明方式總的來(lái)說(shuō)可分為前向照明、背向照明。不同照明方式適用于不同的情況,下表是各種照明方式及相應(yīng)的特點(diǎn)表1.主要照明技3<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>根據(jù)表1中列出的照明方式,不同的照明方式對(duì)應(yīng)于不同的情況,在實(shí)際應(yīng)用中還要由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定哪種照明方式最合適。光纖纖芯的模場(chǎng)直徑為9.2um,而光波導(dǎo)光通道的寬度為83um不等,都是微米級(jí)尺度,而波導(dǎo)芯片和光纖陣列的外形的尺寸精度較差,誤差一般在150um以上,而目前國(guó)際上的關(guān)于陣列波導(dǎo)封裝的先進(jìn)指標(biāo)是每端損耗低于0.15dB。要達(dá)到這一指標(biāo),除了要求陣列波導(dǎo)的模場(chǎng)分布盡可能與光纖的一致,還必須要求波導(dǎo)器件的導(dǎo)光通路與光纖的光軸對(duì)準(zhǔn)誤差在亞微米級(jí),因此,在陣列波導(dǎo)芯片和光纖陣列的對(duì)準(zhǔn)中,應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)對(duì)陣列波導(dǎo)和光纖陣列進(jìn)行邊緣對(duì)準(zhǔn)是不夠的,需要實(shí)現(xiàn)光通道的直接對(duì)準(zhǔn)。目前日本的駿河精機(jī)的封裝設(shè)備中,采用的是接觸力傳感器方法,并未采用機(jī)器視覺(jué)的方法。日本久下(KUGE)公司采用接觸傳感器和紅外相機(jī)(盲搜索)來(lái)進(jìn)行波導(dǎo)芯片和光纖陣列的粗對(duì)準(zhǔn),未采用機(jī)器視覺(jué)。德國(guó)ficonTEC公司的陣列波導(dǎo)封裝設(shè)備中,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的照明采用正面打光。同軸光照明主要用于檢測(cè)反光程度很厲害的平面物體,比如玻璃。它的特點(diǎn)是里面有一塊45度安裝的半透半反玻璃。LED發(fā)出的光線,先通過(guò)全反射垂直照到被測(cè)物體,從被測(cè)物體上反射的光線垂直向上穿過(guò)半透半反玻璃,進(jìn)入攝像頭。這樣就既消除了反光,又避免了圖象中產(chǎn)生攝像頭的倒影。ficonTEC公司采用這種照明方式,只能觀察到芯片的邊緣,不能看到芯片內(nèi)部的光路,只能進(jìn)行芯片的邊緣對(duì)準(zhǔn)。但由于芯片本身的外形尺寸精度誤差在150um以上,因此采用機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)精度不會(huì)很高,而同時(shí)陣列波導(dǎo)封裝要求波導(dǎo)芯片的光路與光纖的光軸對(duì)準(zhǔn)誤差在亞微米級(jí),兩者精度相差很遠(yuǎn),所以對(duì)ficonTEC公司采用的方案,機(jī)器視覺(jué)只是實(shí)現(xiàn)一個(gè)粗對(duì)準(zhǔn)功能??偟膩?lái)說(shuō),這種照明方式存在的弊端是l.只能看到芯片邊緣,看不到內(nèi)部光路2.芯片外形尺寸差,對(duì)準(zhǔn)!度不高3.機(jī)器視覺(jué)投入資金多,而只是實(shí)現(xiàn)了粗對(duì)準(zhǔn),經(jīng)濟(jì)效益不高。陣列波導(dǎo)器件是透明的、不易反射光,正面照明很難看到光通道,光通道位于芯片的內(nèi)部尺寸小,且光通道和周圍介質(zhì)之間的折射率差異小(0.32.0%),因此,在陣列波導(dǎo)封裝系統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)中,須選擇并設(shè)計(jì)一種合理的照明方式,并設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定而廉價(jià)的光源,解決光波導(dǎo)器件封裝過(guò)程中,陣列波導(dǎo)光通道和光纖纖芯位置難以精確檢測(cè)的問(wèn)題。此外,由于六維驅(qū)動(dòng)平臺(tái)之間空間位置的限制,封裝設(shè)備中照明系統(tǒng)的安裝空間狹小,而市場(chǎng)上現(xiàn)有的光源尺寸遠(yuǎn)大于設(shè)備的安裝空間,需要照明系統(tǒng)具有體積小、打光效率高的特點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以觀測(cè)到波導(dǎo)芯片內(nèi)部光通道的陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法。本發(fā)明還要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種均勻、穩(wěn)定、體積小、廉價(jià)的平行光源裝置。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供的陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法,波導(dǎo)芯片放置在攝像頭的正前方,采用平行光從波導(dǎo)芯片的背面垂直照射向波導(dǎo)芯片,平行光線從波導(dǎo)芯片外部進(jìn)入波導(dǎo)芯片內(nèi)部后再射入到攝像頭內(nèi)進(jìn)行拍攝。本發(fā)明提供的平行光源裝置,在外套筒內(nèi)設(shè)有通孔,所述的外套筒前端設(shè)有與所述的通孔對(duì)應(yīng)的螺紋孔,擋圈和彈簧將凸透鏡安裝在所述的螺紋孔內(nèi),底板通過(guò)蓋板將電路板安裝在所述的外套筒底端,所述的電路板上設(shè)有LED燈且所述的LED燈處于所述的凸透鏡的焦點(diǎn)上。發(fā)光體和透鏡之間有一個(gè)被壓縮的彈簧,發(fā)光體和透鏡之間的距離可以調(diào)節(jié),在采用平凸透鏡時(shí),可以推導(dǎo)得到在垂直光軸面上的點(diǎn)C的照度如下其中I是光源的發(fā)光強(qiáng)度,R是平凸透鏡的半徑,n是透鏡的折射率,d是點(diǎn)C到光軸的距離。采用上述技術(shù)方案的陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法,采用平行光從背面垂直照射向波導(dǎo)芯片,光線從外部進(jìn)入波導(dǎo)芯片內(nèi)部。平行光線經(jīng)過(guò)光通道下表面時(shí),有部分光線發(fā)生反射,光線從光通道再次進(jìn)入波導(dǎo)芯片時(shí),又有部分光線發(fā)生反射,也就是說(shuō),比沒(méi)經(jīng)過(guò)光通道的光線而言,進(jìn)入通過(guò)波導(dǎo)芯片經(jīng)過(guò)光通道路的光線要多經(jīng)歷兩次反射,因而產(chǎn)生了造成的反射光能量損失,光線強(qiáng)度會(huì)比通過(guò)波導(dǎo)芯片而沒(méi)經(jīng)過(guò)光通道的光線要小,光線強(qiáng)度的變化會(huì)反應(yīng)在拍攝的圖像上,因此就可以觀測(cè)到光通道。但是實(shí)際中,由于波導(dǎo)芯片的光通道材料比外部折射率大,同時(shí)也不是完全的方形,而是每一個(gè)側(cè)面的中間均略微突起,形成了一個(gè)凸透鏡結(jié)構(gòu),因此通過(guò)光通道的光線會(huì)聚焦,產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象,因此光通道會(huì)比周圍亮;但由于光通道對(duì)外部折射率變化小,凸透鏡效應(yīng)不明顯,因此這個(gè)透鏡的聚光能力弱,同時(shí)由于反射光線的能量損失,在拍攝的圖像上,光通道比周圍區(qū)域稍亮,這樣就把光通道從玻璃襯底檢測(cè)出來(lái)了。本發(fā)明提供的平行光源裝置,包括點(diǎn)光源和一個(gè)可調(diào)的穩(wěn)壓直流電源。點(diǎn)光源利用的穩(wěn)壓直流電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng),通過(guò)改變電壓,來(lái)調(diào)節(jié)LED燈的亮度使?jié)M足機(jī)器視覺(jué)照明要求。LED燈通過(guò)凸透鏡折射,轉(zhuǎn)6變?yōu)榉€(wěn)定的平行光,同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)前環(huán),來(lái)調(diào)節(jié)透鏡和LED燈之間的距離,保證LED燈處于凸透鏡的焦點(diǎn)上,從而保證出來(lái)的是平行光。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、采用背光源方式來(lái)進(jìn)行照明,使得機(jī)器視覺(jué)能清晰看到陣列波導(dǎo)器件中的波導(dǎo)和光纖陣列的纖芯。2、本發(fā)明中光源輸出強(qiáng)度均勻的平行出射光,能滿足特殊場(chǎng)合的照明。3、本發(fā)明內(nèi)部采用彈簧結(jié)構(gòu),通過(guò)旋轉(zhuǎn)擋圈來(lái)實(shí)現(xiàn)透鏡與LED燈之間距離的微調(diào),使LED燈在透鏡的焦距上,保證出射光是均勻的平行光。4、本發(fā)明的外形結(jié)構(gòu)小,因此可用于安裝空間狹小的場(chǎng)合。5、本發(fā)明采用單個(gè)LED燈,散熱量小,不需要額外加風(fēng)扇散熱,同時(shí)就避免了風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)引起的振動(dòng),可用于精密控制的場(chǎng)合。6、本發(fā)明得到的是均勾的圓形平行光,光照強(qiáng)度理論上不隨工作距離變化而變化。7、本發(fā)明采用高亮度的單色LED作為光源,使用壽命長(zhǎng),光源穩(wěn)定。綜上所述,本發(fā)明是一種可以觀測(cè)到波導(dǎo)芯片內(nèi)部光通道的陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法,其平行光源裝置體積小、廉價(jià),其光源均勻、穩(wěn)定。圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的波導(dǎo)芯片照明截面示意圖3是本發(fā)明平凸透鏡尺寸圖4是平凸透鏡照度分析示意圖5是本發(fā)明的平行光源裝置結(jié)構(gòu)示意圖;具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1,波導(dǎo)芯片12放置在攝像頭11的正前方,平行光源裝置13采用平行光從波導(dǎo)芯片12的背面垂直照射向波導(dǎo)芯片12,平行光線從波導(dǎo)芯片12外部進(jìn)入波導(dǎo)芯片12內(nèi)部后再射入到攝像頭11內(nèi)進(jìn)行拍攝。參見(jiàn)圖1和圖2,采用平行光從背面垂直照射向波導(dǎo)芯片12,光線從外部進(jìn)入波導(dǎo)芯片12內(nèi)部,平行光線經(jīng)過(guò)光通,14下表面時(shí),有部分光線發(fā)生反射,光線從光通道14再次進(jìn)入波導(dǎo)芯片12時(shí),又有部分光線發(fā)生反射,也就是說(shuō),比沒(méi)經(jīng)過(guò)光通道14的光線而言,進(jìn)入通過(guò)波導(dǎo)芯片12經(jīng)過(guò)光通道14的光線要多經(jīng)歷兩次反射,因而產(chǎn)生了造成的反射光能量損失,光線強(qiáng)度會(huì)比通過(guò)波導(dǎo)芯片12而沒(méi)經(jīng)過(guò)光通道14的光線要小,光線強(qiáng)度的變化會(huì)反應(yīng)在拍攝的圖像上,因此就可以觀測(cè)到光通道14。但是實(shí)際中,由于波導(dǎo)芯片12的光通道14材料比外部折射率大,同時(shí)也不是完全的方形,而是每一個(gè)側(cè)面的中間均略微突起,形成了一個(gè)凸透鏡結(jié)構(gòu),因此通過(guò)光通道14的光線會(huì)聚焦,產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象,因此光通道14會(huì)比周圍亮;但由于光通道14對(duì)外部折射率變化小,凸透鏡效應(yīng)不明顯,因此這個(gè)透鏡的聚光能力弱,同時(shí)由于反射光線的能量損失,在拍攝的圖像上,光通道14比周圍區(qū)域稍亮,這樣就把光通道14從玻璃襯底檢測(cè)出來(lái)了。參見(jiàn)圖5,在外套筒4內(nèi)設(shè)有通孔10,外套筒4前端設(shè)有與通孔10對(duì)應(yīng)的螺紋孔9,外套筒4的螺紋孔9與擋圈1的外螺紋配合安裝,用于固定凸透鏡2,外套筒的螺紋孔9與通孔10之間有一個(gè)臺(tái)階,用于放置彈簧3,將凸透鏡2放置于彈簧3上,通過(guò)旋轉(zhuǎn)擋圈1,來(lái)調(diào)節(jié)透鏡3與LED燈5(或激光二極管)之間的距離;LED燈5焊接在電路板8上,通過(guò)電路板8與蓋板6之間的配合來(lái)保證LED燈5的安裝位置,LED燈5處于凸透鏡2的焦點(diǎn)上;外套筒4與蓋板6、底板7之間通過(guò)四個(gè)小螺釘來(lái)固定。參見(jiàn)圖3和圖4,在采用平凸透鏡時(shí),可以推導(dǎo)得到在垂直光軸面上的點(diǎn)C的照度如下其中I是光源的發(fā)光強(qiáng)度,R是平凸透鏡的半徑,n是透鏡的折射率,d是點(diǎn)C到光軸的距離。在光照區(qū)域確定的情況下,光照度會(huì)隨著透鏡焦距的變大而變的均勻。如圖5所示,外套筒4、后蓋6、緊固件7可以采用鋁合金、鑄鐵、鋼、硬質(zhì)塑料制造,但表面要光滑,涂消光漆,以利于吸收光線、減少光線反射。三者采用4個(gè)螺釘加以固定。外套筒制作時(shí),通孔10可采用矩形孔或圓形孔等,但通孔10比螺紋孔9要大,保證兩者之間有個(gè)適當(dāng)?shù)呐_(tái)階,用于放置彈簧3,同時(shí)還要保證通孔IO和螺紋孔9之間的同軸度;如果通孔IO二采用矩形孔,要保證矩形的對(duì)角線比螺紋孔9的直徑要小25mm。螺紋孔9與擋圈1的外螺紋進(jìn)行配合安裝,用于調(diào)整凸透鏡2的位置。同時(shí)彈簧3要制作成平頭的,保證彈簧3在臺(tái)階上放置的穩(wěn)定性和凸透鏡2在彈簧3上放置處于水平位置,彈簧3要有足夠的剛性,保證凸透鏡2放上去不變形,可采用銅、鋼等材料制造,表面進(jìn)行熱處理并涂消光漆。凸透鏡2可采用平凸透鏡或雙凸透鏡。同時(shí)擋圈1和外套筒4的螺紋連接,采用細(xì)牙螺紋,保證自鎖,前環(huán)的材料與外套筒一致。點(diǎn)光源LED燈5利用的穩(wěn)壓直流電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng),通過(guò)改變電壓,來(lái)調(diào)節(jié)LED燈5的亮度使?jié)M足機(jī)器視覺(jué)照明要求。LED燈5通過(guò)凸透鏡2折射,轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的平行光,同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)擋圈1,來(lái)調(diào)節(jié)凸透鏡2和LED燈5之間的距離,保證LED燈5處于凸透鏡2的焦點(diǎn)上,從而保證出來(lái)的是平行光。權(quán)利要求1、一種陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法,其特征是波導(dǎo)芯片放置在攝像頭的正前方,采用平行光從波導(dǎo)芯片的背面垂直照射向波導(dǎo)芯片,平行光線從波導(dǎo)芯片外部進(jìn)入波導(dǎo)芯片內(nèi)部后再射入到攝像頭內(nèi)進(jìn)行拍攝。2、一種陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法使用的平行光源裝置,包括擋圈(l)、凸透鏡(2)、彈簧(3)、外套筒(4)、LED燈(5)、蓋板(6)、底板(7)、電路板(8),其特征是在外套筒(4)內(nèi)設(shè)有通孔(IO),所述的外套筒(4)前端設(shè)有與所述的通孔(10)對(duì)應(yīng)的螺紋孔(9),擋圈(1)和彈簧(3)將凸透鏡(2)安裝在所述的螺紋孔(9)內(nèi),底板(7)通過(guò)蓋板(6)將電路板(8)安裝在所述的外套筒(4)底端,所述的電路板(8)上設(shè)有LED燈(5)且所述的LED燈(5)處于所述的凸透鏡(2)的焦點(diǎn)上。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的平行光源裝置,其特點(diǎn)是在所述的發(fā)光體和透鏡之間設(shè)有一個(gè)被壓縮的彈簧,發(fā)光體和透鏡之間的距離可以調(diào)節(jié),在采用平凸透鏡時(shí),可以推導(dǎo)得到在垂直光軸面上的點(diǎn)C的照度如下其中I是光源的發(fā)光強(qiáng)度,R是平凸透鏡的半徑,n是透鏡的折射率,d是點(diǎn)C到光軸的距離。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種陣列波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)封裝中機(jī)器視覺(jué)的照明方法,波導(dǎo)芯片放置在攝像頭的正前方,采用平行光從波導(dǎo)芯片的背面垂直照射向波導(dǎo)芯片,平行光線從波導(dǎo)芯片外部進(jìn)入波導(dǎo)芯片內(nèi)部后再射入到攝像頭內(nèi)進(jìn)行拍攝。其平行光源裝置是在外套筒(4)內(nèi)設(shè)有通孔(10),所述的外套筒(4)前端設(shè)有與所述的通孔(10)對(duì)應(yīng)的螺紋孔(9),擋圈(1)和彈簧(3)將凸透鏡(2)安裝在所述的螺紋孔(9)內(nèi),底板(7)通過(guò)蓋板(6)將電路板(8)安裝在所述的外套筒(4)底端,所述的電路板(8)上設(shè)有LED燈(5)且所述的LED燈(5)處于所述的凸透鏡(2)的焦點(diǎn)上。文檔編號(hào)G02B6/42GK101477229SQ20081014306公開(kāi)日2009年7月8日申請(qǐng)日期2008年10月8日優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日發(fā)明者梁世偉,段吉安,胡友旺申請(qǐng)人:中南大學(xué)