專利名稱：一種新的光纖準直器封裝工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信元件的先進制造領(lǐng)域，它涉及一種光纖準直器封裝新工藝。
背景技術(shù)：
光纖準直器是光源元器件的基礎(chǔ)元件。光纖準直器的作用是將光纖中出射的發(fā)散光經(jīng)準直器后變成平行光束或者將平行光束匯聚進入光纖中去，以提高光纖器件的耦合效率。
光纖準直器在光通信器件中(如激光器、探測器、光隔離器、光環(huán)形器、光開關(guān)、光衰減器、光波分復(fù)用器等)有著廣泛應(yīng)用。隨著光通信系統(tǒng)向大容量、高速率方向的迅速發(fā)展，對光纖準直器的產(chǎn)業(yè)化制造提出的技術(shù)要求也越來越高。而光纖準直器的封裝效率與質(zhì)量是制約其批量生產(chǎn)制造的“瓶頸”問題之一。
光纖準直器(Collimator)是光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)中的基本光學(xué)器件，它由四分之一節(jié)距的自聚焦透鏡(GRIN)和帶有光纖的插針以及不銹鋼金屬套筒組成。自聚焦透鏡和光纖、插針的材質(zhì)均為SiO2。自聚焦透鏡和插針各有與端面角度為γ的斜面(γ一般為8°)(如圖1所示)。
目前現(xiàn)有的光纖準直器的裝配工藝一般為第一步，將自聚焦透鏡固定地裝在不透明的微小偏心不銹鋼金屬套筒內(nèi)的一端。第二步，將帶有光纖的斜面插針插入不銹鋼金屬套筒另一端，并作進給和旋轉(zhuǎn)運動，以調(diào)節(jié)不銹鋼金屬套筒中光纖插針斜端面與自聚焦透鏡斜端面的平行度和間隙，同時用光學(xué)儀器(如光功率計)對入射于光纖并由自聚焦透鏡出射的光信號進行監(jiān)控，當檢測到的光傳輸特性最佳時(如輸出的光功率達到最大時)，則認為斜面插針調(diào)整到了最佳位置。然后給插針涂覆固定膠，實現(xiàn)封裝。封裝過程中，要對準直器元件加熱，以使粘膠固化。
目前準直器制造急待解決的關(guān)鍵技術(shù)，是實現(xiàn)以最短的時間與最低的成本獲得最低的穩(wěn)定插入損耗。在影響準直器插入損耗的因素中，一般認為，光纖插針與自聚焦透鏡兩斜端面的平行度和間隙占主導(dǎo)地位，即它的裝配工藝直接影響整個器件的性能參數(shù)。但在不透明的不銹鋼金屬套筒中調(diào)節(jié)光纖插針斜端面與自聚焦透鏡斜端面的平行度有相當?shù)碾y度。因此現(xiàn)有的光纖準直器封裝工藝有待進一步改進。

發(fā)明內(nèi)容
針對已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種新的光纖準直器封裝工藝，以提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品制造質(zhì)量。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種新的光纖準直器封裝工藝，其工藝步驟如下A、將自聚焦透鏡固定裝在不透明的不銹鋼金屬套筒內(nèi)的一端；B、光纖插針水平放置在不銹鋼金屬套筒的另一端外側(cè)，CCD成像系統(tǒng)與水平面垂直，CCD成像系統(tǒng)的物鏡位于水平放置的光纖插針的下面或上面，則光纖插針的端面被放大成像于CCD的光敏面上；調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)，便可由CCD得到光纖端面的投影圖像，利用這個投影圖像和原圖像的關(guān)系，得到光纖插針的相位信息，并由此對光纖插針的旋轉(zhuǎn)角度進行調(diào)節(jié)，使光纖插針的斜端面與自聚焦透鏡的斜端面平行；C、然后保持插針水平方向插入不銹鋼套筒，使光纖插針在不銹鋼套筒內(nèi)作進給運動，以調(diào)節(jié)插針和自聚焦透鏡在不銹鋼金屬套筒中的間隙，同時光纖插針作微旋轉(zhuǎn)，用光學(xué)儀器對入射于光纖并由自聚焦透鏡出射的光信號進行監(jiān)控，便能快速地使斜面插針達到最佳位置，輸出的光功率達到最大；D、然后給插針涂覆固定膠，實現(xiàn)封裝。
光纖插針的斜端面及其投影如圖2所示。在裝配中，光纖插針放置水平面，CCD成像系統(tǒng)與水平面垂直，光纖插針放置在CCD成像系統(tǒng)的物鏡(顯微鏡物鏡)的下面(或上面)，則光纖插針的端面被放大成像于CCD的光敏面上。調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)，便可由CCD得到清晰光纖端面的投影圖像。利用這個投影圖像和原圖像的關(guān)系，得到光纖插針的相位信息，并由此對光纖插針進行旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，使光纖插針的斜端面與自聚焦透鏡的斜端面(GRIN)平行，為下一工步做好準備。
由幾何光學(xué)，原平面和實際的投影平面的面積有以下關(guān)系 其中，S為平面的面積，α為投影平面和原平面的夾角。由于CCD攝像機得到的圖像就是光纖插針斜端面投影平面的圖像，假設(shè)得到光纖插針斜端面投影的圖像面積為S圖像投影，成像系統(tǒng)的線放大倍率為β，則實際的投影面積為 設(shè)裝配工作臺平面為水平面。當顯微鏡和CCD攝相機垂直于裝配工作臺放置時，投影平面就是工作臺平面即水平面。所以光纖插針斜端面和水平面的夾角α可由以下公式求出 所以有
假設(shè)光纖插針斜端面的法矢量位于XOZ平面內(nèi)，如圖3第一個圖所示。并設(shè)水平面的單位法矢量為n→1=(1,0,0).]]>由于光纖插針端面被加工拋光成γ的斜面，在光纖插針斜端面繞Z軸線旋轉(zhuǎn)的同時，法矢量也繞Z軸旋轉(zhuǎn)，但法矢量的端點卻始終在一圓上，如圖3第一個圖所示。當光纖繞軸線旋轉(zhuǎn)θ角時，光纖端面和水平面的夾角可以由各自法矢量的夾角求得。
圖3第二個圖為法矢量端點的運動圖，假設(shè)法矢量OP的長度為單位長度l，則O’P的長度為sinγ，當光纖繞Z軸旋轉(zhuǎn)θ角時，法矢量在Z軸投影OO’為cosγ，而在X軸、Y軸上的投影分別為-sinγcosθ和sinγsinθ，因此其法矢量為n→2=(-sinγcosθ,sinγsinθ,cosγ).]]>所以水平面法矢量和光纖端面法矢量的夾角α可以由以下公式求得，即cosα=|x1·x2+y1·y2+z1·z2|x12+y12+z12·x22+y22+z22---(5)]]>將水平面法矢量 和光纖端面法矢量 代入公式(5)得cosα＝|-sinγcosθ|＝sinγcosθ (6)聯(lián)立公式(3)和公式(6)，最終可以得到光纖插針需要旋轉(zhuǎn)的角度θ(逆時針方向) 其中光纖端面圖像面積即S圖像投影的算法為利用數(shù)字圖像處理的方法計算光纖插針端面的投影面積。對用CCD采集到的包含光纖插針端面的數(shù)字圖像，先用濾波算法去除噪聲，然后根據(jù)光纖插針端面圖像的顏色(或灰度)信息采用串行邊界分割算法對圖像進行處理，分割出目標，并通過掃描圖像，計算出光纖端面目標在圖像中所占的像素，即可精確地計算出光纖端面的圖像面積。設(shè)通過圖像處理計算出圖像端面所占的像素為N1，而顯示器平面的面積為S顯示器面積，顯示器的分辨率為N，則圖像端面投影面積可用下式計算 本發(fā)明的光纖準直器封裝工藝，由于自聚焦透鏡(GRIN)斜端面相位在裝配前已經(jīng)確定并處于固定位置，并且方向矢量在XOZ平面內(nèi)，再使光纖插針在未插入不銹鋼金屬套筒前，通過檢測和調(diào)整光纖插針斜端面相位，已經(jīng)基本保證了光纖插針與自聚焦透鏡(GRIN)的兩個斜端面的平行。然后，只要保持插針以正確姿態(tài)插入不銹鋼套筒，并使光纖插針在不銹鋼套筒內(nèi)作進給運動，以調(diào)節(jié)插針和自聚焦透鏡在不銹鋼金屬套筒中的間隙，同時光纖插針作微旋轉(zhuǎn)，用光學(xué)儀器(如光功率計)對入射于光纖并由自聚焦透鏡出射的光信號進行監(jiān)控，便能很快地使斜面插針達到最佳位置，保證輸出的光功率最大，以提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品制造質(zhì)量。


圖1為光纖準直器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為光纖插針斜端面及投影的示意圖；圖3為光纖旋轉(zhuǎn)θ角的法矢量示意圖及法矢量端點的運動圖；圖4為光纖插針斜端面角度測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標號說明1-光纖插針 2-自聚焦鏡頭3-金屬套筒 4-CCD成像系統(tǒng)
5-夾具 6-光纖具體實施方式
下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的實施例在實施過程中，采用的CCD成像系統(tǒng)的CCD型號為JVC彩色攝像機T K-C921EC1/3″CCD，44萬像素 535電視線的水平分辨率0.7Lux的最低照度(F1.2、25％，，AGC開啟)50dB的高信噪比(AGC OFF)內(nèi)置革命性的10bit數(shù)字圖像處理器(DSP)提供CCTV用途攝像機的全面功能可開/關(guān)的電子快門可開/關(guān)的自動增益控制(AGC)可自動跟蹤(ATW)/手動設(shè)定的白平衡方式可開/關(guān)的自動背光補償功能(BLC)可選擇Video/DC兩種鏡頭光圈驅(qū)動兼容C及CS型的鏡頭接口小體積，緊湊的外觀設(shè)計 可接受24V AC及12V DC兩種電源供應(yīng)顯微鏡為型號Nikon E200生物顯微鏡放大頻率范圍40X-1500X(觀察)，8X-500X(35mm顯微鏡)
目鏡筒E2-TF鉸鏈式三目鏡觀察筒(傾斜角30°，雙目瞳距47mm-75mm)物鏡CFI E平場消色差4X，NA＝0.10轉(zhuǎn)換器傾式四孔轉(zhuǎn)換器工作臺矩形216mmX54mm，行程78Xmm54Xmm，采用低位置X/Y共軸手柄照明系統(tǒng)6V 20W鹵素?zé)舸治⒄{(diào)焦微調(diào)每圈0.2mm，粗調(diào)每圈37.7mm，最小刻度2μm(位于微調(diào)手輪左側(cè))，粗調(diào)力矩可調(diào)，作臺有自恢復(fù)聚焦機構(gòu)，工作臺手柄與調(diào)焦手輪離操作者一樣遠。
光源為金屬鹵素?zé)簟?br> 以美國New Focus公司環(huán)形器(C-I、C-II)中準直器為例該型號準直器的自聚焦透鏡的直徑D＝1.8mm，斜端面偏角γ為8°，計算得到自聚焦透鏡斜端面的面積S原面積＝2.57mm2，采用成像設(shè)備的放大倍數(shù)為160。如圖4所示，將自聚焦透鏡2固定裝在不透明的不銹鋼金屬套筒3內(nèi)的一端；在不銹鋼金屬套筒3的另一端外將光纖插針1放置在水平面，CCD成像系統(tǒng)4與水平面垂直，光纖插針1放置在CCD成像系統(tǒng)4的物鏡的下面，則光纖插針1的端面被放大成像于CCD的光敏面上；調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)，利用數(shù)字圖像處理的方法計算光纖插針端面的投影面積。對用CCD采集到的包含光纖插針端面的數(shù)字圖像，先用濾波算法去除噪聲，然后根據(jù)光纖插針端面圖像的顏色(或灰度)信息采用串行邊界分割算法對圖像進行處理，分割出目標，并通過掃描圖像，計算出光纖端面目標在圖像中所占的像素，即可精確地計算出光纖6端面的圖像面積，計算方法如下設(shè)通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，計算出光纖端面圖像所占的像素為N1＝65288個像素，而對于17英寸的顯示器來說，其可視面積為111.4558平方英寸，即S顯示器面積＝719.0682平方厘米，當顯示器的分辨率N為1024*768時，得到圖像端面投影面積為 則由本方法通過計算，可以得 即將光纖插針1按逆時鐘方向旋轉(zhuǎn)49.3度，然后保持插針1水平方向用夾具5插入不銹鋼套筒，使光纖插針在不銹鋼套筒內(nèi)作進給運動，以調(diào)節(jié)插針1和自聚焦透鏡2在不銹鋼金屬套筒3中的間隙，同時光纖插針1作微旋轉(zhuǎn)，用光學(xué)儀器對入射于光纖并由自聚焦透鏡2出射的光信號進行監(jiān)控，輸出的光功率達到最大即達到最佳位置，然后給插針涂覆固定膠并加熱進行封裝。
誤差分析光纖插針相對于聚焦透鏡角度(或相位)的誤差，主要取決于光纖插針斜端面投影圖像的采集和其面積計算的方法。光纖端面的投影圖像面積計算越精確，角度(或相位)的計算也越準確。采用高斯濾波器和均值濾波器對圖像進行預(yù)處理，有助于提高投影圖像面積的計算精度。采用串行邊界分割算法對光纖目標進行分割，再根據(jù)目標所占的像素多少求其面積，這種算法具有很高的精度。
通過反復(fù)實驗驗證，本發(fā)明提出的實現(xiàn)裝配方法，相位的誤差可控制在公差范圍±5°內(nèi)，完全能夠保證光纖準直器裝配時光纖相位檢測的精度要求。
權(quán)利要求
1.種新的光纖準直器封裝工藝，其工藝步驟如下A、自聚焦透鏡固定裝在不透明的不銹鋼金屬套筒內(nèi)的一端；B、光纖插針水平放置在不銹鋼金屬套筒的另一端外側(cè)，CCD成像系統(tǒng)與水平面垂直，CCD成像系統(tǒng)的物鏡位于水平放置的光纖插針的下面或上面，則光纖插針的端面被放大成像于CCD的光敏面上；調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)，便可由CCD得到光纖端面的投影圖像，利用這個投影圖像和原圖像的關(guān)系，得到光纖插針的相位信息，并由此對光纖插針的旋轉(zhuǎn)角度進行調(diào)節(jié)，使光纖插針的斜端面與自聚焦透鏡的斜端面平行；C、然后保持插針水平方向插入不銹鋼套筒，使光纖插針在不銹鋼套筒內(nèi)作進給運動，以調(diào)節(jié)插針和自聚焦透鏡在不銹鋼金屬套筒中的間隙，同時光纖插針作微旋轉(zhuǎn)，用光學(xué)儀器對入射于光纖并由自聚焦透鏡出射的光信號進行監(jiān)控，便能快速地使斜面插針達到最佳位置，輸出的光功率達到最大；D、然后給插針涂覆固定膠，實現(xiàn)封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新的光纖準直器封裝工藝，其特征在于光纖插針斜端面由隨機相位轉(zhuǎn)到與自聚焦鏡頭斜端面平行所需旋轉(zhuǎn)的角度θ推導(dǎo)如下由幾何光學(xué)，原平面和實際的投影平面的面積有以下關(guān)系 其中，S為平面的面積，α為投影平面和原平面的夾角； S圖像投影為光纖插針斜端面投影的圖像面積，β為成像系統(tǒng)的線放大倍率；所以光纖插針斜端面和水平面的夾角α可由以下公式求出 所以有 假設(shè)光纖插針斜端面的法矢量位于XOZ平面內(nèi)，并設(shè)水平面的單位法矢量為n→1=(1,0,0),]]>而n→2=(-sinγcosθ,sinγsinθ,cosγ),]]>其中γ為纖插針端面的斜面傾角，θ為光纖繞軸線旋轉(zhuǎn)角；水平面法矢量和光纖端面法矢量的夾角α可以由以下公式求得，即cosα=|x1·x2+y1·y2+z1·z2|x12+y12+z12·x22+y22+z22---(5)]]>將水平面法矢量 和光纖端面法矢量 代入公式(5)得cosα＝|-sinγcosθ|＝sinγcosθ(6)聯(lián)立公式(3)和公式(6)，最終可以得到光纖插針需要旋轉(zhuǎn)的角度θ(逆時針旋轉(zhuǎn)方向)
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新的光纖準直器封裝工藝，其特征在于所述光纖插針端面的投影面積即S圖像投影的計算方法為對用CCD采集到的包含光纖插針端面的數(shù)字圖像，先用濾波算法去除噪聲，然后根據(jù)光纖插針端面圖像的顏色或灰度信息采用串行邊界分割算法對圖像進行處理，分割出目標，并通過掃描圖像，計算出光纖端面目標在圖像中所占的像素，即可計算出光纖端面的投影面積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的光纖準直器封裝工藝，自聚焦透鏡斜端面相位在裝配前已經(jīng)確定并處于固定位置，再使光纖插針在未插入不銹鋼金屬套筒前，利用CCD成像系統(tǒng)，通過檢測和調(diào)整光纖插針斜端面相位，已經(jīng)基本保證了光纖插針與自聚焦透鏡(GRIN)的兩個斜端面的平行。然后，將插針在不銹鋼套筒內(nèi)作進給運動插入不銹鋼套筒，以調(diào)節(jié)插針和自聚焦透鏡在不銹鋼金屬套筒中的間隙，同時光纖插針作微旋轉(zhuǎn)，用光學(xué)儀器對入射于光纖并由自聚焦透鏡出射的光信號進行監(jiān)控，便能很快地使斜面插針達到最佳位置，保證輸出的光功率最大，以提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品制造質(zhì)量。
文檔編號G02B6/24GK1776472SQ20051011156
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者裘建新, 鐘平, 宓一鳴 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)