專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)午R頭成像式光子集成芯片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光電子學(xué)和集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室 等場(chǎng)合的光子芯片耦合封裝裝置，具體地說(shuō)是一種基于單鏡頭多角度高倍率機(jī)器視覺(jué)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)微米、亞微米以及納米尺度的光子芯片與光纖耦合、對(duì)準(zhǔn)、封裝目的的光子芯片耦合封 裝系統(tǒng)。
二、技術(shù)背景隨著光子芯片技術(shù)逐漸走向成熟，封裝技術(shù)必然得到充分重視，對(duì)光子芯片與光 纖對(duì)準(zhǔn)耦合的要求也越來(lái)越高。普通單模光纖的芯徑約為8微米，光子芯片波導(dǎo)寬度因材 料而異，基于III-V族半導(dǎo)體材料的光子芯片波導(dǎo)寬度為幾微米量級(jí)，基于SOI (絕緣體上 的硅)材料的光子芯片波導(dǎo)寬度為亞微米量級(jí)。實(shí)現(xiàn)光子芯片和光纖之間的精確對(duì)準(zhǔn)和高 效耦合，需要納米級(jí)六維微調(diào)技術(shù)(縱向、橫向、垂直、偏擺、俯仰、旋轉(zhuǎn))和千倍量級(jí)的高倍 率多角度觀察系統(tǒng)，獲得高清晰的光子芯片平面光路和波導(dǎo)端面的圖像。在目前光子芯片與光纖耦合、對(duì)準(zhǔn)、封裝中多用到顯微鏡通過(guò)人眼來(lái)觀察或通過(guò) 攝像機(jī)電子設(shè)備來(lái)成像觀察。一般放大倍率在300倍以?xún)?nèi)，如日本駿河(Suruga)公司推出 的手動(dòng)和自動(dòng)耦合封裝系統(tǒng)的水平和垂直觀察單元鏡頭放大倍數(shù)為46 291倍。成像系 統(tǒng)分為兩路觀察，使得系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、龐大、成本提高，而且不能得到對(duì)象其它角度的全方 位圖像，不利于精確地耦合對(duì)準(zhǔn)。本實(shí)用新型提出單鏡頭可回旋實(shí)現(xiàn)多角度成像觀察的最 大放大倍率達(dá)到1125倍的機(jī)器視覺(jué)裝置、光纖_芯片耦合調(diào)節(jié)裝置、光纖_芯片固化裝置 組成的光子芯片耦合封裝系統(tǒng)。
三
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種能夠提高成像質(zhì)量的小型化單鏡頭成像式光子集成芯片對(duì) 準(zhǔn)系統(tǒng)。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種單鏡頭成像式光子集成芯片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，由耦合調(diào)節(jié)裝置、機(jī)器視覺(jué)裝置和光 纖-芯片固化裝置構(gòu)成，機(jī)器視覺(jué)裝置由一個(gè)鏡頭相機(jī)組件及多角度固定回旋裝置組成， 鏡頭相機(jī)組件設(shè)在多角度固定回旋裝置上，所述的鏡頭相機(jī)組件由單只光學(xué)放大倍率為 3. 5X 22. 5X的高倍率鏡頭和一個(gè)高靈敏度CMOS相機(jī)組成且高倍率鏡頭安裝在CMOS相機(jī) 上。本實(shí)用新型提 出的基于單鏡頭多角度高倍率機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的光子芯片耦合封 裝系統(tǒng)包括三大功能模塊耦合調(diào)節(jié)裝置、機(jī)器視覺(jué)裝置和光纖-芯片固化裝置。耦合 調(diào)節(jié)裝置由六維精密微調(diào)架、V型槽、芯片平臺(tái)、三維精密微調(diào)架組成，六維精密微調(diào)架 線(xiàn)性精度0. 5微米、角精度27. 8”。機(jī)器視覺(jué)裝置由光學(xué)放大倍率為3. 5X 22. 5X的 高倍率鏡頭和高靈敏度CMOS相機(jī)組成鏡頭相機(jī)組件，通過(guò)CMOS芯片成像在顯示器上 的總放大倍率為175X 1125X，可在自行設(shè)計(jì)的固定回旋裝置下實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)、從垂直俯視到水平側(cè)視近90°任意角度實(shí)現(xiàn)對(duì)亞微米和納米級(jí)波導(dǎo)光路的觀察，圖像不抖動(dòng)。光纖-芯片固化裝置為采用UV-LED光源的紫外膠固化裝置?；趩午R頭多角度高 倍率機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的光子芯片耦合封裝系統(tǒng)相對(duì)于業(yè)界產(chǎn)品緊湊、小型化，機(jī)柜尺寸為 650 (長(zhǎng))X 650 (寬)X 1540 (高)mm3。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是六維精密微調(diào)架線(xiàn)性位移精度和角位移 精度高，且重復(fù)精度、穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)角度的偏擺程度及其一致性好。本實(shí)用新型主要特色是單只高倍鏡頭多角度視頻觀察技術(shù)，基于此技術(shù)的機(jī)器視 覺(jué)裝置主要包括鏡頭相機(jī)組件和多角度固定回旋裝置。鏡頭數(shù)量由傳統(tǒng)的兩只簡(jiǎn)化為單只，系統(tǒng)體積大大縮小、成本大大降低。而業(yè)界普 遍的成像系統(tǒng)分為兩路觀察，使得系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、龐大、成本提高。例如日本駿河(Suruga) 公司推出的自動(dòng)耦合封裝系統(tǒng)價(jià)位在百萬(wàn)元人民幣上下。鏡頭的成像倍率提高到1125倍，可獲得更好的成像質(zhì)量，保證了封裝效果的可靠 性。且在高倍率條件下，實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)采集和處理、不抖動(dòng)。而業(yè)界普遍的300倍放大倍率， 只能實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃基或石英基光子芯片光路的觀察，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)微米或亞微米量級(jí)的InP基 或SOI基光子芯片光路的觀察。通過(guò)多角度固定回旋裝置可以實(shí)現(xiàn)鏡頭角度的任意變化，從而對(duì)光纖陣列(Fiber Array,FA)和PLC芯片的對(duì)準(zhǔn)情況進(jìn)行多角度全方位的觀察。而業(yè)界普遍的成像系統(tǒng)不能 得到除垂直俯視和水平側(cè)視以外的對(duì)象其它角度的全方位信息，不利于指導(dǎo)FA和PLC芯片 精確的耦合對(duì)準(zhǔn)。光纖-芯片固化裝置采用UV-LED，相對(duì)于通用的Hg燈光源體積小、功耗小、無(wú)熱損 傷；出射光導(dǎo)管為特殊透鏡紫外液芯光纖，除了具有傳統(tǒng)液芯光纖的所有優(yōu)點(diǎn)外，由于特殊 透鏡的使用使得聚光光斑更小、結(jié)構(gòu)更為緊湊。本實(shí)用新型的有益效果是以平面光波光路(PLC)型分路器(splitter)光子芯片 的耦合封裝為例，相對(duì)于業(yè)界常用的手動(dòng)和自動(dòng)耦合封裝機(jī)生產(chǎn)的splitter指標(biāo)參數(shù)，本 實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)插入損耗小于4dB，回波損耗大于55dB ；完成單只芯片封裝的時(shí)間小于5分 鐘；可適于不同基底材料、不同波導(dǎo)尺寸的光子芯片與光纖和FA的耦合封裝，從而廣泛應(yīng) 用于科研和光子器件的生產(chǎn)當(dāng)中。
四
圖1是基于單鏡頭多角度高倍率機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的光子芯片耦合封裝系統(tǒng)框圖。圖2是機(jī)器視覺(jué)裝置裝配后視示意圖。圖3是多角度固定回旋裝置A處裝配主剖視圖。圖4是多角度固定回旋裝置A處裝配俯視放大圖。圖5是多角度固定回旋裝置A處裝配左剖視圖。圖6是多角度固定回旋裝置B處裝配主剖視圖。圖7是多角度固定回旋裝置C處裝配主剖視圖。圖8是機(jī)器視覺(jué)裝置垂直觀察得到的的光子芯片平面光路圖。圖9是機(jī)器視覺(jué)裝置傾角觀察得到的光子芯片脊波導(dǎo)端面圖。圖例說(shuō)明[0025]1.耦合調(diào)節(jié)裝置11.六維精密微調(diào)架12. V型槽13.芯片平臺(tái)14.三維精密微調(diào)架2.機(jī)器視覺(jué)裝置21.鏡頭相機(jī)組件211.鏡頭212.相機(jī)213.點(diǎn)光源22.多角度固定回旋裝置221.橫梁222.主桿223.滑套224.螺栓225.水平緊固螺栓226.垂直緊固螺栓227.連接滑套2271.桿套底圈2272.襯套2273.主桿套228.回旋調(diào)節(jié)手輪229.第一連桿2210.上接桿2211.接頭2212.連接套2213.下接桿2214.第二連桿2215.鏡頭夾具3.光纖-芯片固化裝置4.入纖5.芯片51.芯片入射端52.芯片出射端6.出纖7.功率計(jì)
五具體實(shí)施方式
一種單鏡頭成像式光子集成芯片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，由耦合調(diào)節(jié)裝置1、機(jī)器視覺(jué)裝置2和 光纖_芯片固化裝置3構(gòu)成，機(jī)器視覺(jué)裝置2由一個(gè)鏡頭相機(jī)組件21及多角度固定回旋裝 置22組成，鏡頭相機(jī)組件21設(shè)在多角度固定回旋裝置22上，所述的鏡頭相機(jī)組件21由單 只光學(xué)放大倍率為3. 5X 22. 5X的高倍率鏡頭和一個(gè)高靈敏度CMOS相機(jī)組成且高倍率鏡 頭安裝在CMOS相機(jī)上。在本實(shí)施例中，所述多角度固定回旋裝置22包括支架，在支架上連接有橫梁221，在橫梁221上 滑動(dòng)連接有連接滑套227，在連接滑套227上設(shè)有滑塊且連接滑套227通過(guò)所述滑塊與橫 梁221水平滑動(dòng)連接，所述連接滑套227通過(guò)水平緊固螺栓225固緊在橫梁221上，在連接 滑套227上還設(shè)有滑孔，在連接滑套227的滑孔中滑動(dòng)連接有主桿222且主桿222通過(guò)設(shè) 在連接滑套227上的垂直緊固螺栓226固緊在連接滑套227上，在主桿222上套設(shè)有滑套 223，滑套223位于連接滑套227的上方，在滑套223上設(shè)有用于緊固主桿222的螺栓224， 在主桿222上連接有第一連桿229且主桿222的下端與第一連桿229的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在 第一連桿229上連接有垂直微調(diào)組件且第一連桿229的另一端與垂直微調(diào)組件的一端轉(zhuǎn)動(dòng) 連接，在垂直微調(diào)組件上連接有第二連桿2214且垂直微調(diào)組件的另一端與第二連桿2214 的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在第二連桿2214的另一端上設(shè)有用于夾持鏡頭相機(jī)組件21的鏡頭夾具 2215 ；所述的垂直微調(diào)組件由上接桿2210、接頭2211、連接套2212、下接桿2213構(gòu)成，上接桿2210與接頭2211的一端連接，在接頭2211的另一端設(shè)有螺紋，在下接桿2213的端部 設(shè)有與接頭2211另一端的螺紋方向相反的連接螺紋，連接套2212的兩端分別與接頭2211、下接桿2213螺紋連接。實(shí)施例1圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。耦合調(diào)節(jié)裝置1由六維精密微調(diào)架11、V型槽 12、芯片平臺(tái)13、三維精密微調(diào)架14組成。機(jī)器視覺(jué)裝置2由鏡頭相機(jī)組件21和多角度固 定回旋裝置22組成。光纖-芯片固化裝置3為采用UV-LED光源的紫外膠固化裝置。其具 體實(shí)施方式如下①在芯片平臺(tái)13上固定芯片5。在機(jī)器視覺(jué)裝置2觀察指導(dǎo)下，用三維微調(diào)架14 手動(dòng)粗調(diào)位于V型槽12上的出纖6，和芯片5出射端52對(duì)準(zhǔn)，鎖定三維微調(diào)架14 ；通過(guò)固 定回旋裝置22調(diào)節(jié)鏡頭相機(jī)組件21觀察芯片5入射端51，用六維微調(diào)架11手動(dòng)粗調(diào)位于 V型槽12上的入纖4和芯片5入射端51對(duì)準(zhǔn)，鎖定六維微調(diào)架11。完成初始對(duì)準(zhǔn)一機(jī)器 視覺(jué)，無(wú)源對(duì)準(zhǔn)。②激勵(lì)入纖4和芯片5。鎖定三維微調(diào)架14，以固定出纖6，通過(guò)功率計(jì)7讀數(shù)， 用六維微調(diào)架11精調(diào)入纖4至接收功率最大點(diǎn)，鎖住六維微調(diào)架11。同時(shí)機(jī)器視覺(jué)裝置 2監(jiān)視整個(gè)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。用光纖_芯片固化裝置3固化入纖4。完成芯片5入射端51的封 裝一功率檢測(cè)，有源對(duì)準(zhǔn)。③將芯片5旋轉(zhuǎn)放置在芯片平臺(tái)13上。然后再對(duì)芯片5出射端52在六維精密微 調(diào)架11上重復(fù)實(shí)施方式①和②的粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。完成芯片5出射端52的封裝--功 率檢測(cè)，有源對(duì)準(zhǔn)。實(shí)施例2圖2是本實(shí)用新型中圖1所示的核心部分機(jī)器視覺(jué)裝置2的裝配示意圖。其中 鏡頭相機(jī)組件21由鏡頭211、相機(jī)212、點(diǎn)光源213構(gòu)成。多角度固定回旋裝置22由橫梁 221、主桿222、滑套223、螺栓224、水平緊固螺栓225、垂直緊固螺栓226、連接滑套227、回 旋調(diào)節(jié)手輪228、第一連桿229、上接桿2210、接頭2211、連接套2212、下接桿2213、第二連 桿2214、鏡頭夾具2215組成。連接滑套227由桿套底圈2271、襯套2272、主桿套2273構(gòu) 成。其具體實(shí)施方式
如下①垂直調(diào)節(jié)組件，由主桿222、滑套223、螺栓224、垂直緊固螺栓226構(gòu)成。通過(guò)螺 栓224的松緊可以實(shí)現(xiàn)主桿222的上下滑動(dòng)或固定，從而實(shí)現(xiàn)鏡頭相機(jī)組件21的上下移動(dòng) 或者固定。垂直緊固螺栓226的作用和螺栓224的作用相同，實(shí)施方法類(lèi)似，只是垂直緊固 螺栓226作用于連接滑套227上面。②水平調(diào)節(jié)組件，由主桿222、水平緊固螺栓225、連接滑套227構(gòu)成。通過(guò)水平緊 固螺栓225的松緊可以實(shí)現(xiàn)連接滑套227和主桿222沿著橫梁221水平滑動(dòng)或者固定，從 而實(shí)現(xiàn)鏡頭相機(jī)組件21的水平移動(dòng)或者固定。③回旋調(diào)節(jié)組件，由主桿222、第一連桿229、第二連桿2214、垂直微調(diào)組件2210、 2211、2212、2213、回旋調(diào)節(jié)手輪228構(gòu)成。主桿222、第一連桿229、垂直微調(diào)組件2210、 2211、2212、2213、第二連桿2214之間通過(guò)三處直徑為8mm的孔相互銜接；3只回旋調(diào)節(jié)手 輪228與之相對(duì)應(yīng)，在工作時(shí)回旋調(diào)節(jié)手輪228的松緊可以實(shí)現(xiàn)桿與桿之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)或 者固定，從而實(shí)現(xiàn)鏡頭相機(jī)組件21回旋的目的。④垂直微調(diào)組件，由上接桿2210、接頭2211、連接套2212、下接桿2213構(gòu)成。上接桿2210與接頭2211的一端連接，在接頭2211的另一端設(shè)有螺紋，在下接桿2213的端部設(shè)有與接頭2211另一端的螺紋方向相反的連接螺紋，連接套2212的兩端分別與接頭2211、下 接桿2213螺紋連接，實(shí)現(xiàn)在垂直方向的緊縮或者伸張，完成1. 5mm/360°的微調(diào)量，即螺紋 配合旋轉(zhuǎn)1°對(duì)應(yīng)于鏡頭相機(jī)組件21垂直進(jìn)給4. 167微米。
權(quán)利要求一種單鏡頭成像式光子集成芯片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，由耦合調(diào)節(jié)裝置(1)、機(jī)器視覺(jué)裝置(2)和光纖-芯片固化裝置(3)構(gòu)成，其特征在于機(jī)器視覺(jué)裝置(2)由一個(gè)鏡頭相機(jī)組件(21)及多角度固定回旋裝置(22)組成，鏡頭相機(jī)組件(21)設(shè)在多角度固定回旋裝置(22)上，所述的鏡頭相機(jī)組件(21)由單只光學(xué)放大倍率為3.5X～22.5X的高倍率鏡頭和一個(gè)高靈敏度CMOS相機(jī)組成且高倍率鏡頭安裝在CMOS相機(jī)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單鏡頭成像式光子集成芯片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于多角度 固定回旋裝置(22)包括支架，在支架上連接有橫梁(221)，在橫梁(221)上滑動(dòng)連接有連 接滑套(227)，在連接滑套(227)上設(shè)有滑塊且連接滑套(227)通過(guò)所述滑塊與橫梁(221) 水平滑動(dòng)連接，所述連接滑套(227)通過(guò)水平緊固螺栓(225)固緊在橫梁(221)上，在連 接滑套(227)上還設(shè)有滑孔，在連接滑套(227)的滑孔中滑動(dòng)連接有主桿(222)且主桿 (222)通過(guò)設(shè)在連接滑套(227)上的垂直緊固螺栓(226)固緊在連接滑套(227)上，在主桿 (222)上套設(shè)有滑套(223)，滑套(223)位于連接滑套(227)的上方，在滑套(223)上設(shè)有 用于緊固主桿(222)的螺栓(224)，在主桿(222)上連接有第一連桿(229)且主桿(222)的 下端與第一連桿(229)的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在第一連桿(229)上連接有垂直微調(diào)組件且第一 連桿(229)的另一端與垂直微調(diào)組件的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在垂直微調(diào)組件上連接有第二連桿 (2214)且垂直微調(diào)組件的另一端與第二連桿(2214)的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在第二連桿(2214) 的另一端上設(shè)有用于夾持鏡頭相機(jī)組件(21)的鏡頭夾具(2215)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單鏡頭成像式光子集成芯片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于垂直微 調(diào)組件由上接桿(2210)、接頭(2211)、連接套(2212)、下接桿(2213)構(gòu)成，上接桿(2210) 與接頭(2211)的一端連接，在接頭(2211)的另一端設(shè)有螺紋，在下接桿(2213)的端部設(shè) 有與接頭(2211)另一端的螺紋方向相反的連接螺紋，連接套(2212)的兩端分別與接頭 (2211)、下接桿(2213)螺紋連接。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種單鏡頭成像式光子集成芯片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，由耦合調(diào)節(jié)裝置、機(jī)器視覺(jué)裝置和光纖-芯片固化裝置構(gòu)成，機(jī)器視覺(jué)裝置由一個(gè)鏡頭相機(jī)組件及多角度固定回旋裝置組成，鏡頭相機(jī)組件設(shè)在多角度固定回旋裝置上，所述的鏡頭相機(jī)組件由單只光學(xué)放大倍率為3.5X～22.5X的高倍率鏡頭和一個(gè)高靈敏度CMOS相機(jī)組成且高倍率鏡頭安裝在CMOS相機(jī)上。通過(guò)CMOS芯片成像在顯示器上的總放大倍率為175X～1125X，可在自行設(shè)計(jì)的固定回旋裝置下實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)、從垂直俯視到水平側(cè)視近90°任意角度實(shí)現(xiàn)對(duì)亞微米和納米級(jí)波導(dǎo)光路的觀察，圖像不抖動(dòng)。
文檔編號(hào)G02B6/30GK201569764SQ20092004858
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者劉旭, 孫小菡, 蔣衛(wèi)鋒 申請(qǐng)人:東南大學(xué)