一种光组件耦合装置及其使用方法与流程

【技术领域】

本发明涉及光组件耦合技术领域，特别是涉及一种光组件耦合装置及其使用方法。

背景技术：

随着大数据时代的到来，用于数据通讯的光模块需求越来越旺盛。光模块是一类能够完成光电信号相互转换功能的模块。光模块主要由电路部分和光路部分两大部分组成；电路部分主要用于电信号的处理传输，光路部分主要负责光信号传输，对于光模块的生产过程光路相关的光组件位置对准过程是比较重要的，称之为光路耦合或者光组件耦合。

光组件的耦合质量直接决定光模块光信号的传输质量，目前光组件的耦合方法包括有源耦合和无源耦合两种。

有源耦合系统通常包括：光模块测试系统、位置电机控制系统和软件控制计算系统等硬件系统组成。耦合过程根据改变电机位置实时测试模块光学性能指标输出位置坐标-性能曲线从而判定固化耦合的最佳位置；

无源耦合系统通常包括：光学识别系统、位置电机控制系统及软件计算控制系统等硬件系统组成。耦合过程首先光学识别系统识别给出待贴装组件位置以及贴装目标位置，计算机系统计算出二者位置偏差，电机系统控制待贴光组件移动至目标贴装位置。

有源耦合在耦合过程中直接监控器件性能因此具有耦合成品率高的特点，但有源耦合过程中电机需要在一个相对较大搜索区域中反复寻找贴装位置多次输出位置-性能曲线才能找到最佳耦合位置因此耦合过程耗时比较长导致耦合工序生产效率很低。

无源耦合过程较短因此耦合生产效率大大提高，因此近年来逐渐成为商用光器件生产过程中光学组件耦合的首选技术方案。无源贴装过程主要通过相机识别特征图像判定光组件位置坐标，光学识别系统识别精度的高低决定着整个耦合过程的效率影响光组件耦合完成后光信号传输质量。高效率高精度的光学识别系统是无源耦合的关键。

光学系统中不同部件的光路耦合过程就是将部件光接口位置对准的过程，不同光组件的光接口面需要相向对准。目前常见无源光路耦合系统中光学位置识别系统如图1所示。在识别系统中相机位置一般固定不动相机根据被识别物体在相机视场中的相对位置判定被识别位置；识别系统包括下视相机(位置坐标x1,y1)和上视相机(位置坐标x2,y2)两套识别系统分别识别pcb上部基准点坐标(x1+△x1,y1+△y1)以及被耦合光组件底部基准点坐标(x2+△x2,y2+△y2)，计算机系统计算出pcb上部基准点与被耦合光组件底部基准点距离(x1-x2+△x1-△x2，y1-y2+△y1-△y2)。

由上述原理阐述可以看出常见无源耦合技术中存在的问题包括：识别系统由2套相机组成过于复杂，贴装基准与被贴装物体的位置识别偏差与相机相对间距(x1-x2，y1-y2)以及两相机的识别偏差(△x1-△x2，△y1-△y2)都有关系,因此识别误差比较大，尤其是当两个相机位置发生变化导致两个相机的相对位置间距变化时，整个系统的识别误差会放大；因此采用这种系统的耦合系统精度难以达到高水平，加上两套识别系统的引入会导致耦合系统成本上升。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有识别系统由2套相机组成过于复杂，贴装基准与被贴装物体的位置识别偏差与相机相对间距(x1-x2，y1-y2)以及两相机的识别偏差(△x1-△x2，△y1-△y2)都有关系,因此识别误差比较大，尤其是当两个相机位置发生变化导致两个相机的相对位置间距变化时，整个系统的识别误差会放大；因此采用这种系统的耦合系统精度难以达到高水平，加上两套识别系统的引入会导致耦合系统成本上升。

第一方面，本发明提供了一种光组件耦合装置，包括一组十字反射镜1、一采集摄像头2、固定基板31用的底座3、控制待耦合器件41的机械臂4、用于控制所述十字反射镜1和采集摄像头2的伺服系统5，具体的：

所述十字反射镜1由两块相互形成预设夹角的第一反射镜11和第二反射镜12组成，其中，十字反射镜1位于待耦合器件41和所述基板31之间，第一反射镜11用于反射位于机械臂4上待耦合器件41的图像，第二反射镜12用于反射位于底座3上基板31的图像；

所述伺服系统5用于在调整所述十字反射镜1时，维持所述十字反射镜1和所述采集摄像头2的相对位置，使得所述第一反射镜11中待耦合器件41的有效图像和所述第二反射镜12中基板31的有效图像被所述采集摄像头2获取；

其中，所述第一反射镜11与第二反射镜12的有效反射面之间的距离为预设值，所述预设值参考基板31和/或待耦合器件41中能够采集到的标识对象之间的距离而定。

优选的，在所述待耦合器件41和基板31的渐进方向为垂直方向时，所述十字反射镜1位于所述垂直方向上，具体的：

所述采集摄像头2的镜头位于所述十字反射镜1的水平方向上，且镜头朝向所述第一反射镜11相对于所述待耦合器件41的反射光路上和/或镜头朝向所述第二反射镜12相对于所述基板31的反射光路上；或者，

所述采集摄像头2的镜头竖直向上或者竖直向下，并且，所述采集摄像头2与所述十字反射镜1的光路之间还设置有一改向反射镜6，使得经过十字反射镜1反射的待耦合器件41的图像和/或基板31的图像，能够经过所述改向反射镜6调整传输光路后，被所述采集摄像头2的镜头所捕获。

优选的，在所述耦合装置中还包括所述改向反射镜6时，所述伺服系统5还用于控制所述改向反射镜6；

所述伺服系统5用于维持所述十字反射镜1、改向反射镜6和所述采集摄像头2三者之间的相对位置。

优选的，所述标识对象包括十字图案的标识、线条图案的标识、点图案的标识和/或方形图案的标识，则所述预设值参考基板31和/或待耦合器件41中能够采集到的标识对象之间的距离而定，具体包括：

所述预设值小于等于当前选定的用于匹配所述基板31和待耦合器件41中相应标识对象在各自表面上的间隔距离。

优选的，所述预设夹角具体为80°-100°。

第二方面，本发明还提供了一种光组件耦合装置的使用方法，包括如第一方面所述的光组件耦合装置，并且已经在底座3上设置基板31，且在机械臂4上设置了待耦合器件41，使用方法包括：

通过伺服系统5控制所述十字反射镜1，使得所述十字反射镜1中的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面，投影到待耦合器件41和基板31上的位置位于选定的一组标识对象之间；

根据采集摄像头2所获取的第一反射镜11中的图像内容和第二反射镜12中的图像内容，计算待耦合器件41中被选定的标识对象到第一反射镜11边界的第一距离和基板31中被选定的标识对象到第二反射镜12边界的第二距离；

根据所述第一距离和第二距离调整所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置。

优选的，所述通过伺服系统5控制所述十字反射镜1，使得所述十字反射镜1中的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面，投影到待耦合器件41和基板31上的位置位于选定的一组标识对象之间，具体包括：

通过伺服系统5控制所述十字反射镜1，使得所述十字反射镜1中的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面，投影到待耦合器件41和基板31上的位置位于选定的一组标识对象在水平方向上分布的区域之间；并完成所述第一距离和第二距离的计算，以及所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置的调整；

通过伺服系统5控制所述十字反射镜1，调整所述十字反射镜1中的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面，投影到待耦合器件41和基板31上的位置位于选定的一组标识对象在垂直方向上分布的区域之间；并完成所述第一距离和第二距离的计算，以及所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置的调整。

优选的，在完成所述第一距离和第二距离的计算，以及所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置的调整后，所述方法还包括：

通过伺服系统5调离开所述十字反射镜1，使得所述待耦合器件41和基板31完成位置上的对位耦合和相应的焊接操作。

优选的，所述选定的一组标识对象，包括：在所述待耦合器件41上选定的一组标识对象或者所述基板31上的标识对象，其连线至少构成一个四边形。

优选的，所述根据所述第一距离和第二距离调整所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置，具体包括：

根据所述第一距离和第二距离调整所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置，使得所述第一距离、第二距离以及所述第一反射镜11和第二反射镜12的交接面之间距离之和，与待耦合器件41和/或基板31对应的标识对象间距相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明光组件耦合装置相比传统的无源耦合识别系统由于使用同一相机识别耦合贴装基准物(即基板)与光学组件(即待耦合光器件)，因此改善了相机位置变动导致的识别误差，识别精度更高。

另一方面，本发明光组件耦合装置相比传统的无源耦合识别系统减少了一个识别相机，装置制造成本更加便宜。

除此以外，由于本发明光组件耦合装置通过光路进行图像匹配，贴装基准物与光学组件识别在xy方向可以在很小的范围内进行识别，识别后电机使二者重叠所需行程小，传统方案受限与识别点必须在相关相机视场正下方，识别后贴装基准物与光学组件重合过程电机所走行程远，因此本发明光组件耦合装置可提高耦合效率。

最后，传统的无源耦合识别系统中耦合贴装基准物与光学组件相对识别间距计算结果与两相机位置及安装轴相关，两个相机之间相对位置及轴线角度控制很严格给安装调试带来难度，本发明光组件耦合装置有效避免了这一问题安装调试过程相对简单。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的常见无源耦合系统光路识别原理；

图2是本发明实施例提供的一种光组件耦合装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种光组件耦合装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的还一种光组件耦合装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种待耦合器件上标识对象的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种待耦合器件上标识对象之间距离定义的示意图；

图7是本发明实施例提供的一种待耦合器件上十字反射镜中第一反射镜和第二反射镜之间相差的预设距离示意图；

图8是本发明实施例提供的一种待耦合器件上十字反射镜中第一反射镜和第二反射镜之间交界面的示意图；

图9是本发明实施例提供的一种待耦合器件上十字反射镜中第一反射镜和第二反射镜之间非垂直方式设置的光路示意图；

图10是本发明实施例提供的一种光组件耦合装置的使用方法流程图；

图11是本发明实施例提供的一种十字反射镜和待耦合器件相对位置示意图；

图12是本发明实施例提供的一种十字反射镜和待耦合器件相对位置在另一个角度上的示意图；

图13是本发明实施例提供的另一种光组件耦合装置的使用方法流程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，例如“第二进/出光口”表明该端口既可以进光也可以出光。而对于符号“a和/或b”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“a”、“b”、“a和b”三种情况，例如“背向散射光和/或反射光”，则表明其可以表达单独的“背向散射光”，单独的“反射光”，以及“背向散射光和反射光”三种含义中的任意一种。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种光组件耦合装置，如图2所示，包括一组十字反射镜1、一采集摄像头2、固定基板31用的底座3、控制待耦合器件41的机械臂4、用于控制所述十字反射镜1和采集摄像头2的伺服系统5，具体的：

所述十字反射镜1由两块相互形成预设夹角的第一反射镜11和第二反射镜12组成，其中，十字反射镜1位于待耦合器件41和所述基板31之间，第一反射镜11用于反射位于机械臂4上待耦合器件41的图像，第二反射镜12用于反射位于底座3上基板31的图像；

所述伺服系统5用于在调整所述十字反射镜1时，维持所述十字反射镜1和所述采集摄像头2的相对位置，使得所述第一反射镜11中待耦合器件41的有效图像和所述第二反射镜12中基板31的有效图像被所述采集摄像头2获取；

其中，所述第一反射镜11与第二反射镜12的有效反射面之间的距离为预设值(如图7所示，预设距离即图中所标注的d)，所述预设值参考基板31和/或待耦合器件41中能够采集到的标识对象之间的距离而定。

本发明实施例所提出的光组件耦合装置相比传统的无源耦合识别系统由于使用同一相机识别耦合贴装基准物(即基板)与光学组件(即待耦合光器件)，因此改善了相机位置变动导致的识别误差，识别精度更高。除此以外，由于本发明光组件耦合装置通过光路进行图像匹配，贴装基准物与光学组件识别在xy方向可以在很小的范围内进行识别，识别后电机使二者重叠所需行程小，传统方案受限与识别点必须在相关相机视场正下方，识别后贴装基准物与光学组件重合过程电机所走行程远，因此本发明光组件耦合装置可提高耦合效率。

在本发明实施例中，在所述待耦合器件41和基板31的渐进方向为垂直方向时，所述十字反射镜1位于所述垂直方向上，因此，结合本发明实施例对于所述摄像头的采集光路的设计至少包括以下几种：

方式一：

如图2所示，所述采集摄像头2的镜头位于所述十字反射镜1的水平方向上，且镜头朝向所述第一反射镜11相对于所述待耦合器件41的反射光路上，以及所述第二反射镜12相对于所述基板31的反射光路上。

方式二：

如图3所示，所述采集摄像头2的镜头竖直向上，并且，所述采集摄像头2与所述十字反射镜1的光路之间还设置有一改向反射镜6，使得经过十字反射镜1反射的待耦合器件41的图像和/或基板31的图像，能够经过所述改向反射镜6调整传输光路后，被所述采集摄像头2的镜头所捕获。

方式三：

如图4所示，所述采集摄像头2的镜头竖直向下，并且，所述采集摄像头2与所述十字反射镜1的光路之间还设置有一改向反射镜6，使得经过十字反射镜1反射的待耦合器件41的图像和/或基板31的图像，能够经过所述改向反射镜6调整传输光路后，被所述采集摄像头2的镜头所捕获。

相比较方式一的必须要将采集摄像头2的镜头设置在所述十字反射镜的水平方向上的硬性要求，方式二和方式三则显得灵活许多；配合改向反射镜6的设置，所述采集摄像头2即可以被设置在底座3上，也可以被设置伺服系统5的顶梁51上(如图3所示，用于控制摄像头2、十字反射镜1和改向反射镜6的伺服机械臂被设置在伺服系统5的顶梁51上)。除了如图3和图4所示的，将采集摄像头如同图2所示的暴露在外的设置形式，还可以依托改向反射镜6所带来的灵活性，将所述改向反射镜6直接嵌入到所述顶梁51上或者嵌入到底座3上，从而避免了采集摄像头暴露在外，提高了设备的使用安全性。当然，方式二和方式三相比较方式一来说，也因为增设了一改向反射镜6，从而提高了耦合装置的设计精确度的要求，一定程度上带来了耦合装置的生产成本的提高。

如图3和图4所示，在所述耦合装置中还包括所述改向反射镜6时，所述伺服系统5还用于控制所述改向反射镜6。具体可以通过一根或者多跟连杆实现十字反射镜1、改向反射镜6和所述采集摄像头2的互联，其中，若采集摄像头2被嵌入在底座3或者顶梁51中，则仅需要通过一根或者多跟连杆实现十字反射镜1、改向反射镜6的互联。所述伺服系统5用于维持所述十字反射镜1、改向反射镜6和所述采集摄像头2三者之间的相对位置。其中，相对位置可以是表现在x轴、y轴和z轴三个方向上的方位。

在本发明实施例中，所述标识对象包括十字图案的标识(如图5所示为待耦合器件41上设置的标识对象42)、线条图案的标识、点图案的标识和/或方形图案的标识，则所述预设值参考基板31和/或待耦合器件41中能够采集到的标识对象之间的距离而定，具体包括：

所述预设值小于等于当前选定的用于匹配所述基板31和待耦合器件41中相应标识对象在各自表面上的间隔距离。以图5为例，其中待耦合器件41表面上的标识对象42的间隔距离包括a，b和c个值(且a<b<c)，则优选的所述预设值小于等于a。之所以这么设计，是保证无论十字反射镜1的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面(如图8所示，即第一反射镜11和第二反射镜12连接轴的中垂面)落入任何一对标识对象42之间，都能以最小的移动距离实现十字反射镜1进入待校准准备状态。所述校准准备状态，特指十字反射镜1已经调整到位，可以进行采集摄像头3采集图片内容，完成第一距离和第二距离的计算了，其如何完成相应计算过程，将通过实施例2中的使用方法具体展开来阐述。

在本发明实施例中，由于基板31和待耦合器件41之间的标识对象通常是对称分布的，因此，在本发明各实施例中涉及标识对象的内容，均以类似“基板31和/或待耦合器件41之间的标识对象”的形式展示，表明二者关注其一或者两者均关注皆可行。

在本发明实施中，第一反射镜11和第二反射镜12之间的所述预设夹角具体为80°-100°。相对与光路中各对象的设置来说，最简单的实现方案为采用预设夹角为95°的情况。而对于预设夹角采用其他度数的情况，对应的则需要采用和所述十字反射镜相似结构的改向反射镜，从而能够完成相应偏差角度的补偿，其补偿原理示意图如图9所示，包括第一改向反射镜61和第二改向反射镜62，并且能够起到补偿由于第一反射镜11和第二反射镜12之间的所述预设夹角不满足90°所带来的偏差，使得来自待耦合器件41和基板31的采集光路能够平行的进入采集摄像头2。

实施例2：

在提供了如实施例1所述的一种光组件耦合装置后，本发明实施例还提供了所述光组件耦合装置的使用方法，其中，已经在底座3上设置基板31，且在机械臂4上设置了待耦合器件41，如图10所示，所述使用方法包括：

在步骤201中，通过伺服系统5控制所述十字反射镜1，使得所述十字反射镜1中的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面13(如图8所示，给予了交界面13的表现示意图)，投影到待耦合器件41和基板31上的位置位于选定的一组标识对象之间。

其中，所述选定的一组标识对象，包括：在所述待耦合器件41上选定的一组标识对象或者所述基板31上的标识对象，其连线至少构成一个四边形。例如：图11和图12所示的4个以十字标注的标识对象32，一起构成了标准矩形。而在实际实现过程中，还可以是其他非规则图形在此不做特殊限定。

在步骤202中，根据采集摄像头2所获取的第一反射镜11中的图像内容和第二反射镜12中的图像内容，计算待耦合器件41中被选定的标识对象到第一反射镜11边界的第一距离和基板31中被选定的标识对象到第二反射镜12边界的第二距离。

在步骤203中，根据所述第一距离和第二距离调整所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置。

本发明实施例所提出的光组件耦合装置的使用方法，相比传统的无源耦合识别系统的使用方式，由于使用同一相机识别耦合贴装基准物(即基板)与光学组件(即待耦合光器件)，因此改善了相机位置变动导致的识别误差，识别精度更高。除此以外，由于本发明光组件耦合装置通过光路进行图像匹配，贴装基准物与光学组件识别在xy方向可以在很小的范围内进行识别，识别后电机使二者重叠所需行程小，传统方案受限与识别点必须在相关相机视场正下方，识别后贴装基准物与光学组件重合过程电机所走行程远，因此本发明光组件耦合装置可提高耦合效率。

在本发明实施例中，虽然依托于实施例1所述的耦合结构才能完成相应的方法，但是，实际实现过程中，控制所述伺服系统的可以是操作人员或者计算机，在此不做特殊限定。

在本发明实施例中，步骤201中的所述通过伺服系统5控制所述十字反射镜1，使得所述十字反射镜1中的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面13，投影到待耦合器件41和基板31上的位置位于选定的一组标识对象之间，具体包括：

通过伺服系统5控制所述十字反射镜1，使得所述十字反射镜1中的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面13，投影到待耦合器件41和基板31上的位置位于选定的一组标识对象在水平方向上分布的区域之间(如图11所示，为从十字反射镜1和基板31垂直正上方观察的效果示意图，其中交接面13投影到基板31上的位置为图11所示标注有14的虚线位置，满足相应的条件要求)；并完成所述第一距离d1和第二距离d2的计算，以及所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置的调整；

通过伺服系统5控制所述十字反射镜1，调整所述十字反射镜1中的第一反射镜11和第二反射镜12的交接面13，投影到待耦合器件41和基板31上的位置位于选定的一组标识对象在垂直方向(以图11所示为水平方位，则图12所示即为垂直方向)上分布的区域之间；并完成所述第一距离和第二距离的计算，以及所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置的调整。

在本发明实施例中，就步骤203中实现的，所述根据所述第一距离和第二距离调整所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置，提供了一具体实现手段，包括：

根据所述第一距离和第二距离调整所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置，使得所述第一距离d1、第二距离d2以及所述第一反射镜11和第二反射镜12的交接面13之间距离d之和(即d+d1+d2)，与待耦合器件41和/或基板31对应的标识对象间距相同(以图11为例，即图中所示d3距离长度)。

如图13所示，在完成所述第一距离和第二距离的计算，以及所述待耦合器件41和/或基板31的相对位置的调整后，所述方法还包括步骤204。

在步骤204中，通过伺服系统5调离开所述十字反射镜1，使得所述待耦合器件41和基板31完成位置上的对位耦合和相应的焊接操作。

值得说明的是，上述装置的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例2基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例2中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。