发光元件的透镜耦合方法及装置与流程

本发明涉及光器件自动耦合封装技术领域，特别涉及一种发光元件的透镜耦合方法及装置。

背景技术：

随着光纤通信和光纤传感技术的发展，光器件的制备成为了光信息技术进步的关键。在光通信产品中，发光元件的需求量越来越多，它的功能主要是实现信号的光电转换。一种常见的发光元件主要由基板+发光芯片+透镜组成，其封装制造的一道工序为将微型透镜与发光芯片耦合后，再通过点胶固化等方式完成封装。而如何提高光器件的性能、质量以及降低成本，是当前工业上封装制造的关键问题，其核心技术在于元件的耦合，光器件的制造成本主要也集中在此。

现有技术中，对上述发光元件进行耦合的过程主要包括将透镜上料、夹持并移动至封装位置后进行耦合，通过光斑检测、功率检测等确认透镜的耦合精度，最后对透镜点胶固化完成封装。因此，透镜耦合的精度显著地影响上述发光元件的封装质量。由于透镜一般为尺寸小于1mm的微型透镜，采用常规的透镜耦合方式难以满足耦合精度要求，导致封装后的发光元件光功率偏低，封装质量不高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于发光元件透镜耦合的方案，适用于微型化、精密化的透镜耦合封装工艺，以提升透镜耦合精度、产品封装质量和生产效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种发光元件的透镜耦合方法，包括：

步骤一、将透镜移动至与发光芯片耦合的位置，在近点对透镜和发光芯片进行光斑检测，并调整透镜倾斜角度进行耦合，直至发光芯片穿过透镜的激光射线形成的光斑为圆形；

步骤二、在近点检测光斑的坐标位置，然后在远点对透镜和发光芯片进行光斑检测，确认远点检测的光斑坐标位置；

步骤三、调整透镜位置进行耦合，使远点检测的光斑靠近并逐渐与近点检测的光斑位置重合；

步骤四、多次改变远点检测位置与近点检测位置的距离，确认变化的远点检测光斑与近点检测的光斑位置是否都保持重合，若不重合则返回步骤二。

其中，所述近点与所述远点所在的直线与所述发光芯片的激光射线平行。

其中，上述各步骤中通过cmos相机进行光斑检测，确认光斑的形状和坐标位置。

其中，步骤三中通过调整所述透镜在平面的位置进行耦合，所述平面与所述激光射线垂直。

其中，根据远点检测位置和近点检测位置之间的距离以及远点检测光斑与近点检测光斑的坐标，粗调透镜在所述平面的位置，使光斑初步重合。

其中，还包括步骤五，所述步骤五为：在近点用积分球检测发光芯片与透镜的光功率，确认透镜的耦合精度。

本发明还提供了一种发光元件的透镜耦合装置，所述透镜由方形部分和从所述方形部分沿厚度方向朝两侧外凸的镜面部分组成，所述装置包括透镜上料组件、透镜夹取组件、光器件固定台、耦合检测组件和视觉检测组件，所述透镜上料组件内预装有多个透镜，依次将所述透镜上料，所述透镜夹取组件将所述透镜上料组件上料的透镜夹取并移动至所述光器件固定台上对应的封装位置，与固定在所述光器件固定台上的发光元件的发光芯片耦合，所述耦合检测组件通过光斑检测确认所述透镜与所述发光芯片的耦合精度，所述视觉检测组件的视觉检测相机对准所述发光元件的耦合位置；

所述耦合检测组件包括耦合检测相机，所述耦合检测相机的镜头对准所述发光元件的耦合位置，所述耦合检测相机滑动设置在一耦合检测导轨上，并通过平行设置在所述耦合检测导轨一侧的皮带驱动机构驱动，所述耦合检测导轨与所述发光芯片的激光射线平行设置。

进一步地，所述透镜夹取组件包括多维运动平台和设置在所述多维运动平台上的透镜夹具，所述多维运动平台具有六维的运动自由度，所述透镜夹具主要由固定设置在所述多维运动平台上的夹具底座、平行设置在所述夹具底座上的两条导轨，第一端分别滑动设置在两条所述导轨上的两个连接部、以及分别固定设置在两个所述连接部第二端的透镜夹头组成，所述连接部分别通过设置在所述夹具底座上的两个音圈电机驱动。

所述透镜夹具的连接部包括第一连接板和第二连接板，所述透镜夹头固定安装在所述第一连接板上，所述第一连接板固定安装在所述第二连接板上，所述第二连接板固定设置在一滑块上，所述滑块滑动设置在所述导轨上，所述第二连接板与对应的所述音圈电机的输出端连接。

每个所述第二连接板上均设置有一光栅尺，所述光栅尺用于检测所述滑块在所述导轨上的位移量，每个所述第一连接板上均设置有一力传感器，所述力传感器用于检测所述第一连接板上的应力状况。

所述透镜夹头相对的一侧为夹持面，所述夹持面上设置有夹持所述透镜的夹持口，所述夹持口上设置有多个具有真空吸附作用的微型气孔。

进一步地，所述透镜上料组件主要由装料盒和拨料结构组成，所述装料盒的一侧成型有装载所述透镜的装料槽，所述透镜并排地放置于所述装料槽内，并被所述装料盒上设置的限位结构限制在所述装料槽中而防止从所述装料槽的侧面跑出，所述拨料结构包括拨料块和驱动所述拨料块移动的拨料块驱动部，所述拨料块插入所述装料槽中，所述装料槽的底部成型有一内槽，当所述透镜放置在所述装料槽中时，所述镜面部分悬空于所述内槽中。

所述限位结构包括设置在所述装料槽的槽口两侧的两块限位板，两块所述限位板之间的距离小于所述装料槽以及所述方形部分的宽度，所述限位板的上表面设置为高度沿所述装料槽方向逐渐降低的斜面，所述拨料块设置为扁平状，宽度小于所述装料槽的宽度，所述拨料块的第一端伸入所述装料槽中，第二端通过一安装臂与所述拨料块驱动部连接，所述拨料块驱动部驱动所述拨料块的第一端沿所述装料槽移动。

进一步地，所述视觉检测相机竖直设置在所述光器件固定台的正上方，所述视觉检测相机的镜头朝下对准所述发光元件，所述视觉检测相机设置在一位置调整平台上；所述位置调整平台包括连接臂，设置在所述连接臂第一端的x轴调整平台、设置在所述x轴调整平台底端的y轴调整平台、以及设置在所述y轴调整平台底端的z轴调整平台，所述视觉检测相机固定设置在所述连接臂的第二端。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的透镜耦合方法依次、分别地进行了透镜角度和位置的耦合，两次耦合过程分开控制，且在完成透镜角度耦合后可以直接进行透镜位置耦合，简化了耦合动作和耦合控制流程，并采用了近点与远点光斑坐标位置的差值比较方式，提升了透镜耦合精度；另外在耦合完成后还进行了耦合精度的验证，若不达标则返回重新开始耦合，进一步提升了透镜与发光芯片耦合的可靠性；

本发明的透镜耦合装置将透镜自动上料，被透镜夹取组件依次装夹至发光元件的封装位置，自动完成耦合过程以及通过光斑检测调整、确认耦合精度，各组件设计合理，衔接配合紧凑，有效地提升了透镜耦合的精度和生产效率；

本发明设置有可调整间距的耦合检测相机，通过光斑检测透镜是否摆正(无偏角)，以及透镜位置是否偏移，采用上述透镜耦合的方法，提升了装置的耦合精度和可靠性；

本发明透镜夹具的夹持动作通过音圈电机驱动，具有结构简单、体积小、响应快的特点，适用于微型化透镜的夹具，同时还设置有光栅尺和力传感器，能高精度地夹持定位透镜、调整夹持力，配合透镜夹头夹持面上的微型气孔，形成对透镜吸夹一体的定位方式，进一步提升了透镜的耦合精度；

本发明的透镜送料组件将微型透镜码垛装载在装料槽中，通过拨料结构将透镜逐个从装料槽的顶端拨出，被透镜夹具组件夹取、移动至对应的耦合位置进行耦合，适用于微型透镜的上料操作，同时装料槽中设置的内槽、透镜夹爪上设置的内圆弧面等均能防止透镜的的镜面部分在上料过程中发生摩擦、碰撞等现象导致破损。

附图说明

图1为本发明的耦合方法步骤流程图；

图2为本发明的耦合方法原理示意图；

图3为本发明的设备整体结构示意图；

图4为本发明的耦合检测组件结构示意图；

图5为本发明的透镜夹取组件结构示意图；

图6为本发明的透镜夹具结构示意图；

图7为本发明的透镜夹头和透镜耦合位置示意图；

图8为本发明的透镜上料组件结构示意图；

图9为本发明的装料盒结构示意图；

图10为本发明的视觉检测组件结构示意图。

【附图标记说明】

1-透镜；1a-方形部分；1b-镜面部分；2-透镜上料组件；21-装料盒；22-装料槽；23-拨料块；24-内槽；25-限位板；26-安装板；27-螺母；28-丝杠；29-导向槽；210-拨料电机；211-导向块；3-透镜夹取组件；31-多维运动平台；311-x轴位移平台；312-y轴位移平台；313-第一支撑板；314-z轴位移平台；315-绕x轴旋转平台；316-第二支撑板；317-绕y轴旋转平台；318-绕z轴旋转平台；32-透镜夹具；321-夹具底座；322-导轨；323-透镜夹头；3231-夹持面；3232-夹持口；3233-微型气孔；324-音圈电机；325-第一连接板；326-第二连接板；327-滑块；328-光栅尺；329-力传感器；4-光器件固定台；5-耦合检测组件；51-耦合检测相机；52-耦合检测导轨；53-皮带驱动机构；6-视觉检测组件；61-视觉检测相机；62-连接臂；63-x轴调整平台；64-y轴调整平台；65-z轴调整平台；7-发光元件；71-发光芯片；8-工作台。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明的实施例1提供了一种发光元件的透镜耦合方法，步骤流程简化如图1所示，原理示意如图2所示，具体包括：

步骤一、将透镜1移动至与发光芯片71耦合的位置，在近点对透镜1和发光芯片71进行光斑检测，并调整透镜1倾斜角度进行耦合，直至发光芯片71穿过透镜1的激光射线形成的光斑为圆形；

步骤二、在近点检测光斑的坐标位置，然后在远点对透镜1和发光芯片71进行光斑检测，确认远点检测的光斑坐标位置；

步骤三、调整透镜1位置进行耦合，使远点检测的光斑靠近并逐渐与近点检测的光斑位置重合；

步骤四、多次改变远点检测位置与近点检测位置的距离，确认变化的远点检测光斑与近点检测的光斑位置是否都保持重合，若不重合则返回步骤二。

本发明的上述实施例所述的方法通过步骤一调整透镜1耦合角度，在调整过程中光斑从椭圆形逐渐转变成圆形，表明透镜1的镜面不断贴近与激光射线垂直的平面，当椭圆形光斑的长轴与短轴差值小于预设值时确认耦合精度达标，完成透镜1与发光芯片71的角度耦合，同时记录近点检测的光斑坐标位置。然后，将光斑检测装置移动至远点，记录远点检测的光斑坐标位置并与近点检测的进行比较，当其坐标误差在预设范围内时表明透镜1在位置上也耦合达标。而当坐标误差大于预设值时，表明透镜1的位置有偏差，需要进行调整。在调整透镜1的过程中远点检测的光斑坐标位置会发生改变，当其与近点检测的重合且重合度满足预设要求时，表明透镜1与发光芯片71的相对位置完成耦合。此时再次将接收装置进行移动，在不同距离位置进行多次远点检测，检查光斑坐标位置是否均与近点检测的重合，从而进一步验证透镜1耦合精度。若变化的远点检测无法保持光斑重合，或前述在调整透镜1位置时远点检测的光斑无法与近点检测的重合，则需返回步骤二，重新调整透镜1位置并再次进行近点的光斑坐标检测。

因此，上述透镜耦合方法相比于现有技术，依次、分别地进行了透镜1角度和位置的耦合，两次耦合过程分开控制，且在完成透镜1角度耦合后可以直接进行透镜1位置耦合，简化了耦合动作和耦合控制流程，并采用了近点与远点光斑坐标位置的差值比较方式，提升了透镜1耦合精度。另外本方法在耦合完成后还进行了耦合精度的验证，若不达标则返回重新开始耦合，进一步提升了透镜1与发光芯片71耦合的可靠性。

其中，近点与远点所在的直线与发光芯片71的激光射线平行，因此光斑检测装置在从近点移动至远点的过程中，在任意位置都能准确接收到发光芯片71的激光射线，以进行透镜1位置耦合和后续的耦合精度验证。

其中，步骤三中通过调整透镜1在平面的任意位置进行耦合，上述平面与激光射线垂直。由于在步骤一中已经完成了透镜1角度的耦合，使得透镜1与激光射线垂直，因此只要在位置耦合过程中使透镜1在垂直激光射线的平面内移动，则可确保其耦合角度不发生改变，且耦合动作的控制简单。

透镜位置调整的具体方式为：根据远点检测位置和近点检测位置之间的距离以及远点检测光斑与近点检测光斑的坐标，可以估算出透镜1调整的位移大小和方向，再通过夹具的耦合动作，粗调透镜1在上述平面的位置，使光斑初步重合后再进行微调，提高光斑重合度。

优选地，上述各步骤通过cmos相机进行光斑检测，确认光斑的形状和坐标位置。

进一步地，本发明的上述实施例所述的方法还包括步骤五，在近点用积分球检测发光芯片71与透镜1的光功率，确认透镜1的耦合精度。作为透镜耦合的补充验证方式，通过积分球检测耦合后的光功率，可以进一步验证、确认透镜1耦合精度。其中，积分球是现有技术中常见的一种可检测光功率的仪器。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种发光元件的透镜耦合装置，参阅图7，透镜1由方形部分1a和从方形部分1a沿厚度方向朝两侧外凸的镜面部分1b组成。如图3所示，透镜耦合装置包括透镜上料组件2、透镜夹取组件3、光器件固定台4、耦合检测组件5和视觉检测组件6。透镜上料组件2内预装有多个透镜1，在封装流程中依次将透镜1依次上料，透镜夹取组件3将上料的透镜夹取并移动至光器件固定台4上发光元件7的耦合位置，由透镜夹取组件3的耦合动作与发光芯片71完成耦合。耦合检测组件5对准发光元件7，通过光斑检测确认透镜1与发光芯片71的耦合精度，视觉检测组件6的视觉检测相机61同时也对准发光元件7的耦合位置，通过图像监控透镜夹取组件3夹持透镜1的姿态和耦合动作，防止透镜1在耦合过程中触碰发光芯片71等造成破损。

同时如图4所示，耦合检测组件5包括耦合检测相机51，耦合检测相机51的镜头对准发光元件7的耦合位置，耦合检测相机51滑动设置在一耦合检测导轨52上，并通过平行设置在耦合检测导轨52一侧的皮带驱动机构53驱动，同时耦合检测导轨52与发光芯片71的激光射线平行设置。因此，耦合检测组件5采用实施例1所述的方法，使耦合检测相机51沿耦合检测导轨52滑动，调整其相对于发光芯片71及透镜1的距离，通过距离的调整让耦合检测相机51在近点检测光斑是否为圆，从而确认透镜1是否摆正(无偏角)，再将耦合检测相机51移动至远点，检测透镜1的光斑位置相对近点检测时是否改变，从而检测光线的水平度，即透镜1位置是否偏移，并由透镜夹取组件3带动透镜1完成角度和位置的耦合过程。

进一步如图5和图6所示，透镜夹取组件3包括多维运动平台31和设置在多维运动平台31上的透镜夹具32，透镜夹具32夹持透镜1后，在多维运动平台31的驱动下移动至耦合位置，再通过多维运动平台31输出的多自由度精密耦合运动完成透镜1与发光芯片71的耦合。其中，透镜夹具32主要由固定设置在多维运动平台31上的夹具底座321、平行设置在夹具底座321上的两条导轨322，第一端分别滑动设置在两条导轨322上的两个连接部、以及分别固定设置在两个连接部第二端的透镜夹头323组成，连接部分别通过设置在夹具底座321上的两个音圈电机324驱动而沿所在导轨322相向或背向滑动，产生夹持或松开透镜1的动作。

其中音圈电机324为现有技术中存在的一种特殊形式的直接驱动电机，具有结构简单、体积小、响应快等特性，工作原理为通电线圈(导体)放在磁场内产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例，基于此原理制造的音圈电机输出运动形式主要为直线或者圆弧，在本实施例中为直线。因而本发明的连接部通过音圈电机324的直线驱动沿导轨322高精度地滑动，带动两个透镜夹头323相向运动，产生夹持透镜1的动作，而透镜夹具32以及夹持的透镜1则通过多维运动平台31驱动产生多自由度、高精度的耦合运动，完成透镜1与发光芯片71的耦合。

连接部包括第一连接板325和第二连接板326，透镜夹头323固定安装在第一连接板325的外端位置，而第一连接板325固定安装在第二连接板326的侧壁上，第二连接板326与滑动设置在导轨322上的滑块327固定连接，且第二连接板326与对应的音圈电机324输出端固定连接，因此音圈电机324输出直线位移，驱动第二连接板326、第一连接板325以及透镜夹头323的整体沿导轨322滑动。

每个第二连接板326上均设置有一光栅尺328，用于检测滑块327在导轨322上的位移，从而可以通过检测两个滑块327的位移，确认两个透镜夹头323之间的相对距离，以此精密地确认、调节夹紧力。同时，每个第一连接板325上均设置有一力传感器329，用于检测第一连接板325上的应力状况，因此可以高精度地检测透镜夹头323的受力状况，判断其是否产生了较大的瞬时冲击力，从而判断并尽量避免与耦合器件发生碰撞。

同时如图7所示，透镜夹头323相对的一侧为夹持面3231，在夹持面3231上设置有凹陷的、夹持透镜1的夹持口3232，同时夹持口3232上设置有多个具有真空吸附作用的微型气孔3233，当透镜1被夹持后，可通过真空吸附作用进一步地将其吸附在透镜夹头323上，提高对透镜1的约束力。

在本实施例中，多维运动平台31具有六维的运动自由度，包括设置在工作台8上的x轴位移平台311、设置在x轴位移平台311上的y轴位移平台312、设置在y轴位移平台312上的第一支撑板313、设置在第一支撑板313顶端的z轴位移平台314、设置在z轴位移平台314上的绕x轴旋转平台315、设置在绕x轴旋转平台315上的第二支撑板316、设置在第二支撑板316底端的绕y轴旋转平台317、以及设置在绕y轴旋转平台317上的绕z轴旋转平台318，透镜夹具32的夹具底座321固定设置在绕z轴旋转平台318上。因此透镜夹具32具有沿x轴、沿y轴、沿z轴的平移自由度，在调整透镜1的耦合位置时由于激光射线和耦合检测导轨52均沿x轴分布，从而透镜夹具32可通过沿y轴和沿z轴的平移自由度进行透镜1的位置耦合，通过绕x轴、绕y轴、绕z轴的旋转自由度进行透镜1的角度耦合，提升了透镜夹具32位移、耦合的灵活性，同时各自由度运动平台均为精密运动平台，进一步提升了透镜1耦合精度。

同时如图8、图9所示，透镜上料组件2主要由装料盒21和拨料结构组成。其中，装料盒21的一侧成型有装载透镜1的装料槽22，微型透镜1(直径小于1mm)并排地码垛在装料槽22内，并被装料盒21上设置的限位结构限制在装料槽22中而防止装料盒21在竖放时从侧面跑出。拨料结构包括拨料块23和驱动拨料块23移动的拨料块驱动部，拨料块23插入装料槽22的底端，将透镜1向装料槽22的顶端拨动，使透镜1依次从装料盒21的顶端移出，并被透镜夹取组件3依次夹取、移动至对应的封装位置进行耦合。相适配地，在装料槽22的底部还设置一内槽24，当透镜1放置在装料槽22中时，透镜1的镜面部分1b悬空于内槽24中，而不与内槽24的底端或侧壁接触，使得透镜1的镜面部分1b在上料过程中不会发生摩擦损坏。

限位结构包括设置在装料槽22槽口两侧的两块限位板25，两块限位板25内侧之间的距离小于装料槽22以及透镜1方形部分1a的宽度，因此可以防止透镜1沿装料槽22滑动时跑出。限位板25的上表面设置为高度沿装料槽22方向逐渐降低的斜面，能更好地引导拨料块23插入装料槽22中。拨料块23设置为扁平状，宽度小于装料槽22的宽度，在透镜1上料前拨料块23的第一端伸入装料槽22的最低位置，然后拨料块23向上移动，将透镜1从装料槽22的顶端依次拨出。其中，拨料块23的第二端通过一安装板26与拨料块驱动部连接，拨料块驱动部可驱动拨料块23的第一端沿装料槽22向上移动进行拨料。

其中，拨料块驱动部包括螺母27丝杠28副，丝杠28转动设置在一导向槽29内，与设置在导向槽29端部的拨料电机210连接，同时导向槽29上滑动设置一导向块211，导向块211与套设在丝杠28上的螺母27固定连接，而安装板26固定安装在导向块211上，因此拨料电机210驱动丝杠28旋转，进而驱动螺母27和导向块211沿导向槽移动，带动拨料块23的第一端沿装料槽22向上移动。

进一步如图10所示，视觉检测相机61竖直设置在光器件固定台4的正上方，其镜头朝下对准发光元件7，可以实时图像监测透镜1与发光芯片71的耦合状况。视觉检测相机61设置在一位置调整平台上，位置调整平台包括连接臂62，设置在连接臂62第一端的x轴调整平台63、设置在x轴调整平台63底端的y轴调整平台64、以及设置在y轴调整平台64底端的z轴调整平台65，视觉检测相机61固定设置在连接臂62的第二端，具有沿x轴、沿y轴和沿z轴的平移自由度，可灵活调整镜头的对准位置。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。