微透镜耦合光路系统、微透镜耦合装置及微透镜耦合方法与流程

1.本技术属于微透镜耦合技术领域，更具体地说，是涉及一种微透镜耦合光路系统、微透镜耦合装置及微透镜耦合方法。


背景技术：

2.随着科学技术的进步，当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展趋势。利用传统方法制造出来的光学元件不仅制造工艺复杂，而且制造出来的光学元件尺寸大、重量大，已不能满足当今科技发展的需要。人们已经能够制作出直径非常小的透镜与透镜阵列，这种透镜与透镜阵列通常是不能被人眼识别的，只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到，这就是微透镜和微透镜阵列。
3.微光学技术所制造出的微透镜与微透镜阵列以其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点，已成为新的科研发展方向。随着光学元件小型化的发展趋势，为减小透镜与透镜阵列的尺寸而开发了许多新技术，现在已经能够制作出直径为毫米、微米甚至纳米量级的微透镜与微透镜阵。
4.由于微透镜阵列在微光学系统中有着重要而广泛的应用，如可用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、生成二维点光源，也可用于复印机、图像扫描仪、传真机、照相机，以及医疗卫生器械中。此外，微透镜阵列器件也实现了微型化和集成化，使得其具有很强的适应性，可广泛用于通信、显示和成像器件当中。用于半导体激光器的椭圆形折射微透镜阵列，能够实现激光器的聚焦与准直，激光二极管(ld)的光束整形，它还可用于光纤、光学集成回路之间，实现光器件的有效耦合。在光纤通信中，椭圆形微透镜将来自自由空间的光耦合进光纤，并校准从光纤出来的光。微透镜阵列己经在原子光学领域有所应用，利用微透镜阵列做成原子波导、分束器、马赫一曾德尔干涉仪或利用其捕获原子或者对中性原子进行量子信息处理。因此对于微透镜阵列使用材料，制作工艺和用途方面的研究十分必要。
5.目前对于半导体激光器阵列上的微透镜，在耦合的应用场景中，目前的实现方式有两种，第一，人工耦合，人工耦合的精度和自动耦合的精度是类似的，但由于半导体激光器所发射的光非常强烈，有可能会在人眼和皮肤中造成损伤；第二，自动耦合，目前已有多款设备投入使用，但并不能没有对应亚微米精度的精度要求，另外该种实现方式主要利用商业化成熟的高精度精密位移台作为主要执行部件，动作速度较低，不满足最终用户对产能的提升需要，另外对于不同的耦合目标的兼容性不够高。


技术实现要素：

6.本技术实施例的目的在于提供一种微透镜耦合光路系统、微透镜耦合装置及微透镜耦合方法，旨在解决现有技术中的微透镜耦合装置兼容性不足的技术问题。
7.为实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种微透镜耦合光路系统，微透镜耦合光路系统包括：主体；第一分光部，第一分光部安装于主体，第一分光部设置在穿过待耦合微透镜的主光路上，第一分光部能够将主光路分成第一光路及第二光路；第一光斑
采集部及第二光斑采集部，第一光斑采集部及第二光斑采集部均安装于主体，第一光斑采集部位于第一光路上，以采集第一光路的光斑，第二光斑采集部位于第二光路上，以采集第二光路的光斑。
8.可选地，微透镜耦合光路系统还包括聚焦透镜，聚焦透镜安装于主体，聚焦透镜设置在光源与第一分光部之间的光路上。
9.可选地，微透镜耦合光路系统还包括：光路平移部，光路平移部的入射口与光源的发射端相对设置，聚焦透镜设置在光路平移部的入射口处。
10.可选地，光路平移部包括平移棱镜。
11.可选地，微透镜耦合光路系统还包括第一反射镜，第一反射镜设置在光路平移部与第一分光部之间，从光路平移部射出的光路在第一反射镜上的入射角为第一入射角。
12.可选地，微透镜耦合光路系统还包括第二反射镜及第三反射镜，第二反射镜设置在第二光路上，第二光路在第二反射镜上的入射角为第二入射角，第二反射镜的镜面与第一反射镜的镜面平行设置，第三反射镜的镜面与第二反射镜的镜面相对设置，且第三反射镜的镜面与第二反射镜的镜面之间的夹角为第一夹角，从第三反射镜反射出的光路正对第二光斑采集部。
13.可选地，经过光路平移部的各光路均位于同一水平面上，第一入射角及第二入射角均为45
°
，第一夹角为90
°
。
14.根据本技术的另一个方面，提供了一种微透镜耦合装置，微透镜耦合装置包括微透镜耦合光路系统，微透镜耦合光路系统为上述的微透镜耦合光路系统，光源为待耦合发光元器件，微透镜耦合装置还包括：基体，待耦合发光元器件固定在基体上；移动部，移动部安装在基体上，微透镜耦合光路系统安装在移动部的输出端上；夹持部，夹持部设置在移动部的输出端，用于夹持待耦合微透镜，待耦合发光元器件发出的光形成主光路。
15.可选地，移动部包括：
16.x轴移动件，x轴移动件沿基体的宽度方向可移动的设置在基体上；
17.y轴移动件，y轴移动件沿基体的长度方向可移动的设置在x轴移动件上；
18.z轴移动件，z轴移动件沿基体的高度方向可移动的设置在y轴移动件上；
19.ry轴转动件，ry轴转动件可转动的设置在z轴移动件上，ry轴转动件的转轴与基体的长度方向平行；
20.tx轴转动件，tx轴转动件可转动的设置在ry轴转动件上，tx轴转动件的转轴与基体的宽度方向平行；
21.tz轴转动件，tz轴转动件可转动的设置在tx轴转动件上，tz轴转动件的转轴与基体的高度方向平行，微透镜耦合光路系统安装在tz轴转动件上。
22.根据本技术的又一方面，提供了一种微透镜耦合方法，微透镜耦合方法应用上述的微透镜耦合装置，微透镜耦合方法包括：
23.s1，控制移动部移动，使待耦合微透镜与待耦合发光元器件的发射端相对；
24.s2，控制移动部移动，以使第一光斑形成在第一光斑采集部采集到的图像的第一预设范围之内，并使第二光斑形成在第二光斑采集部采集到的图像的第二预设范围之内；
25.s3，计算第一光斑采集部采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部采集的第二光斑的尺寸之间的比例；
26.s4，在比例不满足预设比例关系的情况下，控制移动部移动，以使比例满足预设比例关系；
27.s5，控制移动部转动，以使第一光斑的两端对称，并使第二光斑的两端对称，得到准备方位；
28.s6，记录准备方位的待耦合微透镜的位置信息及方向信息，控制移动部将待耦合微透镜移走；
29.s7，在待耦合发光元器件的预设位置涂胶；
30.s8，根据位置信息及方向信息控制移动部移动至准备方位，并重新执行s2至s5；
31.s9，控制移动部移动，以将待耦合微透镜黏贴在预设位置。
32.本技术提供的微透镜耦合光路系统的有益效果在于：与现有技术相比，本技术的微透镜耦合光路系统进行工作时，通过第一分光部进行分光，将主光路分成第一光路及第二光路，并分别通过第一光斑采集部及第二光斑采集部进行采集，一方面，可以根据第一光斑是否形成在第一光斑采集部采集到的图像的第一预设范围之内，以及根据第二光斑是否形成在第二光斑采集部采集到的图像的第二预设范围之内，判断待耦合微透镜相对于光源的位置是否正确，另一方面，可以通过计算第一光斑采集部采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部采集的第二光斑的尺寸之间的比例，并通过外部的调节设备进行位置及角度调整，而满足对于无穷远光斑方向和位置的要求，或有限远光斑方向和位置的要求。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术提供的微透镜耦合装置的实施例的立体结构示意图；
35.图2为图1中a区域的放大图；
36.图3为图2中c区域的放大图；
37.图4为本技术提供的微透镜耦合装置的实施例的右视示意图；
38.图5为图4中b区域的放大图；
39.上述附图所涉及的标号明细如下：
40.10、主体；11、第一分光部；12、第一光斑采集部；13、第二光斑采集部；14、聚焦透镜；15、光路平移部；16、第一反射镜；17、第二反射镜；18、第三反射镜；20、基体；21、大理石底座；22、气浮减震垫；23、手动六自由度调整台；30、夹持部；40、待耦合微透镜；50、待耦合发光元器件；51、发光器件；52、底座；61、x轴移动件；62、y轴移动件；63、z轴移动件；64、ry轴转动件；65、tx轴转动件；66、tz轴转动件；70、上视觉镜头相机；80、点胶胶筒胶针。
具体实施方式
41.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
42.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
43.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
44.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
45.正如背景技术中所记载的，目前对于半导体激光器阵列上的微透镜，在耦合的应用场景中，目前的实现方式有两种，第一，人工耦合，人工耦合的精度和自动耦合的精度是类似的，但由于半导体激光器所发射的光非常强烈，有可能会在人眼和皮肤中造成损伤；第二，自动耦合，目前已有多款设备投入使用，但并不能没有对应亚微米精度的精度要求，另外该种实现方式主要利用商业化成熟的高精度精密位移台作为主要执行部件，动作速度较低，不满足最终用户对产能的提升需要，另外对于不同的耦合目标的兼容性不够高。
46.参见图1至图5所示，为了解决上述问题，根据本技术的一个方面，本技术的实施例提供了一种微透镜耦合光路系统，微透镜耦合光路系统包括主体10、第一分光部11、第一光斑采集部12及第二光斑采集部13，第一分光部11安装于主体10，第一分光部11设置在穿过待耦合微透镜40的主光路上，第一分光部11能够将主光路分成第一光路及第二光路；第一光斑采集部12及第二光斑采集部13均安装于主体10，第一光斑采集部12位于第一光路上，以采集第一光路的光斑，第二光斑采集部13位于第二光路上，以采集第二光路的光斑。本技术的微透镜耦合光路系统进行工作时，通过第一分光部11进行分光，将主光路分成第一光路及第二光路，并分别通过第一光斑采集部12及第二光斑采集部13进行采集，一方面，可以根据第一光斑是否形成在第一光斑采集部12采集到的图像的第一预设范围之内，以及根据第二光斑是否形成在第二光斑采集部13采集到的图像的第二预设范围之内，判断待耦合微透镜40相对于光源的位置是否正确，另一方面，可以通过计算第一光斑采集部12采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部13采集的第二光斑的尺寸之间的比例，并通过外部的调节设备进行位置及角度调整，而满足对于无穷远光斑方向和位置的要求，或有限远光斑方向和位置的要求。
47.其中，光斑为条状，长度方向上具有相对的两端，第一光斑采集部12及第二光斑采集部13均为工业相机。如需满足无穷远光斑的位置及角度调整，则第一光斑采集部12采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部13采集的第二光斑的尺寸之间的比例为1，或尽量趋近于1，并调整待耦合微透镜40的角度直至光斑的两端对称。
48.如需满足有限远光斑的位置及角度调整，则第一光斑采集部12采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部13采集的第二光斑的尺寸之间的比例为某预设比例关系，使第一光
斑大，第二光斑小，或，第一光斑小，第二光斑大，并调整待耦合微透镜40的角度直至光斑的两端对称。
49.为了将经过待耦合微透镜40的主光路聚焦为平行光，以便于第一光斑采集部12及第二光斑采集部13的成像，本实施例中的微透镜耦合光路系统还包括聚焦透镜14，聚焦透镜14安装于主体10，聚焦透镜14设置在光源与第一分光部11之间的光路上，以将主光路聚焦为平行光。
50.由于本技术的微透镜耦合光路系统需要配合移动机构对待耦合微透镜40的方位进行调整，移动机构的结构往往比较复杂，为了避免机械干涉，本实施例中的微透镜耦合光路系统还包括：光路平移部15，光路平移部15的入射口与光源的发射端相对设置，聚焦透镜14设置在光路平移部15的入射口处。通过光路平移部15可以根据移动机构的结构，将光路平移到其他高度上，从而避让开移动机构，避免互相干涉。
51.优选地，本实施例中的光路平移部15包括平移棱镜。平移棱镜，其效果类似于潜望镜的，平移棱镜的输入输出光线方向平行，如果其两个斜面平行的话，效果其实是和两个反射镜一样的。平移棱镜展开成光路不会改变光路方向。在其他实施例中，平移棱镜也可为潜望镜形式的反射镜组件。
52.为了减小光路系统的整体体积，使得整个系统更紧凑，本实施例中的微透镜耦合光路系统还包括第一反射镜16，第一反射镜16设置在光路平移部15与第一分光部11之间，从光路平移部15射出的光路在第一反射镜16上的入射角为第一入射角。通过将光路转折缩小系统体积。
53.为了进一步地减小光路系统的整体体积，本实施例中的微透镜耦合光路系统还包括第二反射镜17及第三反射镜18，第二反射镜17设置在第二光路上，第二光路在第二反射镜17上的入射角为第二入射角，第二反射镜17的镜面与第一反射镜16的镜面平行设置，第三反射镜18的镜面与第二反射镜17的镜面相对设置，且第三反射镜18的镜面与第二反射镜17的镜面之间的夹角为第一夹角，从第三反射镜18反射出的光路正对第二光斑采集部13，通过将光路转折缩小系统体积。
54.优选地，为了便于移动机构的调节，及算法的设定，本实施例中的经过光路平移部15的各光路均位于同一水平面上，第一入射角及第二入射角均为45
°
，第一夹角为90
°
。
55.其中，在进行采集时，第一光斑采集部12可以作为粗精度采集，第二光斑采集部13可以作为细精度采集。
56.根据本技术的另一个方面，提供了一种微透镜耦合装置，微透镜耦合装置包括微透镜耦合光路系统，微透镜耦合光路系统为上述的微透镜耦合光路系统，光源为待耦合发光元器件50，微透镜耦合装置还包括：基体20、移动部、夹持部30，待耦合发光元器件50固定在基体20上；移动部安装在基体20上，微透镜耦合光路系统安装在移动部的输出端上；夹持部30设置在移动部的输出端，用于夹持待耦合微透镜40，待耦合发光元器件50发出的光形成主光路。其中，夹持部30包括夹爪及驱动夹爪开合的驱动部，驱动部优选为电机。
57.由于对待耦合微透镜40的方位进行调整时，不仅需要对位置进行调整，还需对角度进行调整，为此，本实施例中的移动部包括：x轴移动件61，x轴移动件61沿基体20的宽度方向可移动的设置在基体20上；y轴移动件62，y轴移动件62沿基体20的长度方向可移动的设置在x轴移动件61上；z轴移动件63，z轴移动件63沿基体20的高度方向可移动的设置在y
轴移动件62上；ry轴转动件64，ry轴转动件64可转动的设置在z轴移动件63上，ry轴转动件64的转轴与基体20的长度方向平行；tx轴转动件65，tx轴转动件65可转动的设置在ry轴转动件64上，tx轴转动件65的转轴与基体20的宽度方向平行；tz轴转动件66，tz轴转动件66可转动的设置在tx轴转动件65上，tz轴转动件66的转轴与基体20的高度方向平行，微透镜耦合光路系统安装在tz轴转动件66上。其中，x轴移动件61、y轴移动件62、z轴移动件63均采用亚微米精度运动轴，ry轴转动件64、tx轴转动件65、tz轴转动件66均采用高精度角度摆动台，各移动件及转动件均通过电机驱动或液压驱动，由控制板控制。
58.在一种优选地实施例中，本实施例中的微透镜耦合装置还包括点胶胶筒胶针80，该点胶胶筒胶针80安装在移动部的输出端，以对待耦合发光元器件50的预设位置进行点胶。
59.在一种优选地实施例中，本实施例中的基体20包括大理石底座21及位于大理石底座21下方的气浮减震垫22，通过气浮减震垫22，支撑大理石底座21，同时减震。通过使用大理石底座21作为基准的各直线运动部件并使用伺服电机作及精密减速机为高速驱动部件，加上三轴角度摆台作为角度执行部件，并将自动耦合的光路集成在六轴执行器部件上，可以将目前的自动化提供到更高水平。产能，并且对于不同耦合目标的兼容性更高。
60.在一种优选地实施例中，本实施例中的微透镜耦合装置还包括上视觉镜头相机70，上视觉镜头相机70安装在移动部的输出端，并朝向待耦合微透镜40，上视觉镜头相机70及移动部均与控制板电连接，通过上视觉镜头相机70可以帮助移动部将待耦合微透镜40移动到与待耦合发光元器件50的发射端相对的位置。
61.其中，待耦合发光元器件50包括底座52及发光器件51，在一种优选地实施例中，本实施例中的微透镜耦合装置还包括手动六自由度调整台23，用于适应不同型号的底座52，以及各种平行水平垂直度调整。
62.其中，本技术中的分光部为分光棱镜，当然，本技术的分光部不限于第一分光部11，也可设置第二分光部，将第一光路或第二光路继续分光成第三光路及第四光路，并分别通过第三光斑采集部及第四光斑采集部进行采集，以提高采集精度。
63.根据本技术的又一个方面，提供了一种微透镜耦合方法，微透镜耦合方法应用上述的微透镜耦合装置，微透镜耦合方法包括：
64.s1：控制移动部移动，使待耦合微透镜40与待耦合发光元器件50的发射端相对；具体为，通过上视觉镜头相机70帮助移动部上的待耦合微透镜40找到待耦合发光元器件50的发射端，使两者相对，进而使得待耦合发光元器件50的发射端发出的光线能够穿过待耦合微透镜40，其中，本技术中待耦合微透镜尤其指凸透镜。
65.s2：控制移动部移动，以使第一光斑形成在第一光斑采集部12采集到的图像的第一预设范围之内，并使第二光斑形成在第二光斑采集部13采集到的图像的第二预设范围之内；具体为，控制部通过第一光斑采集部12及第二光斑采集部13实时采集的图像，控制移动部移动，进而使得第一光斑形成在第一光斑采集部12采集到的图像的第一预设范围之内，并使第二光斑形成在第二光斑采集部13采集到的图像的第二预设范围之内，从而完成待耦合微透镜40位置的确定。其中，预设范围可根据具体的参数进行选择。
66.s3：计算第一光斑采集部12采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部13采集的第二光斑的尺寸之间的比例；由于光斑为条状，长度方向上具有相对的两端，如需满足无穷远
光斑的位置及角度调整，则第一光斑采集部12采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部13采集的第二光斑的尺寸之间的比例为1，或尽量趋近于1。如需满足有限远光斑的位置及角度调整，则第一光斑采集部12采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部13采集的第二光斑的尺寸之间的比例为某预设比例关系，使第一光斑大，第二光斑小，或，第一光斑小，第二光斑大。其中，比例为1的为对于平行光的调整，其他比例为汇聚或发散光，当需要通过调整得到平行光后，还可根据第一光斑距第一预设范围中心的距离与及第二光斑距第二预设范围中心的距离之间的差值判断平行光的平行度。
67.s4：在比例不满足预设比例关系的情况下，控制移动部移动，以使比例满足预设比例关系；对于略微发散的光束，调节过程中，如光斑过大，则使待耦合微透镜40靠近光源，如光斑过小，则使待耦合微透镜40远离光源。
68.s5：控制移动部转动，以使第一光斑的两端对称，并使第二光斑的两端对称；具体为，通过移动部调整待耦合微透镜40的角度直至光斑的两端的粗细对称。
69.s6：记录待耦合微透镜40的位置信息及方向信息为准备方位，控制移动部将待耦合微透镜40移走；
70.s7：在待耦合发光元器件50的预设位置涂胶；预设位置即设定好的大致安装位置，一部分位于底座52的侧部，一部分位于待耦合发光元器件50的发射端部。
71.s8：根据位置信息及方向信息控制移动部移动至准备方位，并重新执行s2至s5；
72.s9：控制移动部移动，以将待耦合微透镜40黏贴在预设位置，具体为向预设位置所在方向移动，完成待耦合微透镜40的黏贴安装，移动方式为平移。
73.综上，实施本实施例提供的微透镜耦合光路系统及微透镜耦合装置，至少具有以下有益技术效果：
74.本技术的微透镜耦合光路系统进行工作时，通过第一分光部进行分光，将主光路分成第一光路及第二光路，并分别通过第一光斑采集部及第二光斑采集部进行采集，一方面，可以根据第一光斑是否形成在第一光斑采集部采集到的图像的第一预设范围之内，以及根据第二光斑是否形成在第二光斑采集部采集到的图像的第二预设范围之内，判断待耦合微透镜相对于光源的位置是否正确，另一方面，可以通过计算第一光斑采集部采集的第一光斑的尺寸与第二光斑采集部采集的第二光斑的尺寸之间的比例，并通过外部的调节设备进行位置及角度调整，而满足对于无穷远光斑方向和位置的要求，或有限远光斑方向和位置的要求。
75.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。