用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统及方法与流程

1.本发明属于微光夜视与粒子探测成像领域，具体地说涉及到一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统及方法。


背景技术：

2.光纤传像材料主要包括光纤光锥、光纤面板、光纤倒像器等硬质光纤制品。该类材料是微光夜视、粒子探测等器件中的主要窗口元件，也是iccd或icmos像增强型传感器件中的关键耦合媒介元件。在微光夜视仪、分幅/条纹相机、紫外/高能射线/单光子探测等器件中得到广泛使用。为了将探测识别到的图像进行数字化，即需要将经光纤传像元件所成的表面图像进行数字转化，从而获得电子图像，进而实现对图像的远距离传输、处理和存储，并且还可以引入图像计算方法进一步优化成像质量，提高信噪比。目前，在iccd与icmos等像增强型的相机中光纤传像元件作为像增强器与cmos或ccd的耦合媒介而得到很好的应用，应用领域从传统的微光夜视、粒子探测器件拓展到了高能射线探测、单光子探测等器件。新的领域对像增强型的相机的成像分辨率与对比度、探测动态范围、高灵敏度提出了更高的要求，而像增强器与图像传感器的耦合直接影响耦合成像质量，因此，对耦合也提出更高的要求。
3.当前，对像增强件与ccd或cmos相机的耦合仍没有统一的方法与装置，耦合采用的是机械或手工移动和显微镜观测相结合的方法，耦合精度不高，在耦合固化前，光纤传像元件与ccd或cmos相机不易固定容易发生微位移，此外，耦合界面的受力大小不易控制，当光敏面受力过大甚至会导致芯片光敏面的损坏。而最为关键的是，耦合效果很难在耦合过程中实现监测，使得耦合具有一定随机不可控性，耦合合格率偏低，导致耦合成本较高。耦合的另一个困难就是如何不损伤光敏面的前提下取下玻璃盖板。图像传感器如ccd/cmos相机的芯片一般会有一层保护玻璃盖板，以避免芯光上光敏面污染或物理损伤，只有取下盖片后才能直接与光纤传像元件进行耦合。目前，这两个过程是分开进行的。如果将这两个过程合在一起，可以缩短耦合的时间，同时避免对光敏面的污染。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统及方法，兼具快速固化耦合、耦合效果实时监测与检测、高精度耦合、以及摘除光敏面上玻璃盖板等功能。
5.本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统，其包括：
6.主体结构单元，其包括遮光罩及设置于所述遮光罩内的左、右支架、基座；所述左、右支架分别固定于基座上；
7.位移定位单元，其包括cmos相机、360
°
旋转平台及x/y向位移平台；所述cmos相机设置于右支架上，所述360
°
旋转平台设置于x/y向位移平台上，所述x/y向位移平台固定于
基座上；
8.定位加热单元，其包括设置于主体结构单元外的温控计、加热装置及真空吸附装置；
9.光纤传像元件夹持单元，其包括气驱夹持装置、分辨率/剪切标准模板及压力传感器；
10.监测显示单元，其包括电脑和数据线，所述电脑连接有待耦合的图像传感器；以及
11.光源单元，其包括led白光源、紫外光源及光源控制器；所述led白光源设置于右支架上，所述紫外光源设置于左支架上，所述光源控制器设置于设置于主体结构单元外。
12.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其中所述x/y位移平台包括上下分开设置的两个金属框架，以及两组定位光栅尺、两组步进电机及两组精密螺杆；下面设置的金属框架放置于所述基座上，其上开设有两个三角形凹槽；上面设置的金属框架开设有与两个所述三角形凹槽对应的两个三角形凸起，且所述两个所述三角形凹槽与两个三角形凸起接触时形成小于1mm的微间隙。
13.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其中所述气驱夹持装置上固定有光纤传像元件；所述气驱夹持装置为自定心夹持装置，其重复定位精度为2μm以下。
14.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其中所述气驱夹持装置上还固定有待耦合的图像传感器。
15.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其中所述cmos相机为高分辨大物镜cmos相机，其分辨率为500万像素以上。
16.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其中所述加热装置包括加热环和气加热微孔喷管中的至少一种，所述真空吸附装置包括相互连接的真空吸盘和真空泵。
17.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其中所述图像传感器设置于360
°
旋转平台上；所述360
°
旋转平台的摆动角度为
±5°
。
18.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其中所述电脑通过相机数据线与待耦合的图像传感器相连；所述360
°
旋转平台、x/y向位移平台通过运动位移数据线与电脑相连。
19.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其中所述led白光源及紫外光源的安装位置位于光纤传像元件的正上端；在所述光纤传像元件的输入端上放置有漫射光片。
20.本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法，其包括以下步骤：
21.1)耦合前的准备：
22.11)将光纤传像元件安装于支架上，并用气驱夹持装置夹紧；
23.12)将cmos相机、360
°
旋转平台、x/y向位移平台与电脑连接，并打开电脑，启动光纤传像元件耦合的控制；
24.13)检查led光源和紫外光源；
25.2)摘除玻璃盖板：
26.21)将图像传感器设置于360
°
旋转平台上，并用气驱夹持装置固定图像传感器的外壳，将其芯片的光敏面朝上，正对光纤传像元件；并将图像传感器与电脑相连；
27.22)将图像传感器的芯片的玻璃盖板进行加热，加热的同时，对该玻璃盖板进行持续真空吸附；
28.23)玻璃盖板摘除后，对该芯片进行常温喷吹；
29.3)耦合位置的定位：
30.31)固定图像传感器，利用设置于图像传感器正上方的cmos相机对芯片的光敏面进行摄像，并传输至电脑，选择光敏面上的耦合位置，设置为位置一；
31.32)移开cmos相机，打开设置于光纤传像元件正上方的led光源，光通过漫射玻片均化后入射到输入端，在光纤传像元件的输出端形成透光面，该透光面将在图像传感器上呈现出相应的图像，并在电脑中选择与光敏面耦合的区域，确定其中心，设置为位置二，通过电脑控制移动位移平强，将位置一移至位置二，位置重合，即实现耦合位置的定位；
32.4)透光面与光敏面固化耦合：
33.41)在垂直于位移平台方向上，通过电脑控制将光纤传像元件移至图像传感器的芯片光敏面的正上方，并保持与光敏面的玻璃盖板具有间隙距离；
34.42)继续向x/y向位移平台方向移动光纤传像元件，直至与光敏面接触，通过压力传感器获得透光面与光敏面耦合时的作用力，压力突增点即触发耦合停止，光纤传像元件停止向下移动；同时，通过耦合分辨率或相对透过率的监测，获得实时的耦合结果；
35.43)旋转360
°
旋转平台，实时监测耦合分辨率或相对透过率结果；之后，打开紫外光源或可见光源，从光纤传像元件输入面照射，光到达耦合界面进行光学快速固化，实现耦合。
36.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法中，其中步骤22)中，将图像传感器的芯片的光敏面的玻璃盖板进行加热具体包括：将加热环套在图像传感器的芯片的光敏面的玻璃盖板，对整个粘结面进行加热，控制加热温度不超过80
°
。
37.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法中，其中步骤31)中，选择光敏面上的耦合位置具体包括：根据需要选择光敏面上的耦合位置，或者通过图像传感器自身的成像来确定耦合的位置或区域，并通过电脑控制设置为中心位置。
38.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法中，其中步骤32)中，根据需要选择光敏面上的耦合位置包括：所述光敏面为长方形，所述光纤传像元件的输出耦合为长方形，通过调整光敏面的位置来对应光纤传像元件的输出面，以实现长方形边与角的完全对应。
39.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法中，其中步骤32)中，所述光纤传像元件的透过面为与光敏面耦合的面。
40.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法中，其中步骤41)中，在保持与芯片光敏面具有间隔距离之后还包括：在光纤传像元件的输出面均匀涂覆耦合光敏固化胶或匹配液。
41.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法中，其中步骤43)中，当所述耦合分辨率或相对透过率结果达到最大值时，停止旋转；同时，观测耦合面在电脑的显示器中的图像，当耦合面存在空隙时，微调整360
°
旋转平台的摆角，直至耦合
面无空隙。
42.进一步地，前述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法中，其中步骤4)中，所述快速光学固化包括：打开紫外光源，紫外光通过光纤传像元件照射到光敏胶上进行快速固化。
43.与现有技术相比，本发明的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统及其方法具有以下有益效果：
44.兼具固化耦合、耦合效果实时监测与检测功能：本发明提出的系统与方法不仅可以实现了光纤传像元件与图像传感器的光学固化耦合，而且还可以实时通过检测耦合分辨率或相对透过率等指标评价耦合的效果。该系统与方法除了耦合作用外，还可以用于光纤传像元件与图像传感器的成像相对光透过率、成像畸变等指标的检测。
45.高精度快速耦合：本发明提出的系统与方法采用了高精度的移动平台和高分辨能力的相机。通过对光纤传像元件位置的x、y方向的精准定位，以及图像传感器的光敏面的x、y方向上的精准定位，然后移动x/y向位移平台实现两者的x、y方向上的重合，在垂直于位移平台方向上自动可控地移动光纤传像元件，实现光纤传像元件与光敏面的耦合。耦合介质采用快速固化光敏胶，在紫外光或可见光照射下实现在10-30秒内固化。
46.具有光敏面上玻璃盖板摘除功能：本发明可通过设置一套精密控制的加热装置，实现了定向位置的加热功能，实现加热摘除光敏面上玻璃盖板的功能。同时，辅助高真空吸附装置，可以将玻璃盖板轻易地从图像传感器的光敏面上摘下，避免了摘除与耦合分离所导致表面污染的问题。
47.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
48.图1为本发明用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统的结构示意图；
49.图2a为本发明用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统的位移平台的结构示意图；
50.图2b为图2a的a-a剖视图；
51.图3为本发明用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统的加热单元的结构示意图；
52.图4为本发明用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统的真空吸附装置的结构示意图；
53.图5为本发明中紫外光快速固化耦合示意图；
54.图6为本发明中玻璃盖板的摘除示意图；
55.图7为本发明实施例1的耦合结构的示意图；
56.图8为本发明实施例2的耦合结构的示意图；
57.图9为本发明实施例3的耦合结构的示意图；
58.图10a为本发明实施例1的耦合分辨率测试结果图；
59.图10b为本发明实施例2的耦合分辨率测试结果图；
60.图10c为本发明实施例3的耦合分辨率测试结果图；
61.图11a为本发明实施例1的相对透过率测试结果图；
62.图11b为本发明实施例2的相对透过率测试结果图；
63.图11c为本发明实施例3的相对透过率测试结果图；
64.图12a为本发明实施例1的光透过均匀性测试结果图；
65.图12b为本发明实施例2的光透过均匀性测试结果图；
66.图12c为本发明实施例3的光透过均匀性测试结果图。
具体实施方式
67.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统及方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
68.以下材料，如非特别说明，均为市购。
69.如图1-图4所示，本发明提供了一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统，其包括：
70.主体结构单元，其包括左支架2、右支架3、遮光罩1及基座18，左支架2、右支架3通过螺丝固定于基座18的表面，且所述左支架2、右支架3和基座18设置于遮光罩1内，遮光罩1为不锈钢金属柜，柜体内壁涂覆0.05mm-0.1mm的炭黑硝基漆；左支架2、右支架3选择不锈钢的材质，基座18选择大理石材料，实际使用可根据疵点检测批量大小选择不同尺寸的大理石平台；遮光罩1选择不锈钢薄板，其内、外表面涂覆0.15mm-0.2mm的黑色吸光材料(如炭黑硝基漆)，其对外部杂光的吸收率达到98％以上，对于遮光罩内部光源的反应率(通过分光光度计测得)小于2％，避免外部光及内部光对耦合过程中监测光强的影响。所述主体结构单元是整个系统的骨架。
71.位移定位单元，其包括cmos相机10、360
°
旋转平台16及x/y向位移平台17；所述cmos相机10通过松紧式螺钉连接于右支架3，所述cmos相机10为高分辨大物镜cmos相机，其分辨率为500万像素以上；所述cmos相机10的下端安装有辅助光源11，所述辅助光源11包括两个白色的led灯，当对待耦合的图像传感器15拍照或摘除玻璃盖板13时，环境光线暗可以补光；所述360
°
旋转平台16设置于x/y向位移平台17上并通过四个螺丝连接，所述x/y向位移平台17通过螺丝固定于基座18上；所述x/y位移平台17包括上下分开设置的两个金属框架26，以及两组定位光栅尺23、两组步进电机24及两组精密螺杆25，下面设置的金属框架26放置于基座18上，所述金属框架26上开设有两个三角形凹槽27，上面设置的金属框架26开设有与两个所述三角形凹槽27对应的两个三角形凸起，且所述两个所述三角形凹槽27与两个三角形凸起接触时形成小于1mm的微间隙，使得两个金属框架26可进行相对的移动。所述定位光栅尺23分别与两个金属框架26连接，两组所述步进电机24与两组精密螺杆25连接，两组所述精密螺杆25与两个三角形凹槽27连接，精密螺杆转动从而带动凹槽27移动；移动距离通过定位光栅尺23进行精准计量，并与金属框架的位移尺寸相互协同，实现精确耦合定位；可以实现x与y方向的高精度位移与高清图像的采集(见图2a、图2b)。图像、位移数据
传输到电脑主机20，cmos相机10、360
°
旋转平台16、位移平台17三者的联动，从而实现高精度的定位，以确保耦合位置的准确。
72.定位加热单元，其包括设置于主体结构单元外的温控计28、加热装置及真空吸附装置，如图3所示，所述加热装置可以为加热环12、气加热微孔喷管29中的至少一种，所述真空吸附装置可以包括相互连接的真空吸盘30和真空泵31，见图4；具体实施时，所述加热装置放置于图像传感器15的芯片的玻璃盖板上，对玻璃盖板和图像传感器15的主板的粘接位置进行定向的加热，同时，利用真空吸附装置对玻璃盖板进行真空吸附(真空度为0.01-0.1pa)，当温度达到脱胶所需温度时，真空吸附装置就可以直接将玻璃盖板吸走。
73.光纤传像元件夹持单元，其包括气驱夹持装置8、分辨率/剪切标准模板6、旋钮7及压力传感器21；所述气驱夹持装置8的一侧固定于左支架2上，所述气驱夹持装置8的另一侧固定有压力传感器21，气驱夹持装置8为自定心固定架，可以夹持直径5～200mm的光纤传像元件，包括光纤倒像器、光纤面板和光纤倒像器或相当尺寸的正方形、长方形等正多边，以及相当尺寸的异型光纤传像元件。所述旋钮7的一侧与led白光源连接，另一侧与右支架3连接，所述分辨率/剪切标准模板6安装于光纤传像元件9的输入面，一般指直径较大的一端。在光照的条件下，分辨率/剪切标准模板6上的图案可以通过光纤传像元件9在另一端呈现出来。当所述光纤传像元件9与芯片的光敏面进行耦合时，存在一个最佳的耦合位置和角度，此时也需知道耦合界面耦合光学胶厚度及其对耦合效果的影响。耦合时实时观测电脑屏上的分辨率图像，移动图像传感器15，当获得最高的分辨率值，即视为最佳耦合位置。本发明中用压力传感器来实现对耦合界面压力大小的监测，结合分辨率和透过率的实时检测，获得最优的界面光学胶的厚度，同时也可避免界面压力过大所导致对芯片的损伤，故设计界面光学胶的厚度不超过20μm，界面压力适宜在0.01-0.1kg/cm2之间。
74.监测显示单元，其包括电脑20(包括显示器)、相机、运动位移数据线19等；所述电脑20通过相机数据线19连接有待耦合的图像传感器15，所述图像传感器15可以为ccd或cmos相机，其设置于360
°
旋转平台16上，所述360
°
旋转平台16、x/y向位移平台17通过运动位移数据线19与电脑20相连，所述电脑20中设有运动精密控制模块和辉度分析模块，通过运动精密控制模块在电脑20上的运行实现位移的精确控制，其中心位置(即耦合位置的中心)通过cmos相机10的识别来确定。该单元主要是对耦合过程中分辨率与透过率(辉度)的实时监测，通过监测的结果实时调整耦合的位置与角度。具体地，待耦合的图像传感器15与光纤传像元件9耦合存在最佳的耦合角度或位置，通过旋转360
°
旋转平台16，寻找与光纤传像元件9的最佳耦合角度；耦合时实时观测电脑20的屏幕上的分辨率图像，移动图像传感器15，获得最高的分辨率值，即视为最佳耦合位置。同时，该360
°
旋转平台16还具有一定角度的摆动功能，其摆动角度为
±5°
，以适应不同耦合位置有不同的水平度，以及夹持光纤传像元件9不水平而产生耦合空隙的情形。以及
75.光源单元，其包括led白光源4、紫外光源5及光源控制器；所述led白光源4设置于右支架3上，led白光源4是标准模板成像的照明光源；所述紫外光源5设置于左支架2上，紫外光源5是快速固化的照射光源；所述光源控制器设置于设置于主体结构单元外，以便测试时的调节。在实施时，如图5，所述led白光源4及紫外光源5的安装位置位于光纤传像元件9的正上端，为了均匀光源的目的，在光纤传像元件9的输入端上放置乳白色的漫射光片31，起到均匀光源的目的，无论是成像还是固化，都需均匀的入射光源。
76.本发明还提供了一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法，其包括以下步骤：
77.1)耦合前的准备：
78.a)将光纤传像元件9安装于固定支架上，用气驱夹持装置8夹紧，夹持装置的重复定位精度为2μm以下；所述光纤传像元件9可以为光纤光锥、光纤面板、光纤倒像器等；
79.b)连接cmos相机10、360
°
旋转平台16、x/y向位移平台17、360
°
旋转平台16与电脑20的数据线19，并打开电脑20，启动光纤传像元件耦合的控制；
80.c)检查led白光源4和紫外光源5，其中紫外光源5可以根据需要进行切换不同紫外波段的光源，典型的紫外光波长为365nm。为实现光的均匀入射，一般与乳白色的漫射片32(石英材质)配合使用，放置于光纤传像元件9的输入面，光线经过漫射片32再进入光纤传像元件9，见图5。所述漫射玻璃片32直接与光纤传像元件9贴合使用，如果光纤传像元件9的输入面安装有分辨率/剪切标准模板6，则将漫射片32直接设置于分辨率/剪切标准模板6上。
81.2)摘除玻璃盖板，见图6：
82.a)将图像传感器15置于360
°
旋转平台16上，并用气驱夹持装置8固定图像传感器15的外壳，将图像传感器15的芯片的光敏面14朝上，正对光纤传像元件9。如图像传感器15的芯片不能完全裸露在外部，需要对图像传感器15的外壳进行部分的拆解，以确保芯片的光敏面完全可见，并且有一定空间进行加热摘除操作。同时，用数据线19将cmos相机10与电脑20相连。
83.b)将加热装置如定位加热环12套在玻璃盖板13上，对整个粘结面进行加热，温度控制在不超过80度，不同的胶的脱胶温度有差异，最大温度的设置以不损伤相机芯片为原则。所述粘结面是指玻璃盖板与芯片光敏面的胶合面。加热的同时，将真空吸附装置如真空吸盘30作用在玻璃盖板13上，确保使用的脱胶温度为低点值。对于局部位置不易脱胶，还可以使用加热微喷管29加热，喷管的内径小于1mm。具体地，在加热胶合面时，当到达一定温度后，就会开胶，玻璃盖板与芯片就会分离，此过程中一直对玻璃盖板施加吸力，一开胶脱落就被吸走。
84.c)玻璃盖板摘除后，加热微喷管29则喷吹常温的电离的净化风，对光敏面进行吹净的同时(主要是为了排除芯片的光敏面吸附环境中的灰尘等污染物)，还可防止静电聚集。
85.3)耦合位置的定位：
86.a)图像传感器15通过自定心夹持装置8固定，而自定心夹持装置8通过螺钉22紧固于360
°
旋转平台上，利用设置于图像传感器15正上方的cmos相机10对其芯片的光敏面14进行摄像，并传输至电脑20的运动精密控制模块，根据需要选择光敏面上的耦合位置。具体地，芯片光敏面的形状和光纤传像元件9的输出耦合面的形状来确定耦合位置。比如，光敏面是长方形，光纤传像元件9的输出耦合也是长方形，则需要调整光敏面的位置来适应光纤传像元件9的输出面，以实现长方形边与角的完全对应。也可以通过图像传感器15自身的成像来确定耦合的位置或区域，并通过运动精密控制模块控制设置为光敏面耦合的中心位置，确定为位置一。
87.b)沿与x/y向位移平台17垂直的方向向上移开置于芯片上方的cmos相机10，打开设置于光纤传像元件9正上方的led白光源4，光通过漫射片32均化后入射到光纤传像元件9
的输入面，光在光纤传像元件的输出面34输出，该输出面34即是与光敏面14耦合的面(见图5)。该输出面34会在上方的cmos相机10上呈现出相应的图像，并在电脑20的运动精密控制模块中选择与光敏面耦合的区域，并确定其中心，设置为位置二，通过电脑20的运动精密控制模块控制，将位置一移至位置二，位置重合，即实现耦合位置的初步定位。
88.4)透光面与光敏面固化耦合，见图5：
89.a)耦合位置一和二重合后，只是在x、y方向上实现了重合。通过电脑20的运动精密控制模块将光纤传像元件9向下移至与图像传感器15的芯片的正上方，并保持与芯片光敏面不小于5mm，此时在光纤传像元件9的输出面34均匀涂覆光敏固化胶或匹配液，涂覆厚度不超过20μm。涂覆光敏固化胶后可形成耦合胶层33。还可根据耦合工艺设计，不需要在光纤传像元件9的输出面34涂覆任何耦合胶，直接进行耦合。
90.b)继续向垂直于x/y向位移平台17的方向移动光纤传像元件9，直至与光敏面14接触。通过设置于气驱夹持装置8一侧的压力传感器21获得输出面34与光敏面14耦合时的作用力，阻力突增点即触发耦合停止，以确保不损伤光敏面。同时，通过耦合分辨率和透过率的监测，获得实时的耦合结果。当光纤传像元件的输出面34为圆形时，还需旋转360
°
旋转平台16，得到单光纤与像元间最佳的耦合角度，当分辨率或透过率达到最大值时，即为最佳的耦合位置注意。使用光源时，应该关闭遮光罩1的门，避免外界光线对检测结果的影响。
91.c)当获得最佳分辨率或透过率的耦合结果后，打开紫外光源5，260-365nm的紫外光能过光纤传像元件9照射到光敏固化胶(紫外光敏固化胶)上形成耦合胶层33实现紫外快速固化(10-30秒)。当选择非光敏固化胶(透明环氧树脂胶)时，还可以通过加热套环12在光纤传像元件输出面与芯片光敏面的耦合面加热到不超过100℃，在1-2h内实现加速固化。注意，使用紫外光源5时，应该关闭遮光罩1的门，避免紫外线对操作人的伤害。实时监测耦合过程中，在电脑20的显示屏会有分辨率标准模板6的成像，对图像进行辨识，获得图像上的线对数，分辨率值越大的位置即为最佳位置；同理，如果用透过率也表征，则不需分辨率标准模板6，对显示屏的图像进行灰值化，辉度越大的位置即为量佳位置。
92.本发明提供的用于光纤传像元件与ccd或cmos耦合的系统及方法，其具有如下优点：
93.1)快速固化耦合(见图5)：采用光固化光学胶，胶在紫外光源5(300-380nm)照射下可实现快速的固化，形成耦合胶层33，其光学胶的折射率nd可达到1.5-1.7间，固化过程在30秒内完成，紫外光5为经漫射玻片32均化的光，经过光纤传像元件的输出面34射出；通过固化将光纤传像元件9与图像传感器15的芯片的光敏面粘在一起，剪切强度不小于90kg/cm2。光敏胶优先选择高折射率的，如nd＝1.7，固化时间短，这样不仅可减少界面耦合的光损失，同时提高耦合过程的可控性，提升耦合的精度。为了进一步减少耦合界面的反射损失，还可采用耦合匹配液(市购，二碘甲烷和硫混合液)与光敏固化胶共同耦合光纤传像元件与ccd或cmos的光敏面。匹配液的折射率nd可以达到近1.8，其值与光纤传像元件的玻璃折射率相当，这样可以显著提高耦合光透过率(例如提高10-15％)，并获得到更为清晰的耦合成像(分辨率可提高约5％)。
94.2)高精度耦合：本发明中采用高精度的位移平台，移动精度与重复定位精度可以达到2μm及以下。辅助高清晰的cmos相机10(500万像素以上)实现图像定位，获得被耦光敏面的图像，并通过特征位置实现中心位置的识别，并且也可以根据需要实现特定位置的耦
合。同时，对于光纤传像元件耦合面的定位，通过被耦合图像传感器获得光纤传像元件的透光面，边界识别获得透光面的中心。通过移动位移平台使光敏面与透光面的中心重合。而对于耦合角度的精确定位，主要通过高精密的360
°
旋转平台16，在耦合固化前，使光纤传像元件的复丝边界(一般为二次复丝边界)与光敏面像元进行理想的耦合，从而使光纤传像元件中单光纤与光敏面像元的耦合达到最佳。通过360
°
旋转平台16改变耦合的角度，当监测的分辨率值或透过率达到最高，即是最佳的耦合角度，即是理想的耦合。
95.3)实时监测与检测功能：光纤传像元件在耦合时，如何获得最佳耦合效率是一个难点。因为耦合固化后再修正很可能损坏芯片和光纤传像元件的透光面，因此，一般都是一次性耦合，耦合效率高低往往取决于耦合经验。本发明为了能实时观测到耦合的效果，设置两个监测对数，一是耦合分辨率和耦合输出到光敏面的相对光强(辉度值)。耦合分辨率是通过led光源照射光纤传像元件的输入端，输入端紧贴标准分辨率靶，标准模板上的图案经耦合的图像传感器成像于显示屏上，通过实时图像的分析，确定最佳耦合位置。而耦合的相对光强，led光源直接入射到光锥输入端，光经过光锥及耦合面进入到图像传感器，在电脑的显示屏上获得实时的图片，选定一区域，并实时显示出该区域的辉度值。利用辉度值的大小来表征光强大小，辉度值越大，即透过率高，也可表征光强越大。
96.4)可实现芯片玻璃盖板的摘除(见图6)：光纤传像元件9与图像传感器15耦合时，需要将光纤传像元件的输出面34直接与芯片上的光敏面14直接接触或通过胶进行耦合。通常，芯片上玻璃盖板13还保留着，并通过胶粘得非常牢固。如何去除也是一个难点，采用溶剂溶解胶层从而摘下玻璃盖板13，也有用加热脱胶，这两种方法都有可能造成对芯片的损伤。为了避免对芯片上其它部位的损伤，本发明采用定向加热(不超过80℃)，并将定位加热环12置于玻璃盖板13的上方，加热环12可以根据玻璃盖板13的形状和尺寸进行制作，例如通过将电阻丝套在陶瓷环或子软质的橡胶圈中得到所述加热环12，同时，辅助特定位置加热使用微型加热喷管29。加热过程中，打开真空吸盘30持续作用于玻璃盖板13，以及时将脱胶的玻璃盖板13吸走。
97.本发明所述系统的工作原理如下：光纤传像元件9与图像传感器15的耦合不是简单的粘合及固化，或者是物理接触的耦合，其耦合不仅要具备高的耦合效率，表现出高的光透过率和耦合分辨率。基于光纤传像元件单元光纤丝与光敏面的像元一一对应(或多个单元光纤对应一个像元)的基本原则，设计了高精度的定位及位移单元、多角度多方位的耦合位置调节装置，采取快速固化方式，确保光纤传像元件9与光敏面14耦合位置的精准，在耦合过程中，实现了在线相对透过率与分辨率测试，温度与界面压力的监测单元，辅助找到理想的耦合位置，并且避免耦合过程对芯片表面的物理损伤和热损伤。因此，该方法不仅可以实现高精度的固化耦合，还可以实时监测耦合功能。除此之外，针对图像传感器的芯片保护玻璃盖板拆除难的问题，该方法还通过加热装置，实现了拆除玻璃盖板、高精度高分辨高透过的耦合、在线实时监测耦合性能。基于上述的工作原理，可以实现μm级精度的耦合，并实现对耦合过程进行实时的监测，减少耦合操作对光纤传像元件和图像传感器的成像质量的负影响。同时，该系统及方法基本实现将耦合的全部流程集于一身，这样也减少了外界环境对耦合的影响，有利于获得高效率的耦合。
98.以下结合实施例对本发明将进行进一步说明。
99.实施例1
100.耦合样品为光纤光锥和ccd相机。
101.光纤光锥规格为：大端直径49mm，有效直径44.6mm；小端直径20
×
11mm，有效尺寸19.5
×
10.8mm，放大率2:1，单元丝丝径6μm(大端)。
102.ccd相机的光敏面为19.5
×
10.8mm，像元尺寸为10
×
10μm。
103.芯片光敏面在光纤光锥输出面的下部。
104.耦合光敏胶：折射率nd为1.55；无色透明；粘接强度》90kg/cm2；可见透过率》90％。
105.光固化波长：～320nm；光固化时间：5-10s；
106.本实施例的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统，包括：
107.主体结构单元，其包括遮光罩1及设置于所述遮光罩1内的左支架2、右支架3、基座18；所述左支架2、右支架3分别固定于基座18上；所述左支架2、右支架3采用不锈钢材质，所述基座18为大理石光学隔振平台，其材质可以选择00级及以上等级平面度的花岗石料，提高检测的精确度和稳定性；
108.位移定位单元，其包括cmos相机10、360
°
旋转平台16及x/y向位移平台17；所述cmos相机选择高清晰大物镜相机。芯片采用科学级scmos芯片，其单位像元为5.3
×
5.3μm，光敏面区域尺寸13.3
×
13.3mm，像素为630万；所述cmos相机16设置于右支架上，所述360
°
旋转平台17设置于x/y向位移平台16上，实现芯片部分或固定传感器的任意角度的旋转；所述x/y向位移平台16固定于基座上，可以实现x、y方向上位移，其位移精度为0.5μm，其位移最大尺寸为250mm；所述x/y位移平台17包括上下分开设置的两个金属框架26，以及两组定位光栅尺23、两组步进电机24及两组精密螺杆25，下面设置的金属框架26放置于基座18上，所述金属框架26上开设有两个三角形凹槽27；上面设置的金属框架26开设有与两个所述三角形凹槽27对应的两个三角形凸起，且两个所述三角形凹槽27与两个三角形凸起接触时形成小于1mm的微间隙，使得两个金属框架26可进行相对的移动。所述定位光栅尺23分别与两个金属框架26连接，从而带动金属框架26移动，两组所述步进电机24与两组精密螺杆25连接，两组所述精密螺杆25与两个三角形凹槽27连接，精密螺杆转动从而带动凹槽27移动，通过两个三角形凹槽27限定平台移动方向；为确保测试定位和重复定位的高精度，光栅尺23的传感器采用密闭式，其测量步距(分辨率)优于0.5μm，测量精度为
±
2μm；精密丝杠25采用滚珠式丝杠，精度等级选择在c5级以上，其丝杆运行的导轨选择p级以上精度，在行走300mm时其平行度应不大于2μm；电机24选择反应式步进电机，由于负荷不大，选择额定扭矩大于0.45nm即可。
109.定位加热单元，其包括设置于主体结构单元外的温控计28、加热微型喷管29、真空吸盘30和真空泵31；
110.光纤传像元件夹持单元，其包括气驱夹持装置8、分辨率/剪切标准模板及压力传感器21，所述气驱夹持装置为自定心固定架，其只能上下垂直于位移平台方向上移动；所述气驱夹持装置安装有位移光栅尺；
111.监测显示单元，其包括电脑20，所述电脑20连接有待耦合的图像传感器15；以及
112.光源单元，其包括led白光源4、紫外光源5及光源控制器；所述led白光源4设置于右支架3上，所述紫外光源5设置于左支架2上，所述光源控制器设置于设置于主体结构单元外；所述紫外光源5的紫外波长为365nm，紫外灯珠为环形设计，达到匀光的目的；所述led白光光源4，也采用环形设计，达到均匀照射的目的，色温规定为2650k。
113.通过上述系统，不仅可实时判断耦合质量的优劣，还可以测得整个系统的特征性能指标：
114.耦合分辨率：45lp/mm；
115.耦合相对透过率：47.2％，其具体测试数值见表1；
116.光透过均匀性：84.2％，其具体测试数值见表2；
117.耦合后的结构如图7所示，图像传感器15与光纤光锥35之间设有耦合胶层33。
118.耦合后的分辨率如图10a所示。
119.耦合后的光透过率如图11a所示。
120.耦合后的透过率均匀性如图12a所示。
121.实施例2
122.耦合样品为光纤面板和cmos相机。
123.光纤面板规格为：外径21.85mm，有效直径18.3mm；单元丝丝径6μm。
124.cmos相机芯片像元为5.5
×
5.5μm，光敏面区域尺寸12.7
×
9.6mm。
125.芯片光敏面在光纤面板透光面的内部。
126.耦合光敏胶：折射率nd为1.7；500-550nm的平均光透过率》98％；粘接强度》70kg/cm2；
127.光固化波长及时间：紫外波长320-390nm，固化时间：20-30s；
128.系统各部分的设置及位置关系同实施例1。
129.通过上述系统，不仅可实时判断耦合质量的优劣，还可以测得整个系统的特征性能指标：
130.耦合后分辨率：50.8lp/mm
131.耦合相对透过率：44.4％，其具体测试数值见表1；
132.光透过均匀性：77.0％，其具体测试数值见表2；
133.耦合后结构如图8所示，图像传感器15与光纤面板36之间设有耦合胶层33。
134.耦合后的分辨率如图10b所示。
135.耦合后的光透过率如图11b所示。
136.耦合后的透过率均匀性如图12b通过所示。
137.实施例3
138.耦合样品为倒像器和cmos相机。
139.光纤倒像器规格为：外径19mm，有效直径16.3mm。受cmos芯片尺寸的限制，倒像器的输出端加工成为16
×
14mm的环形面，单元丝丝径6μm。倒像角度：180
°±1°
；
140.芯片光敏面在光纤面板透光面的内部。
141.耦合光敏胶：折射率nd为1.7；500-550nm的平均光透过率》98％；粘接强度》70kg/cm2；
142.光固化波长及时间：紫外波长320-390nm，固化时间：5-10s；
143.所述系统中除cmos相机外，其余同实施例1。cmos相机采用科学级cmos芯片，其像元为6.5
×
6.5μm，光敏面区域尺寸16.6
×
14.0mm，像素550万。
144.通过上述耦合系统，不仅可实时判断耦合质量的优劣，还可以测得整个系统的特征性能指标：
145.耦合后分辨率：50lp/mm；
146.相对透过率：38.0％，其具体测试数值见表1；
147.光透过均匀性：72.4％，其具体测试数值见表2；
148.耦合后结构如图9所示，图像传感器15与光纤倒像器37之间设有耦合胶层33。
149.耦合后的分辨率如图10c所示。
150.耦合后的光透过率如图11c所示。
151.耦合后的透过率均匀性如图12c所示。
152.表1本发明实施例1、2、3的相对透过率测试数据
153.项目空白实施例1实施例2实施例3辉度值(cd/m2)968457430368相对透过率 47.2％44.4％38.0％
154.表2本发明实施例1、2、3的光透过均匀性测试数据
[0155][0156]
从图11a-图11c、图12a-图12c、表1和表2的数据可以看出，通过用于光纤传像元件与图像传感器光敏面的耦合系统及方法可以实现光纤锥、光纤面板和光纤倒像器与图像传感器中芯片光敏面的理想耦合，并可以获得耦合过程中相对透过率、透光均匀性等耦合效果指标，实现过程监测及效果的量化考核，为工程化应用创造了条件。
[0157]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0158]
本发明中所述的数值范围包括此范围内所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值组成的范围值。本发明所有实施例中出现的同一指标的不同数值，可以任意组合，组成范围值。
[0159]
本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。
[0160]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统，其特征在于，包括：主体结构单元，其包括遮光罩及设置于所述遮光罩内的左、右支架、基座；所述左、右支架分别固定于基座上；位移定位单元，其包括cmos相机、360
°
旋转平台及x/y向位移平台；所述cmos相机设置于右支架上，所述360
°
旋转平台设置于x/y向位移平台上，所述x/y向位移平台固定于基座上；定位加热单元，其包括设置于主体结构单元外的温控计、加热装置及真空吸附装置；光纤传像元件夹持单元，其包括气驱夹持装置、分辨率/剪切标准模板及压力传感器；监测显示单元，其包括电脑和数据线，所述电脑连接有待耦合的图像传感器；以及光源单元，其包括led白光源、紫外光源及光源控制器；所述led白光源设置于右支架上，所述紫外光源设置于左支架上，所述光源控制器设置于设置于主体结构单元外。2.如权利要求1所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其特征在于，所述x/y位移平台包括上下分开设置的两个金属框架，以及两组定位光栅尺、两组步进电机及两组精密螺杆；下面设置的金属框架放置于所述基座上，其上开设有两个三角形凹槽；上面设置的金属框架开设有与两个所述三角形凹槽对应的两个三角形凸起，且所述两个所述三角形凹槽与两个三角形凸起接触时形成小于1mm的微间隙。3.如权利要求1所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其特征在于，所述气驱夹持装置上固定有光纤传像元件；所述气驱夹持装置为自定心夹持装置，其重复定位精度为2μm以下；所述气驱夹持装置上还固定有待耦合的图像传感器。4.如权利要求1所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其特征在于，所述cmos相机为高分辨大物镜cmos相机，其分辨率为500万像素以上。5.如权利要求1所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其特征在于，所述加热装置包括加热环和气加热微孔喷管中的至少一种，所述真空吸附装置包括相互连接的真空吸盘和真空泵。6.如权利要求1所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其特征在于，所述图像传感器设置于360
°
旋转平台上；所述360
°
旋转平台的摆动角度为
±5°
。7.如权利要求1所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其特征在于，所述电脑通过相机数据线与待耦合的图像传感器相连；所述360
°
旋转平台、x/y向位移平台通过运动位移数据线与电脑相连。8.如权利要求1所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统中，其特征在于，所述led白光源及紫外光源的安装位置位于光纤传像元件的正上端；在所述光纤传像元件的输入端上放置有漫射光片。9.一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)耦合前的准备：11)将光纤传像元件安装于支架上，并用气驱夹持装置夹紧；12)将cmos相机、360
°
旋转平台、x/y向位移平台与电脑连接，并打开电脑，启动光纤传像元件耦合的控制；13)检查led光源和紫外光源；
2)摘除玻璃盖板：21)将图像传感器固定于360
°
旋转平台上，并用气驱夹持装置固定图像传感器的外壳，将其芯片的光敏面朝上，正对光纤传像元件；并将图像传感器与电脑相连；22)将图像传感器的芯片的玻璃盖板进行加热，加热的同时，对该玻璃盖板进行持续真空吸附；23)玻璃盖板摘除后，对该芯片进行常温喷吹；3)耦合位置的定位：31)固定图像传感器，利用设置于图像传感器正上方的cmos相机对芯片的光敏面进行摄像，并传输至电脑，选择光敏面上的耦合位置，并设置为位置一；32)移开cmos相机，打开设置于光纤传像元件正上方的led光源，光通过漫射玻片均化后入射到输入端，在光纤传像元件的输出端形成透光面，该透光面将在图像传感器上呈现出相应的图像，并在电脑中选择与光敏面耦合的区域，确定其中心，设置为位置二，通过电脑控制移动位移平台，将位置一移至位置二，位置重合，即实现耦合位置的定位；4)透光面与光敏面固化耦合：41)在垂直于位移平台方向上，通过电脑控制将光纤传像元件移至图像传感器的芯片光敏面的正上方，并保持与光敏面的玻璃盖片具有间隔距离；42)继续向x/y向位移平台方向移动光纤传像元件，直至与光敏面接触，通过压力传感器获得透光面与光敏面耦合时的作用力，压力突增点即触发耦合停止，光纤传像元件停止向下移动；同时，通过耦合分辨率或相对透过率的监测，获得实时的耦合结果；43)旋转360
°
旋转平台，实时监测耦合分辨率或相对透过率结果；之后，打开紫外光源或可见光源，从光纤传像元件输入面照射，光到达耦合界面进行快速光学固化，实现耦合。10.如权利要求9所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法，其特征在于，步骤22)中，将图像传感器的芯片的光敏面的玻璃盖板进行加热具体包括：将加热环放在图像传感器的芯片的光敏面的玻璃盖板，对整个粘结面进行加热，控制加热温度不超过80
°
。11.如权利要求9所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法，其特征在于，步骤31)中，选择光敏面上的耦合位置具体包括：根据需要选择光敏面上的耦合位置，或者通过图像传感器自身的成像来确定耦合的位置或区域，并通过电脑寻找并设置为中心位置；步骤32)中，所述光纤传像元件的透光面为与光敏面耦合的面。12.如权利要求9所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法，其特征在于，步骤41)中，在保持与光敏面具有间隔距离之后还包括：在光纤传像元件的输出面均匀涂覆耦合光敏胶或匹配液。13.如权利要求9所述的用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的方法，其特征在于，步骤43)中，当所述耦合分辨率或相对透过率结果达到最大值时，停止旋转；同时，观测耦合面在电脑的显示器中的图像，当耦合面存在空隙时，微调整360
°
旋转平台的摆角，直至耦合面无空隙；所述快速光学固化包括：打开紫外光源或白光源，光通过光纤传像元件照射到光敏胶上进行快速固化耦合。

技术总结
本发明是关于一种用于光纤传像元件与图像传感器中光敏面耦合的系统及方法。所述系统包括：主体结构单元，其包括遮光罩及设置于所述遮光罩内的左、右支架、基座；位移定位单元，其包括CMOS相机、360


技术研发人员：黄永刚 焦朋 赵冉 王云 付杨 周游 王久旺 独雅婕
受保护的技术使用者：中国建筑材料科学研究总院有限公司
技术研发日：2021.12.09
技术公布日：2022/3/8