光纤形貌的测量系统及测量方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103808278 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103808278 A (21)申请号 201410081853.2 (22)申请日 2014.03.06 G01B 11/24(2006.01) (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710071 陕西省西安市太白南路 2 号 (72)发明人 邵晓鹏 张少辉 杜娟 王琳 (74)专利代理机构 陕西电子工业专利中心 61205 代理人 王品华 朱红星 (54) 发明名称 光纤形貌的测量系统及测量方法 (57) 摘要 本发明公开了一种光纤形貌的测量系统和测 量方法， 主要解决已有测量方法中需要人为

2、判断、 准确性低， 且需要花费大量时间、 无法迅速测量的 问题。 该测量系统包括载物台(1)、 结构支架(3)、 位移台 (4)、 控制器 (7)、 拍摄系统 (10) 和图像处 理器 (11)。测量时， 将被测光纤固定在载物台的 夹持槽上， 通过控制器控制位移台移动， 带动拍摄 系统对光纤进行多次对焦拍摄， 获得光纤图像， 传 送给图像处理器处理计算， 得到光纤的形貌参数， 即轴向长度、 端面径向直径、 中间最细处直径和表 面倾斜角度。 本发明无需人为判断， 且通过多次测 量求平均值和图像处理器自动处理图像， 提高了 测量精度和测量速度， 可用于筛选合格光纤产品， 提高光纤器件的性能。 (5

3、1)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103808278 A CN 103808278 A 1/2 页 2 1. 一种光纤形貌的测量系统， 包括 ： 载物台 （1） 、 结构支架 （3） 、 位移台 （4） 、 控制器 （7） 、 拍摄系统 （10） 和图像处理器 （11） ， 结构支架 （3） 和控制器 （7） 固定在载物台 （1） 上， 位 移台 （4） 与控制器 （7） 电连接， 拍摄系统 （10） 与图像处理器 （11） 电连接，

4、其特征在于 ： 载物台 （1） 的中间表面设有夹持槽 （2） ， 用于固定被测光纤 ； 位移台 （4） ， 包括竖直电动位移台 （5） 和水平电动位移台 （6） ， 该竖直电动位移台 （5） 固 定在结构支架 （3） 上， 该水平电动位移台 （6） 通过第一平面转接板 （8） 固定在竖直电动位移 台 （5） 上 ； 拍摄系统 （10） ， 采用带有同轴光源的工业相机， 并通过第二平面转接板 （9） 固定在水 平电动位移台 （6） 上 ； 通过控制器 （7） 控制位移台 （4） 移动， 使工业相机对光纤进行多次对焦拍摄， 获得光纤 图像， 传送给图像处理器 （11） 进行处理计算， 得到光纤的形

5、貌参数， 即轴向长度 l、 端面径 向直径 d1和 d2、 中间最细处直径 d0和表面倾斜角度 。 2. 根据权利要求 1 所述的测量系统， 其特征在于位移台 （4） 的移动， 包括水平和竖直双 方向移动， 且移动的单步步进量为 0.10m。 3. 根据权利要求 1 所述的测量系统， 其特征在于所述拍摄系统 （10） 采用的同轴光源工 业相机， 其选择参数为 ： 分辨率为 ： 25921944、 单像元尺寸为 ： 2.2m2.2m ； 镜头放大倍率为 6.0、 工作距离为 65mm、 景深为 0.06mm、 标准 C 口安装。 4. 根据权利要求 1 所述的测量系统， 其特征在于图像处理器 （

6、11） ， 包括 ： 存储模块 ： 用于保存拍摄的光纤图像 ； 处理模块 ： 用于对光纤图像进行校准、 去除噪声和去除模糊处理 ； 计算与显示模块 ： 用于根据工业相机参数计算出光纤的形貌参数并显示在显示器上。 5. 一种光纤形貌的测量方法， 包括如下步骤 ： 1) 将被测光纤固定在载物台的夹持槽上， 调节被测光纤和位移台， 使光纤的轴向方向 与位移台的水平步进方向一致 ； 2) 通过控制器控制位移台以 0.10m 精度沿竖直方向步进， 调节镜头与光纤的距离， 使光纤清晰成像 ； 再通过控制器控制位移台以 0.10m 精度沿水平方向步进， 进行对焦拍 摄， 获得光纤图像 ； 3) 重复步骤 2

7、)， 对光纤进行对焦拍摄 n 次， n 4， 获得 n 幅光纤图像并输入给图像处 理器 ； 4) 图像处理器对光纤图像进行处理 ： 4a) 保存拍摄的 n 幅光纤图像 ； 4b) 对光纤图像进行校正、 去除噪声和去除模糊处理 ； 4c) 设置 n 幅光纤图像的坐标 ： 光纤两端面的中点坐标 ：和， L 表示轴向， i 1,2,3n ； 光纤两端面的四个顶点坐标 ：和，和D1 表 示第一端面的径向， D2 表示第二端面的径向， i 1,2,3n ； 光纤中间最细处的两个顶点坐标 ：和， D0表示中间最细处的径 权 利 要 求 书 CN 103808278 A 2 2/2 页 3 向， i 1,2

8、,3n ； 4d) 计算 n 幅光纤图像的如下参数 ： 光纤轴向长度所占像素数 ： 光纤两端面径向直径所占像素数 ： 光纤中间最细处直径所占像素数 ： 4e) 计算上述参数的平均值 ： 光纤轴向长度所占像素数平均值 ： 光纤两端面径向直径所占像素数平均值 ：和 光纤中间最细处直径所占像素数平均值 ： 4f) 根据相机参数和步骤 4e) 所得到的平均值， 得到光纤的形貌参数 ： 光纤轴向长度 ： 光纤两端面径向直径 ： 光纤中间最细处直径 ： 光纤表面倾斜角度 ： 其中， d1表示光纤第一端面的径向直径， d2表示光纤第二端面的径向直径， 2.2m 为相机的像元长度， 6.0 为镜头的放大倍率

9、； 4g) 显示光纤的形貌参数， 即轴向长度 l、 端面径向直径 d1和 d2、 中间最细处直径 d0和 表面倾斜角度 。 权 利 要 求 书 CN 103808278 A 3 1/5 页 4 光纤形貌的测量系统及测量方法 技术领域 0001 本发明属于测量技术领域， 特别涉及一种对光纤形貌的测量系统， 可用于筛选出 合格的光纤产品， 提高光纤器件的性能。 背景技术 0002 作为光纤陀螺的主要材料， 光纤的形貌参数关系到光功率的分配、 复用 / 解复用、 功率耦合和增益平坦化等方面的功能， 其形貌参数的精确测量对光纤的制造、 应用以及光 纤陀螺的性能至关重要。 0003 目前国内外提出的测量

10、光纤形貌的方法较多， 主要有 ： 直接测量法、 图像剪切法、 机械接触法、 图像翻转显微镜法、 旋转镜偏移法、 前向散射法、 后向散射法、 CCD 非接触测量 法等。 例如利用显微镜的直接测量， 需要显微镜聚焦在光纤的一个端面上， 移动侧位目镜中 的十字准线以便它和光纤各个边缘线交叉， 然后记下读数， 此方法不仅消耗了大量时间， 还 受到操作者主观决定光纤边界而产生误差的限制。又如前向或后向散射干涉法， 是利用激 光束作为入射光垂直照射光纤， 使散射光产生干涉， 观察并测量相干光的干涉条纹， 根据散 射光图样分析法获得光纤的数学模型， 此方法理论相对成熟， 但是测量精度低， 实际应用意 义不大

11、。 0004 这些方法最主要的缺点就是都需要人为判断， 降低了准确性， 而且需要花费大量 的时间， 无法迅速测量。 发明内容 0005 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足， 提出一种对光纤形貌的测量系统和 测量方法， 避免人为判断， 提高测量精度和测量速度。 0006 为实现上述目的， 本发明的测量系统包括 ： 0007 载物台、 结构支架、 位移台、 控制器、 拍摄系统和图像处理器， 结构支架和控制器固 定在载物台上， 位移台与控制器电连接， 拍摄系统与图像处理器电连接， 其特征在于 ： 0008 载物台的中间表面设有夹持槽， 用于固定被测光纤 ； 0009 位移台， 包括竖直电动位移台

12、和水平电动位移台， 该竖直电动位移台固定在结构 支架上， 该水平电动位移台通过第一平面转接板固定在竖直电动位移台上 ； 0010 拍摄系统， 采用带有同轴光源的工业相机， 并通过第二平面转接板固定在水平电 动位移台上 ； 0011 通过控制器控制位移台移动， 使工业相机对光纤进行多次对焦拍摄， 获得光纤图 像， 传送给图像处理器进行处理计算， 得到光纤的形貌参数， 即轴向长度 l、 端面径向直径 d1 和 d2、 中间最细处直径 d0和表面倾斜角度 。 0012 上述测量系统， 其特征在于位移台的移动， 包括水平和竖直双方向移动， 且移动的 单步步进量为 0.10m。 0013 上述测量系统，

13、 其特征在于所述拍摄系统采用的同轴光源工业相机， 其选择参数 说 明 书 CN 103808278 A 4 2/5 页 5 为 ： 0014 分辨率为 ： 25921944、 单像元尺寸为 ： 2.2m2.2m ； 0015 镜头放大倍率为 6.0、 工作距离为 65mm、 景深为 0.06mm、 标准 C 口安装。 0016 上述测量系统， 其特征在于图像处理器， 包括 ： 0017 存储模块 ： 用于保存拍摄的光纤图像 ； 0018 处理模块 ： 用于对光纤图像进行校准、 去除噪声和去除模糊处理 ； 0019 计算与显示模块 ： 用于根据相机参数计算出光纤的形貌参数并显示在显示器上。 00

14、20 为实现上述目的， 本发明的测量方法， 包括如下步骤 ： 0021 1) 将被测光纤固定在载物台的夹持槽上， 调节被测光纤和位移台， 使光纤的轴向 方向与位移台的水平步进方向一致 ； 0022 2) 通过控制器控制位移台以 0.10m 精度沿竖直方向步进， 调节镜头与光纤的距 离， 使光纤清晰成像 ； 再通过控制器控制位移台以 0.10m 精度沿水平方向步进， 进行对焦 拍摄， 获得光纤图像 ； 0023 3) 重复步骤 2)， 对光纤进行对焦拍摄 n 次， n 4， 获得 n 幅光纤图像并输入给图 像处理器 ； 0024 4) 图像处理器对光纤图像进行处理 ： 0025 4a) 保存拍摄

15、的 n 幅光纤图像 ； 0026 4b) 对光纤图像进行校正、 去除噪声和去除模糊处理 ； 0027 4c) 设置 n 幅光纤图像的坐标 ： 0028 光纤两端面的中点坐标 ：和L 表示轴向， i 1,2,3n ； 0029 光纤两端面的四个顶点坐标 ：和和 D1表示第一端面的径向， D2表示第二端面的径向， i 1,2,3n ； 0030 光纤中间最细处的两个顶点坐标 ：和D0表示中间最细处的 径向， i 1,2,3n ； 0031 4d) 计算 n 幅光纤图像的如下参数 ： 0032 光纤轴向长度所占像素数 ： 0033 光纤两端面径向直径所占像素数 ： 0034 0035 0036 光纤

16、中间最细处直径所占像素数 ： 0037 4e) 计算上述参数的平均值 ： 0038 光纤轴向长度所占像素数平均值 ： 0039 光纤两端面径向直径所占像素数平均值 ：和 说 明 书 CN 103808278 A 5 3/5 页 6 0040 光纤中间最细处直径所占像素数平均值 ： 0041 4f) 根据相机参数和步骤 4e) 所得到的平均值， 得到光纤的形貌参数 ： 0042 光纤轴向长度 ： 0043 光纤两端面径向直径 ： 0044 0045 光纤中间最细处直径 ： 0046 光纤表面倾斜角度 ： 0047 其中， d1表示光纤第一端面的径向直径， 0048 d2表示光纤第二端面的径向直径

17、， 0049 2.2m 为相机的像元长度， 6.0 为镜头的放大倍率 ； 0050 4g) 显示光纤的形貌参数， 即轴向长度 l、 端面径向直径 d1和 d2、 中间最细处直径 d0和表面倾斜角度 。 0051 本发明具有如下优点 ： 0052 1. 本发明的测量系统采用分辨率为 25921944、 单像元尺寸为 2.2m2.2m、 镜头放大倍率为 6.0 的工业相机和单步步进量精度为 0.10m 的双向位移台， 同时利用多 次测量求平均值， 提高了测量精度 ； 0053 2. 本发明的测量过程全部由测量系统完成， 无需人工判断， 减少了人为干扰， 进一 步提高了测量精度 ； 0054 3.

18、本发明的图像处理器对光纤图像自动处理计算， 提高了运算速度， 节省了测量 时间。 附图说明 0055 图 1 是本发明光纤形貌测量系统结构图 ； 0056 图 2 是本发明光纤形貌测量总流程图 ； 0057 图 3 是本发明中对图像处理的子流程图。 具体实施方式 0058 以下结合附图， 清楚、 完整地描述本发明的光纤形貌测量系统的结构， 和测量光纤 形貌参数的详细过程。 0059 参照图 1， 本发明的测量系统包括 ： 载物台 1、 结构支架 3、 位移台 4、 竖直电动位移 台 5、 水平电动位移台 6、 控制器 7、 第一平面转接板 8、 第二平面转接板 9、 拍摄系统 10 和图 像处

19、理器 11。 0060 位移台 4， 包括竖直电动位移台 5 和水平电动位移台 6， 竖直电动位移台 5 固定在 说 明 书 CN 103808278 A 6 4/5 页 7 结构支架 3 上， 水平电动位移台 6 通过第一平面转接板 8 固定在竖直电动位移台 5 上 ； 结构 支架 3 和控制器 7 固定在载物台 1 上， 位移台 4 与控制器 7 电连接。载物台 1 的中间表面 设有放置被测光纤的夹持槽 2。 0061 拍摄系统10采用带同轴光源的工业相机， 通过第二平面转接板9固定在水平电动 位移台 6 上， 并与图像处理器 11 电连接。 0062 所述工业相机， 其分辨率为 ： 25

20、921944， 单像元尺寸为 ： 2.2m2.2m， 所用 镜头放大倍率为 6.0， 工作距离为 65mm， 景深为 0.06mm， 相机与镜头的安装形式为标准 C 口 安装。 0063 所述图像处理器 11， 用于对光纤图像处理计算获得光纤形貌参数， 其包括 ： 存储 模块、 处理模块和计算与显示模块。 存储模块， 用于保存拍摄的光纤图像 ； 处理模块， 用于对 光纤图像进行校准、 去除噪声和去除模糊处理 ； 计算与显示模块， 用于根据工业相机参数计 算出光纤的形貌参数并显示在显示器上。 0064 参照图 2， 本发明的测量方法包括如下步骤 ： 0065 步骤 1， 连接系统设备， 固定被测

21、光纤， 调节拍摄光路。 0066 1.1) 将被测光纤固定在载物台的夹持槽上， 调节被测光纤和位移台， 使光纤的轴 向方向与位移台的水平步进方向一致 ； 0067 1.2) 通过控制器控制位移台移动， 使光纤进入拍摄系统的工作距离范围内， 并使 光纤的一端刚好出现在视野的一侧 ； 0068 步骤 2， 对被测光纤进行对焦拍摄。 0069 2.1) 通过控制器调节位移台沿竖直方向步进， 直到拍摄系统所成光纤的像最清 晰， 再通过控制器控制位移台沿水平方向步进， 带动拍摄系统对光纤进行对焦拍摄 ； 0070 2.2) 重复步骤 2.1)， 对光纤进行对焦拍摄 n 次， n 4， 获得 n 幅光纤图

22、像并输入 给图像处理器。 0071 步骤 3， 图像处理器对获得的光纤图像进行处理计算， 得到光纤的形貌参数。 0072 参照图 3， 本步骤的具体实现如下 ： 0073 3.1) 将获得的 n 幅光纤图像保存到图像处理器的存储模块中 ； 0074 3.2) 对光纤图像进行校正、 去除噪声和去除模糊处理， 即对光纤图像先进行几何 校正， 再用平滑技术去除图像噪声， 最后通过灰度增强去除图像模糊 ； 0075 3.3) 设置 n 幅光纤图像的坐标， 其包括 ： 0076 光纤两端面的中点坐标 ：其中 L 表示轴向， i 1,2,3n ； 0077 光纤两端面的四个顶点坐标， 即第一端面径向的两个

23、顶点坐标 和第二端面径向的两个顶点坐标其中 D1表示第一端面 的径向， D2表示第二端面的径向， i 1,2,3n ； 0078 光纤中间最细处的两个顶点坐标 ：其中 D0表示中间最细 处的径向， i 1,2,3n ； 0079 3.4) 根据所设图像坐标计算 n 幅光纤图像的如下参数 ： 0080 光纤轴向长度所占像素数 ： 说 明 书 CN 103808278 A 7 5/5 页 8 0081 光纤两端面径向直径所占像素数 ： 0082 0083 0084 光纤中间最细处直径所占像素数 ： 0085 3.5) 计算上述参数的平均值 ： 0086 光纤轴向长度所占像素数平均值 ： 0087

24、光纤两端面径向直径所占像素数平均值 ： 0088 0089 0090 光纤中间最细处直径所占像素数平均值 ： 0091 3.6) 根据相机参数和步骤 3.5) 所得到的平均值， 计算得到光纤的如下形貌参数 ： 0092 光纤轴向长度 ： 0093 光纤两端面径向直径 ： 0094 0095 光纤中间最细处直径 ： 0096 光纤表面倾斜角度 ： 0097 其中， d1表示光纤第一端面的径向直径， 0098 d2表示光纤第二端面的径向直径， 0099 2.2m 为相机的像元长度， 6.0 为相机镜头的放大倍率 ； 0100 3.7) 将上述光纤的形貌参数， 即轴向长度 l、 端面径向直径 d1和 d2、 中间最细处直 径 d0和表面倾斜角度 ， 在显示器上显示。 0101 以上描述仅是本发明的一个具体实例， 并不构成对本发明的任何限制。显然对于 本领域的专业人员来说， 在了解了本发明内容和原理后， 都可能在不背离本发明原理、 结构 的情况下， 进行形式和细节上的各种修正和改变， 但是这些基于本发明思想的修正和改变 仍在本发明的权利要求保护范围之内。 说 明 书 CN 103808278 A 8 1/1 页 9 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103808278 A 9