光纤形貌的测量系统及测量方法 技术领域
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
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。
目前国内外提出的测量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。
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
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。
为实现上述目的,本发明的测量系统包括:
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:
载物台的中间表面设有夹持槽,用于固定被测光纤;
位移台,包括竖直电动位移台和水平电动位移台,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;
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;
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θ。
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0.10μm。
上述测量系统,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
为:
分辨率为:2592×1944、单像元尺寸为:2.2μm×2.2μm;
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。
上述测量系统,其特征在于图像处理器,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:用于根据相机参数计算出光纤的形貌参数并显示在显示器上。
为实现上述目的,本发明的测量方法,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0.10μm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0.10μm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),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=1,2,3……n;
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=1,2,3……n;
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=1,2,3……n;
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: L i = ( x L i 1 - x L i 2 ) 2 + ( y L i 1 - y L i 2 ) 2 ; ]]>
光纤两端面径向直径所占像素数:
D 1 i = ( x D 1 i 1 - x D 1 i 2 ) 2 + ( y D 1 i 1 - y D 1 i 2 ) 2 , ]]>
D 2 i = ( x D 2 i 1 - x D 2 i 2 ) 2 + ( y D 2 i 1 - y D 2 i 2 ) 2 ; ]]>
光纤中间最细处直径所占像素数: D 0 i = ( x D 0 i 1 - x D 0 i 2 ) 2 + ( y D 0 i 1 - y D 0 i 2 ) 2 ; ]]>
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: l = L × 2.2 μm 6.0 = 11 30 × Lμm ; ]]>
光纤两端面径向直径: d 1 = D 1 × 2.2 μm 6.0 = 11 30 × D 1 μm , ]]>
d 2 = D 2 × 2.2 μm 6.0 = 11 30 × D 2 μm ; ]]>
光纤中间最细处直径: d 0 = D 0 × 2.2 μm 6.0 = 11 30 × D 0 μm ; ]]>
光纤表面倾斜角度: θ = arctan ( D 1 + D 2 - 2 D 0 2 L ) ; ]]>
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,
2.2μm为相机的像元长度,6.0为镜头的放大倍率;
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θ。
本发明具有如下优点:
1.本发明的测量系统采用分辨率为2592×1944、单像元尺寸为2.2μm×2.2μm、
镜头放大倍率为6.0的工业相机和单步步进量精度为0.10μm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;
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;
3.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
图1是本发明光纤形貌测量系统结构图;
图2是本发明光纤形貌测量总流程图;
图3是本发明中对图像处理的子流程图。
具体实施方式
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。
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和图像处理器11。
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。
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。
所述工业相机,其分辨率为:2592×1944,单像元尺寸为:2.2μm×2.2μm,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。
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。
参照图2,本发明的测量方法包括如下步骤:
步骤1,连接系统设备,固定被测光纤,调节拍摄光路。
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;
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;
步骤2,对被测光纤进行对焦拍摄。
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;
2.2)重复步骤2.1),对光纤进行对焦拍摄n次,n≥4,获得n幅光纤图像并输入
给图像处理器。
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。
参照图3,本步骤的具体实现如下:
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;
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;
3.3)设置n幅光纤图像的坐标,其包括:
光纤两端面的中点坐标:其中L表示轴向,i=1,2,3……n;
光纤两端面的四个顶点坐标,即第一端面径向的两个顶点坐标
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=1,2,3……n;
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=1,2,3……n;
3.4)根据所设图像坐标计算n幅光纤图像的如下参数:
光纤轴向长度所占像素数: L i = ( x L i 1 - x L i 2 ) 2 + ( y L i 1 - y L i 2 ) 2 ; ]]>
光纤两端面径向直径所占像素数:
D 1 i = ( x D 1 i 1 - x D 1 i 2 ) 2 + ( y D 1 i 1 - y D 1 i 2 ) 2 , ]]>
D 2 i = ( x D 2 i 1 - x D 2 i 2 ) 2 + ( y D 2 i 1 - y D 2 i 2 ) 2 ; ]]>
光纤中间最细处直径所占像素数: D 0 i = ( x D 0 i 1 - x D 0 i 2 ) 2 + ( y D 0 i 1 - y D 0 i 2 ) 2 ; ]]>
3.5)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:
D 1 = Σ i = 1 n D 1 i n , ]]>
D 2 = Σ i = 1 n D 2 i n ; ]]>
光纤中间最细处直径所占像素数平均值:
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:
光纤轴向长度: l = L × 2.2 μm 6.0 = 11 30 × Lμm ; ]]>
光纤两端面径向直径: d 1 = D 1 × 2.2 μm 6.0 = 11 30 × D 1 μm , ]]>
d 2 = D 2 × 2.2 μm 6.0 = 11 30 × D 2 μm ; ]]>
光纤中间最细处直径: d 0 = D 0 × 2.2 μm 6.0 = 11 30 × D 0 μm ; ]]>
光纤表面倾斜角度: θ = arctan ( D 1 + D 2 - 2 D 0 2 L ) ; ]]>
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,
2.2μm为相机的像元长度,6.0为相机镜头的放大倍率;
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θ,在显示器上显示。
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。