CN101419311A - 一种保偏光纤侧视图像匹配对轴方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保偏光纤侧视图像匹配对轴方法及其装置，属于信息、光电子技术领域。本发明的方法为：1)将待对轴的两根保偏光纤中心轴对齐在同一直线上；2)用平行光照射光纤的一侧并记录此时光纤对侧的出射光强分布序列，3)用与上述平行光成α角的平行光照射光纤的另一侧并记录此时光纤该侧对侧的出射光强分布序列；4)根据记录的出射光强分布序列，分别计算每一方向照射时两光纤的互相关系数R1和R2；5)旋转其中一根保偏光纤，重复步骤2)～4)，根据互相关系数确定对轴位置。本发明的系统包括图像成像系统、数据处理单元、光纤调节控制系统。与现有技术相比，本发明能实现各种型号保偏光纤准确对轴，且通用性强、成本低。

Description

一种保偏光纤侧视图像匹配对轴方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种保偏光纤对轴方法及其装置，尤其涉及一种保偏光纤侧视图像匹配对轴方法及其装置，属于信息(光电子)技术领域。

背景技术

保偏光纤对线偏振光具有较强的偏振保持能力，因此在相干光通信、光纤传感和光纤陀螺等领域的应用日趋广泛，而保偏光纤偏振轴对轴是保偏光纤应用中的关键技术。

目前用于保偏光纤对轴的方法主要有两种：消光比对轴法和侧视图像对轴法。消光比对轴法，采用从保偏光纤一端注入线偏振光，同时从光纤轴向另一端测量透射及反射部分功率，直接计算出消光比，用这种方法时需要精度很高的光学仪器及功率计，价格昂贵，体积庞大，且对轴工程繁琐费力，不易实现对轴自动化，因此很难得到推广；侧视图像法通过分析保偏光纤侧视图像光强分布特征曲线，来确定偏振轴方位，是一种低成本，较高精度，快速有效的对轴方法，通过计算机自动控制更容易实现对轴自动化。

美国专利US005758000A公开的POL法，为侧视图像法中的一种。其通过选取光强分布曲线中最大值为特征值，做出一个周期内的特征值曲线与仿真计算的标准曲线做互相关。

王金娥、林哲辉等人在POL法基础上选取山型光强分布中的波峰波谷五个峰值点为特征量，提出了五点特征值法。(参考：“基于五点特征值的匹配型保偏光纤定轴新方法”，《光通信技术》，2005，第一期，20～22)

中国专利CN1831572A也在五点特征值法基础上公布了另一种侧视图像特征值法“五指型侧视光强分布定轴方法”。选取“五指型光强分布曲线”五个波峰、四个波谷九个点为特征值。

另一种称为PAS侧视图像法，通过分析光强分布曲线中光纤中心两侧的两个最高点与中心之间距离差的周期性来确定保偏光纤快、慢轴具体位置。(参考文献：H.Taya，K.Ito，T.Yamada，M.Yoshinuma：“New splicing method for polarization maintaining fibers”，OFCTechnical Digest，p.164，1989.)

上述专利及方法在一定程度及范围上实现了保偏光纤偏振轴定轴，但仍存在某些不足。采用POL法及PAS法进行匹配型保偏光纤对轴时，由于应力区折射率与包层折射率相差很小，POL特征值曲线及PAS曲线变化不明显，无法准确实现匹配型保偏光纤的对轴。五点特征值及五指型特征值法在实际应用中出现上述形状光纤分布曲线的范围很窄，因此对侧视平面焦距的距离控制要求非常严格。除此之外，上述几种方法在对轴之前均需要将待对轴型号保偏光纤的侧视图像光纤强分布预先进行光线轨迹仿真，以得到相应的标准特征曲线，即需要对每种型号的保偏光纤事先设定相应的对轴参数及程序。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有方法在对轴匹配型保偏光纤，及通用性方面的不足，提供一种保偏光纤侧视图像匹配对轴方法及其装置，其通过直接分析待对轴的左右两根保偏光纤光强分布相似程度，计算其互相关系数的方法，实现保偏光纤的准确对轴。其主要方法为：

1、将需要对轴的两根保偏光纤固定在步进机马达夹具中，在光纤侧向采用平行光照射，在侧面另一侧通过CCD相机捕捉光强分布。

2、将光强分布图像通过视频采集卡传输到计算机上，绘制出左右两根光纤光强分布曲线(离散化的数字信号值)。

3、为减少CCD成像系统量化误差及光纤灰度分布曲线变化不明显时影响，将光强分布曲线上点逐项相减得到新的光强分布曲线，计算新的左右光强分布曲线互相关系数。

4、固定一侧光纤，旋转另一侧光纤重复2、3步得到一系列互相关系数，当互相关系数最大时，即左右保偏光纤偏振轴对准。

当在对轴匹配型保偏光纤偏振轴时，可以在光纤两个垂直的横截面X，Y轴方向上同时进行步骤1至4，必要时还可以将CCD得到的光强分布数字图像进行对比度增强，进一步提高对轴精度。

综上所述，本发明的技术方案为：

一种保偏光纤侧视图像匹配对轴方法，其步骤为：

1)将待对轴的两根保偏光纤中心轴调整到同一直线上；

2)用平行光1照射两待对轴保偏光纤的一侧，并分别记录此时两光纤对侧的出射光强分布序列I₁₁和I₁₂；

3)用与上述平行光1成α角的平行光2照射两待对轴保偏光纤的另一侧，并分别记录此时两光纤该侧对侧的出射光强分布序列I₂₁和I₂₂；其中0<α≤π/2；

4)根据记录的出射光强分布序列I₁₁、I₁₂计算平行光1照射时两待对轴保偏光纤的互相关系数R1，根据出射光强分布序列I₂₁、I₂₂计算平行光2照射时两待对轴保偏光纤的互相关系数R2；

5)旋转其中一根保偏光纤，重复步骤2)～4)，寻找两待对轴保偏光纤的互相关系数之和最大值时的位置，或R1和R2分别大于各自对应阈值时的位置。

所述平行光1和平行光2为非相干平行光。

所述平行光1和平行光2所成角度α＝π/2，所述平行光1和平行光2同时照射所述两待对轴保偏光纤。

所述平行光1和平行光2为同一平行光束，所述平行光先后成α＝π/2角照射所述两待对轴保偏光纤。

所述根据记录的出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂，计算所述互相关系数R1和R2的方法为：首先对所述出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂分别进行序列内部逐项相减，得到对应的每组新出射光强分布序列，然后根据每组新出射光强分布序列分别计算每一方向照射时两待对轴保偏光纤的互相关系数R1和R2。

所述进行序列内部逐项相减之前，对所述出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂进行对比度增强处理。

一种保偏光纤侧视图像匹配对轴装置，包括至少一套图像成像系统、数据处理单元、光纤调节控制系统；所述图像成像系统与所述数据处理单元通过数据总线连接；

所述图像成像系统用于采集两待对轴保偏光纤的出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂；

所述数据处理单元用于根据接收的出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂，计算两待对

轴保偏光纤的互相关系数R1和R2；

所述光纤调节控制系统用于调节待测光纤的位置及旋转待对轴保偏光纤。

所述图像成像系统包括平行光源、观测平面、棱镜、CCD摄像机、视频采集卡；所述平行光源用于照射两待对轴保偏光纤的一侧；所述观测平面位于所述平行光源的对侧，用于观测所述保偏光纤的出射光强分布侧视图；所述棱镜位于所述观测平面后侧，用于对所述保偏光纤的出射光强分布侧视图进行显微放大；所述CCD摄像机位于所述棱镜后侧，用于采集经所述棱镜输出的光强分布图像，并将图像通过所述视频采集卡传输到所述数据处理单元上；所述视频采集卡通过数据总线与所述数据处理单元连接。

进一步的，所述装置包括两套所述图像成像系统，且两套所述图像成像系统的光束方向互相垂直；所述平行光源为非相干平行光源。

所述光纤调节控制系统包括光纤夹具和旋转马达，所述光纤夹具固定于所述旋转马达上；所述数据处理单元为一计算机，所述旋转马达与所述计算机通过数据线连接。

本发明与现有技术相比，具有以下优势及特点：

不仅能实现各种型号保偏光纤(包括匹配型保偏光纤)对轴，且对轴时不需要确认左右光纤的快，慢轴具体方位角，不需要针对每种保偏光纤预先仿真编制特定程序，通用性强且成本低。

附图说明

图1为侧视图像匹配对轴法装置示意图；

图2为图1中保偏光纤的横截面图；

图3为依本发明方法实测非匹配型保偏光纤侧视图像光强对比分布曲线；

图4为依本发明方法实测匹配型保偏光纤侧视图像光强对比分布曲线；

图5为依本发明方法测算出保偏光纤匹配相关系数图；

图中：1—左光纤侧视图像光强分布曲线示意，2—右光纤侧视图像光强分布曲线示意，3—CCD摄像头，4—棱镜，5—步进旋转马达，6—固定夹槽，7—待对轴的光纤，8—保偏光纤应力区，9—光源，10—带视频采集卡的计算机，11—纤芯，12—与固定夹槽6垂直的Y轴，13—与固定夹槽6平行的X轴，14—观测平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法进一步说明，但本发明的实施方式并不限与此：

本发明的装置如图1所示，包括图像成像系统、计算机、光纤调节控制系统；图像成像系统与计算机通过数据总线连接；图像成像系统包括平行光源、观测平面、棱镜、CCD摄像机、视频采集卡；光纤调节控制系统包括光纤夹具和旋转马达，光纤夹具固定安装于旋转马达上，旋转马达与计算机通过数据线连接。

本发明的工作流程为：

1、如图1所示，将待对轴的两根保偏光纤(7)固定在夹槽(6)中，以保持左右两根光纤处于同一观测平面上。光纤的横截面如图2所示，非相干平行光源(9)沿Y轴(12)方向发出平行光照射到保偏光纤侧面，以熊猫型保偏光纤为例，如图2所示由于保偏光纤包层(7)的应力区(8)及纤芯(11)之间的折射率不同，使得保偏光纤类似于一个柱面透镜，调节观测平面(14)与棱镜(4)之间的距离，便可观测到明暗的光强分布侧视图，左右两根光纤对应光强分布曲线为(1)，(2)。图2中虚线为熊猫型保偏光纤慢轴，设夹角θ为它与Y轴此时的方位角初始值。由于光强分布随着方位角的变化而变化，因此光强分布图蕴含了方位角信息。

2、将左右光纤侧视图通过视频采集卡对图像数据离散后传输到计算机当中，得到两组光强分布序列I₁₁和I₁₂，实验数据如图3所示，其中实线为图1中左侧保偏光纤光强分布序列曲线，虚线为图1中右侧保偏光纤光强分布序列曲线。

3、在左组光强分布序列I₁₁内部进行逐项相减，得到新的左组光强分布序列；同时在右组光强分布序列I₁₂内部进行逐项相减，得到新的右组光强分布序列。

4、计算出此时方位角θ下的两组新序列的互相关系数R1。

设两组光强分布序列I₁₁和I₁₂为

X(x₁，x₂，x₃......x_n)

Y(y₁，y₂，y₃......y_n)

两组序列逐项相减后的新序列为

ΔX(Δx₁，Δx₂，Δx₃......Δx_n-1)

ΔY(Δy₁，Δy₂，Δy₃......Δy_n-1)其中Δx_i＝x_i-x_i-1，Δy_i＝y_i-y_i-1

则两组序列互相关系数计算为：

5、改变光源(9)照射方向，沿X轴(13)方向照射到光纤侧面，重复步骤2至步骤4得到两组光强分布序列I₂₁、I₂₂，根据I₂₁、I₂₂计算此时θ对应的互相系数R2。

6、固定左右两根光纤中的任意一根，通过计算机(10)控制旋转马达(5)改变另一根光纤的方位角，步进为0.5°，此时可以看到改变方位角的那根光纤光强分布发生了变化。重复步骤2至步骤5得到此时方位角θ+Δθ对应的互相系数R1，R2，Δθ为光纤旋转的角度。

只要X、Y两个观察方向的互相关系数都很高(比如X、Y方向上互相关系数均大于0.8或者X、Y方向上两者互相关系数和为最大值)，且X、Y两个观察方向的光强分布明显不相同，则两段保偏光纤就实现了准确对轴，与保偏光纤型号无关。

本发明也可以同时采用两套相同的图像成像系统，另一套图像成像系统的非相干平行光源沿X轴(13)方向照射到光纤侧面，即省去了上述步骤5中改变光源(9)照射方向的操作，在同一方位角时，可以同时得到光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂。

图3所示为长飞公司125μm熊猫保偏光纤快慢轴对准时左右侧视图像光强分布曲线，此时互相关系数最大为0.8901，图4所示为NUFERN公司80μm匹配型保偏光纤快慢轴对准时左右侧视光强分布曲线，此时互相关系数为0.9940。图3中可以明显看到光强分布成中国专利CN1831572A所描述的“五指型分布”，但对于应力区折射率与包层折射率差值很小的匹配型保偏光纤来说，光强分布形状图4并不具有该特征，因此“五点特征值法”及“五指型侧视定轴法”也就不能适用对轴匹配型保偏光纤。

图5为将不同方位角θ下Y轴方向所对应的互相关系数R1绘制成曲线。可以看到θ角在一个狭小的范围内互相关系数曲线变化陡峭，且出现最大值，此时左右光纤光强分布曲线最接近，改变光照方向为X轴后，互相关系数为0.8811，左右光纤光强分布曲线仍然匹配。此时最大值所对应的θ角即为对准时方位角。

Claims (10)

1.一种保偏光纤侧视图像匹配对轴方法，其步骤为：

1)将待对轴的两根保偏光纤中心轴调整到同一直线上；

2)用平行光1照射两待对轴保偏光纤的一侧，并分别记录此时两光纤对侧的出射光强分布序列I₁₁和I₁₂；

3)用与上述平行光1成α角的平行光2照射两待对轴保偏光纤的另一侧，并分别记录此时两光纤该侧对侧的出射光强分布序列I₂₁和I₂₂；其中0<α≤π/2；

4)根据记录的出射光强分布序列I₁₁、I₁₂计算平行光1照射时两待对轴保偏光纤的互相关系数R1，根据出射光强分布序列I₂₁、I₂₂计算平行光2照射时两待对轴保偏光纤的互相关系数R2；

5)旋转其中一根保偏光纤，重复步骤2)～4)，寻找两待对轴保偏光纤的互相关系数之和最大值时的位置，或R1和R2分别大于各自对应阈值时的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述平行光1和平行光2为非相干平行光。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述平行光1和平行光2所成角度α＝π/2，所述平行光1和平行光2同时照射所述两待对轴保偏光纤。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述平行光1和平行光2为同一平行光束，所述平行光先后成α＝π/2角照射所述两待对轴保偏光纤。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于所述根据记录的出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂，计算所述互相关系数R1和R2的方法为：首先对所述出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂分别进行序列内部逐项相减，得到对应的每组新出射光强分布序列，然后根据每组新出射光强分布序列分别计算每一方向照射时两待对轴保偏光纤的互相关系数R1和R2。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述进行序列内部逐项相减之前，对所述出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂进行对比度增强处理。

7.一种保偏光纤侧视图像匹配对轴装置，包括至少一套图像成像系统、数据处理单元、光纤调节控制系统；所述图像成像系统与所述数据处理单元通过数据总线连接；所述图像成像系统用于采集两待对轴保偏光纤的出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂；所述数据处理单元用于根据接收的出射光强分布序列I₁₁、I₁₂和I₂₁、I₂₂，计算两待对轴保偏光纤的互相关系数R1和R2；

所述光纤调节控制系统用于调节待测光纤的位置及旋转待对轴保偏光纤。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述图像成像系统包括平行光源、观测平面、棱镜、CCD摄像机、视频采集卡；所述平行光源用于照射两待对轴保偏光纤的一侧；所述观测平面位于所述平行光源的对侧，用于观测所述保偏光纤的出射光强分布侧视图；所述棱镜位于所述观测平面后侧，用于对所述保偏光纤的出射光强分布侧视图进行显微放大；所述CCD摄像机位于所述棱镜后侧，用于采集经所述棱镜输出的光强分布图像，并将图像通过所述视频采集卡传输到所述数据处理单元上；所述视频采集卡通过数据总线与所述数据处理单元连接。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于包括两套所述图像成像系统，且两套所述图像成像系统的光束方向互相垂直；所述平行光源为非相干平行光源。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述光纤调节控制系统包括光纤夹具和旋转马达，所述光纤夹具固定于所述旋转马达上；所述数据处理单元为一计算机，所述旋转马达与所述计算机通过数据线连接。

Images