CN101533123B - 一种基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法，包括如下步骤：(1)将激光束垂直照射到保偏光纤上，形成背向衍射图像；(2)用带镜头的CCD摄像机将衍射图像中光强明显较强的那部分衍射图像清晰地拍摄下来，并传送到图像处理器；(3)获得衍射图像的对称系数；(4)旋转保偏光纤，得到对应保偏光纤不同方位角的衍射图像；并获得保偏光纤方位角与对称系数的对应关系曲线；(5)选取对称系数大于0.96的相邻90度方位角的曲线的两个波峰，其中一个波峰对应快轴，另一个波峰对应慢轴，依据保偏光纤快轴与慢轴衍射图像的差异性判断出快轴和慢轴对应的波峰及方位角，从而实现定轴。本发明不需要建立标准曲线，定轴快。
Description
技术领域
本发明涉及保偏光纤的定轴方法。
背景技术
现有的保偏光纤定轴方法，主要的做法是利用图像处理技术获取任意方位角的特征量曲线和特征图，然后将该曲线或特征图与标准曲线库或标准图库中曲线或图样进行互相关，互相关的极大值所对应的角度即为所求偏振轴的方位角。
中国发明专利ZL200610122819.0公开了一种基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法，采集空间衍射光的背向衍射图像来解决保偏光纤的定轴问题，并基于衍射图像的图像特征量或中心图像的特征量来进行定轴。该方法中，要建立标准曲线，用测量的曲线与标准曲线做互相关运算从而定轴。实践中，标准曲线的建立难度较大，从而限制了该定轴方法的推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法，该方法不需要建立标准曲线，定轴速度快。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法，包括如下步骤：
(1)将激光束垂直照射到已除去保护层的保偏光纤上，在空间中垂直于光纤的平面内出现衍射图像；
(2)在光源与保偏光纤之间的位置上放置一成像屏，使激光束照射保偏光纤在空间所成的背向衍射图像在其上成像；
(3)用带镜头的CCD摄像机将衍射图像中光强明显较强的那部分衍射图像清晰地拍摄下来，并传送到图像处理器；
(4)对衍射图像进行对称性分析，获得衍射图像的对称系数；
(5)旋转保偏光纤，重复步骤(3)和步骤(4)，得到对应保偏光纤不同方位角的衍射图像；并获得保偏光纤方位角与对称系数的对应关系曲线；
(6)选取对称系数大于0.96的相邻90度方位角的曲线的两个波峰，其中一个波峰对应快轴，另一个波峰对应慢轴，依据保偏光纤快轴与慢轴衍射图像的差异性判断出快轴和慢轴对应的波峰及方位角，从而实现定轴。
进一步的，步骤(5)中旋转保偏光纤采用两台步进电机同步旋转，从而得到保偏光纤各个方位角的衍射图像。
进一步的，步骤(4)分为以下子步骤：
(4.1)设置一个移动窗口；
(4.2)移动窗口以衍射明条纹为中心；
(4.3)移动窗口从衍射图像的最上方一步步移动到最下方或者从衍射图像的最下方一步步移动到最上方，移动过程中，对移动窗口包含图像的上半部与下半部做互相关运算，得到一系列互相关值；
(4.4)一系列互相关值中的最大值即为该衍射图像的对称系数。
进一步的，移动窗口的宽度为衍射明条纹的宽度的3～12倍，移动窗口的长度为拍摄的衍射图像的长度的5/8～4/5。
进一步的，步骤(4.3)中，移动窗口每移动一个像素点，就对移动窗口包含图像的上半部与下半部做一次互相关运算，并得到一个互相关值。
本发明的定轴方法的工作原理如下：
根据激光束受光纤散射的原理，当激光束垂直光纤纵轴照射到光纤侧面上时，将在空间一平面内形成360°的衍射图像，而且相对激光束方向的前向衍射图像和背向衍射图像的强度，较上、下这两个方位的衍射图像的强度要强得多。对于理想圆截面和折射率均匀圆对称分布的单模光纤，当光纤以中心为轴，被逆时针方向或顺时针方向转动时，由于光束入射条件及内反射光的光程没有发生变化，背向衍射图像将不发生变化。对于内部结构非圆对称分布的保偏光纤，光纤的转动将引起内反射光光程的变化，因此散射图像会随光纤的转动而发生变化。于是，通过采集背向的衍射图像，并进行图像处理和分析，就可以获得保偏光纤偏振轴方位角与衍射图像的对应关系，从而利用这种对应关系来实现保偏光纤偏振轴的定轴。
如图1所示，设保偏光纤的慢轴方向为0°角，设任意时刻慢轴与激光入射方向成夹角θ，则图1中所示是θ＝90°的情况，图2～图7所示分别为θ角为0°、40°、90°、120°、180°、270°的衍射图像，可以看出，当激光束以快轴方向入射时与以慢轴方向入射时所面对的光纤的内部结构是有差异的，由图2、图4对比可知，这二种情况下所产生的衍射图样的差异是非常显著的，慢轴方向入射时中央条纹的连续性好，条纹几乎成一整体，而快轴方向入射时的中央条纹的连续性较差，几乎是由一些亮点构成。
另外，当激光沿着光纤的快轴或慢轴方向入射时，由于光纤的内部结构相对于入射激光束来说具有对称性(如图1所示)，实验表明在空间所产生的衍射图样也同样对入射激光束具有对称性。利用差异性和对称性这两个特征就可以实现对光纤快轴或慢轴的确定。因为相对激光束方向的背向衍射图样的变化比前向和上、下两个方向的衍射图样变化更为灵敏，更有利于定轴，所以本发明选取背向衍射图样对保偏光纤进行定轴。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、由于不需要建立标准曲线就可以实现定轴，因此定轴速度快。
2、应用范围广，本发明可应用于制作保偏光纤耦合器、保偏光纤偏振器、保偏光纤的熔接、光纤陀螺等。而且，在无法采用侧视透镜效应法进行定轴时，本发明则可以满足这种特殊的需求，如应用于光纤侧边抛磨机上，可实现对保偏光纤偏振轴的抛磨方位角进行确定，以及可以实现对抛磨过程的实时监控，从而可大大地提高器件的生产效率和器件的质量，也将大大地提高新型光纤传感器的质量。
3、可以对非匹配型保偏光纤偏振轴进行定轴，这为保偏光纤的定轴又提供了一种新的方法。
4、可保证实用精度，可以有效的对保偏光纤偏振轴进行定轴，从而使得基于保偏光纤器件的制作效率有所提高，同时提高产品质量。
附图说明
图1是实现本发明定轴方法的装置示意图。
图2是0°(慢轴)的衍射图像。
图3是40°的衍射图像。
图4是90°(快轴)的衍射图像。
图5是120°的衍射图像。
图6是180°的衍射图像。
图7是270°的衍射图像。
图8是光纤各个方位角所对应的衍射图像的对称系数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例
本实施例的保偏光纤是熊猫型保偏光纤。
如图1所示，激光器3发出的激光束垂直于保偏光纤1的纵轴垂直照射到保偏光纤1的侧面上，从而形成背向散射光，这些背向散射光在空间相互干涉并在成像屏4上形成衍射条纹5，数码摄像头6拍摄衍射图像并传送到图像处理器进行处理。2表示保偏光纤的慢轴。本实施例的数码摄像头6选用带镜头的CCD摄像头。
基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法具体包括如下步骤：
(1)通过调节装置，使LD激光器3发出的激光束和保偏光纤1处于同一平面上。
(2)将激光束垂直照射到已除去保护层的保偏光纤上，在空间中垂直于光纤的平面内出现衍射图像。
(3)在空间一位置上放置一成像屏4，使激光束照射保偏光纤在空间所成的背向衍射图像在其上成像。
(4)调整保偏光纤1与成像屏4之间的距离，使空间衍射光所形成的衍射图像清晰的呈现在成像屏上；同时，调节带镜头的CCD摄像头6，使得衍射图像中光强明显较强的那部分衍射图像能够清晰的被拍摄下来，并传送到图像处理器；本实施例的图像处理器为安装了操作系统及相应软件的电脑。
(5)在本实施例中，使用步进电机旋转保偏光纤，从而得到保偏光纤各个方位角的衍射图像。在数据处理时，以1°为间隔来采集和处理衍射图像。将保偏光纤处于不同方位角时的一系列衍射图像。
(6.1)设置一个移动窗口；移动窗口的宽度为衍射明条纹的宽度的3～12倍，移动窗口的长度可为拍摄的衍射图像的长度的5/8～4/5。本实施例中，如图2～图7所示，衍射图像的大小为160×1280像素点，中央明条纹的宽度约为8个像素点，移动窗口的大小选为80×800像素点。
(6.2)移动窗口从衍射图像的最上方一步步移动到最下方或者从衍射图像的最下方一步步移动到最上方，移动过程中，每移动一个像素点就对移动窗口包含图像的上半部与下半部做一次互相关运算，得到一系列互相关值。
(6.3)一系列互相关值中的最大值即为该衍射图像的对称系数。
(7)计算各个衍射图像的对称系数，获得保偏光纤方位角与对称系数的对应关系曲线；如图8所示。如图8所示，四个波峰的对称性系数的极大值从左到右分别为0.975、0.984、0.973、0.963，所对应的方位角分别为0°，90°，180°，270°，因此可以根据这种衍射图样所具有的对称性特征来较精确地定轴。而其它位置的极值均小于0.96，定轴时可以进行排除，极值小于0.96的方位角不是快轴或慢轴对应的方位角。
(8)选取对称系数大于0.96的相邻90度方位角的曲线的两个波峰，其中一个波峰对应快轴，另一个波峰对应慢轴，依据保偏光纤快轴与慢轴衍射图像的差异性判断出快轴和慢轴对应的波峰及方位角，从而实现定轴。
本实施例中，移动窗口的宽度为衍射明条纹的宽度的10倍，移动窗口的长度可为拍摄的衍射图像的长度的5/8。当移动窗口的宽度为衍射明条纹的宽度的3～12倍，移动窗口的长度可为拍摄的衍射图像的长度的5/8～4/5，均能获得易于定轴的保偏光纤方位角与对称系数的对应关系曲线。
Claims (4)
1.一种基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将激光束垂直照射到已除去保护层的保偏光纤上，在空间中垂直于光纤的平面内出现衍射图像；
(2)在光源与保偏光纤之间的位置上放置一成像屏，使激光束照射保偏光纤在空间所成的背向衍射图像在其上成像；
(3)用带镜头的CCD摄像机将衍射图像中光强明显较强的那部分衍射图像清晰地拍摄下来，并传送到图像处理器；
(4)对衍射图像进行对称性分析，获得衍射图像的对称系数；
(5)旋转保偏光纤，重复步骤(3)和步骤(4)，得到对应保偏光纤不同方位角的衍射图像；并获得保偏光纤方位角与对称系数的对应关系曲线；
(6)选取对称系数大于0.96的相邻90度方位角的曲线的两个波峰，其中一个波峰对应快轴，另一个波峰对应慢轴，依据保偏光纤快轴与慢轴衍射图像的差异性判断出快轴和慢轴对应的波峰及方位角，从而实现定轴；
步骤(4)分为以下子步骤：
(4.1)设置一个移动窗口；
(4.2)移动窗口以衍射明条纹为中心；
(4.3)移动窗口从衍射图像的最上方一步步移动到最下方或者从衍射图像的最下方一步步移动到最上方，移动过程中，对移动窗口包含图像的上半部与下半部做互相关运算，得到一系列互相关值；
(4.4)一系列互相关值中的最大值即为该衍射图像的对称系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(5)中旋转保偏光纤采用两台步进电机同步旋转。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于移动窗口的宽度为衍射明条纹的宽度的3～12倍，移动窗口的长度为拍摄的衍射图像的长度的5/8～4/5。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(4.3)中，移动窗口每移动一个像素点，就对移动窗口包含图像的上半部与下半部做一次互相关运算，并得到一个互相关值。
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