CN103292731A - 一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置和方法。熊猫型保偏光纤端面几何参数包括包层、纤芯和猫眼的圆心位置和半径。通过不同方式将光耦合进光纤的不同部分，使光纤各部分灰度分布不同，利用光纤端面显微镜采集保偏光纤端面图像并将图像上传给计算机，通过数字图像处理方法得到保偏光纤端面的几何参数，可由此判定保偏光纤是否存在结构性缺陷，用于指导生产促进工艺改进和应用中的器件筛选。本发明所提供的检测装置和方法结构简单紧凑、成本低、检测速度快、检测精度和准确度高、可实现自动化检测。

Description

一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感的领域，尤其涉及一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置和方法。 

背景技术

保偏光纤（PMF，Polarization Maintaining Fiber）是一类具有重要应用价值的特种光纤，其对线偏振光有较强的偏振保持能力，并且与普通单模光纤有良好的兼容性，广泛应用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量，如光纤陀螺、光纤水听器等。熊猫型保偏光纤是保偏光纤中应用最广泛的一种，以下简称保偏光纤。 

由于制作工艺不成熟、制作流程不规范或出现突发情况等原因，拉制出来的保偏光纤其包层圆心和纤芯圆心可能出现较大偏差、两个猫眼的半径可能会出现较大的偏差或两个猫眼位置相对于光纤中心出现失对称情况，导致保偏光纤内部产生结构性缺陷，造成保偏光纤光学性能的下降，而保偏光纤的光学性能对于光纤传感器的整体性能具有决定性的影响。 

对保偏光纤端面几何参数进行检测并筛选出不合格的保偏光纤，不但可以帮助厂家对同批次的光纤进行合格率统计，指导厂家进行生产工艺改进，也可以协助用户方及时筛选并排除掉不合格的保偏光纤，提高系统的性能。因此，一种简单有效的保偏光纤端面几何参数检测装置和方法对于保偏光纤的生产和应用都具有非常重要的意义。 

然而，目前已有的大多数光纤端面检测仪只能对光纤端面的污渍等进行检测，少数厂家开发出的光纤端面测试仪，也只是针对普通的单模光纤。 

发明内容：

本发明的目的是针对保偏光纤可能存在的结构性缺陷，提供一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置和方法。 

一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置，包括端面耦合光源、带FC头的耦合盒、光纤夹具、侧面耦合光源、FC头、光纤端面显微镜、计算机。 

一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的方法，其步骤如下： 

1)对光纤两端分别进行端面处理，包括去涂覆层、清洗裸光纤段、光纤切割； 

2)打开耦合盒盖子，将端面耦合光源放入，放置好光源尽可能使其水平且光出射中心位置正好对着FC头中心位置，将光纤其中一端插入耦合盒的FC头中，另一端插入FC头并将FC头插入光纤端面显微镜输入端； 

3)调节夹具位置使两夹具光纤弯曲角在要求的范围内，将光纤中间段放置于夹具中，调节夹具尽量保证光纤不扭曲且所夹持的光纤方向保持平行，锁紧夹具，调节侧面耦合光源位置使光源出射光刚好照射在光纤弯曲部位且入射方向与光纤靠近检测端的水平段方向一致； 

4)连接光纤端面显微镜和计算机，打开计算机、光纤端面显微镜、端面耦合光源和侧面耦合光源，盖上耦合盒盖子，观察端面图像，若端面图像质量不好，可考虑进行光纤端面清洗、FC头清洗或关闭计算机、光纤端面显微镜、端面耦合光源、侧面耦合光源转入步骤1）重新端面处理，否则转到步骤5）进行图像采集和处理； 

5)打开检测软件，采集光纤端面图像通过数字图像处理方法进行图像在线处理，也可以先保存图像后进行图像后处理。 

图像处理算法和步骤如下： 

1）包层检测：根据光纤内外灰度分布设定检测的灰度阈值，根据灰度阈值对图像进行二值化处理，即大于灰度阈值的点为光纤内点，其像素值设为1，否则像素值设为0，利用质心法和边缘迭代法计算包层圆心(x₀,y₀)和半径r₀，圆心坐标和半径单位均为像素点数； 

2）纤芯检测：根据步骤1）得到的包层圆心(x₀,y₀)及纤芯最大半径r_{1_max}确定纤芯区域，纤芯区域点(x,y)应满足

以此区域点为处理对象，设定灰度阈值，对纤芯区域图像进行二值化处理，即大于灰度阈值的点为纤芯内点，其像素值设为1，否则像素值为0，利用质心法和边缘迭代法计算纤芯圆心(x₁,y₁)和半径r₁； 

3）猫眼检测：根据包层圆心(x₀,y₀)、包层最小半径r_{0_min}、纤芯圆心(x₁,y₁)、纤芯最大半径r_{1_max}可以确定猫眼所处的环带范围，该环带范围点(x,y)应满足  $\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}＜r_{0\_\min }$ 及 $\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}＜r_{1\_\mathrm{man}},$ 在此环带范围内设定灰度阈值并对环带区域图像进行二值化处理，即小于阈值的点为猫眼点，其像素值 设为1，否则像素值设为0，环带扫描找出两个猫眼的位置，利用质心法和边缘迭代法分别计算两个猫眼的圆心(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和半径r₂、r₃。 

质心法计算圆心坐标的算法为其中x_i为圆边缘点坐标，p_i为像素值，x为圆心坐标，n为圆边缘内点数量。 

边缘迭代法计算半径的算法为计算每个边缘点与圆心的距离，所有边缘点与圆心距离的均值为初步半径值，而后计算所有边缘点与圆心距离，作为点半径值，在所有边缘点中剔除其点半径值与初步半径值之差的绝对值大于a的点，未剔除点再计算半径值，由此得到一次迭代的半径值，以此作为半径检测值，也可进行多次迭代，a为误差容限。 

本发明的有益效果：利用不同方式将光耦合进光纤的不同部分，使光纤各部分灰度分布不同，从而可以利用数字图像处理的方法对光纤的端面图像进行处理得到光纤端面的几何参数。本发明所提供的检测装置和方法结构简单紧凑、成本低、检测速度快、检测精度和准确度高、可实现自动化检测。 

附图说明

图1是熊猫型保偏光纤端面几何参数检测装置结构示意图； 

图2是侧面耦合结构示意图； 

图3是熊猫型保偏光纤端面图； 

图4是检测结果图； 

图5是实施例1保偏光纤的端面图像； 

图6是实施例1保偏光纤的端面图像。 

具体实施方式

一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置，包括端面耦合光源、带FC头的耦合盒、光纤夹具、侧面耦合光源、FC头、光纤端面显微镜、计算机，其结构示意图如图1所示。 

端面耦合光源的作用为将光通过端面耦合的方式耦合进光纤纤芯中，使纤芯与光纤其它部分（包层和猫眼）灰度分布不同，端面耦合光源采用普通白光LED光源。 

带FC耦合盒大小由采用端面耦合光源大小决定，盒子的一个侧面为光耦合面，该面上固定一个FC头，用于端面耦合，每次检测前最好能用酒精清洗FC头保证FC头清洁，FC头的固定位置原则为保证FC头中心与光源出射光斑中心基本重合，检测时，应使光源尽可能靠近FC头且尽可能保证光垂直入射端面。 

光纤夹具用于固定并使保偏光纤弯曲便于侧面耦合光的耦合，两个夹具所夹持的光纤方向应保持平行，夹具应固定在可动平台上如三维位移台，通过可动平台的调节移动夹具保证光纤侧面耦合段的弯曲角满足要求，夹具位置调节过程中应取下光纤或松开夹具使光纤能活动，当位置调节完毕装上并固定光纤或夹紧光纤。事实上，当夹具位置调整好以后，对涂覆层和包层直径相同的光纤其弯曲角基本不变，因此，当第一次调节好夹具位置后在后续的检测中可不对夹具位置进行重新调节，直至当需要检测另一种类型的熊猫型保偏光纤。弯曲角为弯管或弯头直管段管中心线形成的角度。弯曲角过大时，侧面耦合光很难耦合进去，弯曲角过小时，纤芯的端面耦合光损耗过大，故弯曲角范围要求为120°～150°。 

侧面耦合光源作用为将光通过侧面耦合的方式耦合进光纤包层，使光纤包层与猫眼灰度分布不同，侧面耦合结构示意图如图2所示，侧面耦合光源采用普通黄色照明光。 

光纤端面显微镜用于采集光纤端面图像并通过数据线将端面图像数据传送给计算机，由计算机进行图像处理得到光纤端面几何参数，光纤端面显微镜采用成熟的光纤端面显微成像产品。 

一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的方法，其步骤如下： 

1)对光纤两端分别进行端面处理，包括去涂覆层、清洗裸光纤段、光纤切割； 

2)打开耦合盒盖子，将端面耦合光源放入，放置好光源尽可能使其水平且光出射中心位置正好对着FC头中心位置，将光纤其中一端插入耦合盒的FC头中，另一端插入FC头并将FC头插入光纤端面显微镜输入端； 

3)调节夹具位置使两夹具光纤弯曲角在要求的范围内，将光纤中间段放置于夹具中，调节夹具尽量保证光纤不扭曲且所夹持的光纤方向保持平行，锁紧夹具，调节侧面耦合光源位置使光源出射光刚好照射在光纤弯曲部位且入射方向与光纤靠近检测端的水平段方向一致； 

4)连接光纤端面显微镜和计算机，打开计算机、光纤端面显微镜、端面耦合光源和侧面耦合光源，盖上耦合盒盖子，观察端面图像，若端面图像质量不好，可考虑进行光纤端面清洗、FC头清洗或关闭计算机、光纤端面显微镜、端面耦合光源、侧面耦合光源转入步骤1）重新端面处理，否则转到步骤5）进行图像采集和处理； 

5)打开检测软件，采集光纤端面图像通过数字图像处理方法进行图像在线处理，也可以先保存图像后进行图像后处理。 

光纤端面处理包括去涂覆层、清洗裸光纤段、光纤切割，去涂覆层一般用剥光纤钳，清洗裸光纤段一般用纱布蘸取酒精擦拭，光纤切割采用光纤切割刀。 

光纤端面显微镜采集到光纤端面图像后传输给计算机，由计算机对端面图像进行处理得到光纤端面几何参数，图像处理算法和步骤如下： 

1）包层检测：根据光纤内外灰度分布设定检测的灰度阈值，根据灰度阈值对图像进行二值化处理，即大于灰度阈值的点为光纤内点，其像素值设为1，否则像素值设为0，利用质心法和边缘迭代法计算包层圆心(x₀,y₀)和半径r₀，圆心坐标和半径单位均为像素点数； 

2）纤芯检测：根据步骤1）得到的包层圆心(x₀,y₀)及纤芯最大半径r_{1_max}确定纤芯区域，纤芯区域点(x,y)应满足

以此区域点为处理对象，设定灰度阈值，对纤芯区域图像进行二值化处理，即大于灰度阈值的点为纤芯内点，其像素值设为1，否则像素值为0，利用质心法和边缘迭代法计算纤芯圆心(x₁,y₁)和半径r₁； 

3）猫眼检测：根据包层圆心(x₀,y₀)、包层最小半径r_{0_min}、纤芯圆心(x₁,y₁)、纤芯最大半径r_{1_max}可以确定猫眼所处的环带范围，该环带范围点(x,y)应满足  $\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}＜r_{0\_\min }$ 及 $\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}＜r_{1\_\mathrm{man}},$ 在此环带范围内设定灰度阈值并对环带区域图像进行二值化处理，即小于阈值的点为猫眼点，其像素值设为1，否则像素值设为0，环带扫描找出两个猫眼的位置，利用质心法和边缘迭代法分别计算两个猫眼的圆心(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和半径r₂、r₃。 

灰度阈值通过对大量光纤端面图像进行环境、包层、纤芯和猫眼的灰度分布进行统计分析得到，包层检测时其灰度阈值由环境灰度分布和包层灰度分布确定，纤芯检测时的灰度阈值由包层灰度分布和纤芯灰度分布确定，猫眼检测时灰度阈值由猫眼灰度分布和包层灰度分布确定，因此在进行光纤端面检测前需进行大量的光纤端面图像的灰度分析得到需要灰度阈值。 

纤芯最大半径、包层最小半径一般需通过对大量的检测结果进行统计分析得到，然而对于同种类型的保偏光纤，在同种成像条件下，其纤芯和包层半径大小变化很小，可在半径均值上加1或减1作为半径最大值或最小值，因此检测前可通过边界取点法得到几幅图像的包层和纤芯的半径，并求取半径均值， 由此可得半径的最大值或最小值。边界取点法的原理为在圆上取不同的三个点，并求这三个点组成的三角形的外接圆半径，此为平面几何的公知理论。 

质心法计算圆心坐标的算法为

其中x_i为圆边缘点坐标，p_i为像素值，x为圆心坐标，n为圆边缘内点数量，此算法的检测分辨率可达亚像素级别。 

边缘迭代法计算半径的算法为计算每个边缘点与圆心的距离，所有边缘点与圆心距离的均值为初步半径值，而后计算所有边缘点与圆心距离，作为点半径值，在所有边缘点中剔除其点半径值与初步半径值之差的绝对值大于a的点，未剔除点再计算半径值，由此得到一次迭代的半径值，以此作为半径检测值，也可进行多次迭代，a为误差容限。迭代时未剔除点称为圆上点，容限误差a的取值由半径检测精度决定，一次迭代其值一般取1，当进行多次迭代时，其值一般以0.2的公差减小，需要注意的是当a过小时会导致圆上点过少而使检测结果的准确度降低，因此检测时一般容限误差a的取值不得小于0.2。该算法的检测分辨率可达亚像素级别 

检测得到的保偏光纤端面几何参数，其单位为像素。根据保偏光纤包层直径，对得到的检测参数进行单位转换处理，得到实际长度单位对应的实际参数，由此评估保偏光纤结构性能。单位转换处理公式为u=v*rf/rd，其中u、v为同一参数对应的不同单位表示，此处参数为圆心坐标或半径，u的单位为um，v的单位为像素，rf为光纤包层出厂半径，单位为um，rd为光纤包层检测半径，单位为像素。之所以用包层半径为标准而非纤芯或猫眼半径为标准进行单位转换处理，是因为即使光纤包层出厂半径存在误差，但是由于光纤包层半径大，相同的绝对误差其相对误差最小，如当光纤包层半径为62.5um，半径绝对误差为0.1um时，其相对误差仅为0.16%，其影响可以忽略。 

实施例1

端面耦合光源采用雅格电器的YG-3717大功率LED，其功率为0.5W，强弱光可调。侧面耦合光源采用一明书写台灯G4110，其灯头活动自如，可调节性好，亮度相当于150W白炽灯。光纤端面显微镜采用TFN-450三维可调台式光纤显微镜，其采用USB与计算机连接和数据传输，尺寸小。图像处理软件采用windows系统下vc6.0开发平台完成。 

由上述软硬件平台得到的某熊猫型保偏光纤端面图像如图3所示，其检测结 果如表1和图4所示，图4中最亮的圆为根据检测参数所画的圆，从图中可以看出，检测结果具有很高的准确性。 

表1检测结果表 

由表1的检测结果，结构性偏差均未超过1.1像素，一般认为该保偏光纤不存在结构性缺陷。 

实施例2 

软硬件条件如实施例1，选取另一根保偏光纤的端面图像进行分析，其端面图像如图5所示，检测结果如表2和图6所示。 

表2检测结果表 

由表2的检测结果，两猫眼直径差为5.6像素，对应为2.1um，可见两猫眼直径出现了较大差异，此时判定该保偏光纤存在结构性缺陷。 

Claims (8)

1.一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置，包括端面耦合光源、带FC头的耦合盒、光纤夹具、侧面耦合光源、FC头、光纤端面显微镜、计算机，其特征在于：所述的端面耦合光源采用白光LED光源，所述的侧面耦合光源采用黄色照明光；光纤夹具用于固定并使保偏光纤弯曲便于侧面耦合光的耦合。

2.根据权利要求1所述的一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的装置，其特征在于：所述的耦合侧面光的弯曲角范围为120°～150°。

3.一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的方法，其特征在于：它的步骤如下：

1)对光纤两端分别进行端面处理，包括去涂覆层、清洗裸光纤段、光纤切割；

2)打开耦合盒盖子，将端面耦合光源放入，放置好光源尽可能使其水平且光出射中心位置正好对着FC头中心位置，将光纤其中一端插入耦合盒的FC头中，另一端插入FC头并将FC头插入光纤端面显微镜输入端；

3)调节夹具位置使两夹具光纤弯曲角在要求的范围内，将光纤中间段放置于夹具中，调节夹具尽量保证光纤不扭曲且所夹持的光纤方向保持平行，锁紧夹具，调节侧面耦合光源位置使光源出射光刚好照射在光纤弯曲部位且入射方向与光纤靠近检测端的水平段方向一致；

4)连接光纤端面显微镜和计算机，打开计算机、光纤端面显微镜、端面耦合光源和侧面耦合光源，盖上耦合盒盖子，观察端面图像，若端面图像质量不好，进行光纤端面清洗、FC头清洗或关闭计算机、光纤端面显微镜、端面耦合光源、侧面耦合光源转入步骤1）重新端面处理，否则转到步骤5）进行图像采集和处理；

5)打开检测软件，采集光纤端面图像通过数字图像处理方法进行图像在线处理，也可以先保存图像后进行图像后处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的图像质量不好包括光纤内部存在大的污渍和光纤端面倾斜，大的污渍标准为外接圆半径大于5个像素的污渍，此问题可通过端面清洗或FC头清洗解决，光纤端面倾斜表现为光纤端面图像出现明显椭圆化，出现此问题时重新进行端面处理。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的图像处理算法的步骤如下：

1）包层检测：根据光纤内质心法外灰度分布设定检测的灰度阈值，根据灰度阈值对图像进行二值化处理，即大于灰度阈值的点为光纤内点，其像素值设为1，否则像素值设为0，利用质心法和边缘迭代法计算包层圆心(x₀,y₀)和半径r₀，圆心坐标和半径单位均为像素点数；

2）纤芯检测：根据步骤1）得到的包层圆心(x₀,y₀)及纤芯最大半径r_{1_max}确定纤芯区域，纤芯区域点(x,y)应满足

以此区域点为处理对象，设定灰度阈值，对纤芯区域图像进行二值化处理，即大于灰度阈值的点为纤芯内点，其像素值设为1，否则像素值为0，利用质心法和边缘迭代法计算纤芯圆心(x₁,y₁)和半径r₁；

3）猫眼检测：根据包层圆心(x₀,y₀)、包层最小半径r_{0_min}、纤芯圆心(x₁,y₁)、纤芯最大半径r_{1_max}可以确定猫眼所处的环带范围，该环带范围点(x,y)应满足 $\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}<r_{0\_\min }$ 及 $\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}<r_{1\_\mathrm{man}},$ 在此环带范围内设定灰度阈值并对环带区域图像进行二值化处理，即小于阈值的点为猫眼点，其像素值设为1，否则像素值设为0，环带扫描找出两个猫眼的位置，利用质心法和边缘迭代法分别计算两个猫眼的圆心(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和半径r₂、r₃。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：只针对24位图像或8位灰度图像，若为24位图像，则需先将图像转换成8位灰度图像再进行处理，图像格式支持JPG和BMP两种。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的质心法计算圆心坐标的算法为其中x_i为圆边缘点坐标，p_i为像素值，x为圆心坐标，n为圆边缘内点数量。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的边缘迭代法计算半径的算法为计算每个边缘点与圆心的距离，所有边缘点与圆心距离的均值为初步半径值，而后计算所有边缘点与圆心距离，作为点半径值，在所有边缘点中剔除其点半径值与初步半径值之差的绝对值大于a的点，未剔除点再计算半径值，由此得到一次迭代的半径值，以此作为半径检测值，也可进行多次迭代，a为误差容限。

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