CN103592722B - 一种熊猫型保偏光纤侧视对轴装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熊猫型保偏光纤侧视对轴装置及方法。本发明通过成像显微镜获取两根光纤的侧视图像，并利用数字图像处理的方法找出光纤中心位置和最大光强位置，得到两个位置的绝对差，通过同步转动两根光纤获取绝对差和转动角关系的关系曲线，取曲线的最高值点附近若干点进行二次拟合得到特征角，计算两根光纤的特征角之差，由此可得两根光纤的应力轴偏差角，通过转动其中一根光纤，得到所需的应力轴偏差角，可实现保偏光纤的对轴。本发明主要针对熊猫型保偏光纤，能实现各种尺寸的熊猫型保偏光纤的对轴，对轴精度高，对轴重复性好，对轴时间短效率高，可实现自动化对轴。本发明也可用于光纤熔接后的熔接角检测。
Description
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侧视对轴装置及方法。
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，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，广泛应用于相干光通信、光纤传感等领域，而保偏光纤应力轴对轴是保偏光纤应用中的关键技术。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。
常用的保偏光纤对轴方法根据通光和观测方向大致可分为纵向和横向。
纵向对轴方法包括消光比测量法、白光干涉法等，前者需要很精密的光学仪器和功率计、价格昂贵且体积庞大、对轴过程繁琐费力、不易实现对轴自动化，后者装置复杂、环境要求高、调测费时费力。
横向对轴方法主要包括五点特征值法、五指型光强分布法、中心灰度分布曲线相关法等。前两者在实际应用中出现上述形状光纤灰度分布曲线的范围很窄，对测试平面焦距的距离控制非常严格；中心灰度分布曲线相关法包括直接相关法和间接相关法，直接相关法为取左右两边光纤中心灰度分布曲线进行相关，间接相关法为分别取两根光纤的中心灰度分布曲线与各自仿真曲线进行相关，直接相关法要求两根光纤参数相同，实际应用中很难保证，间接相关法要求事先知道待对轴光纤的型号且有相应的仿真曲线，大大限制了该方法的应用。
发明内容：
本发明的目的是针对常用保偏光纤对轴方法的缺点，提供了一种熊猫型保偏光纤侧视对轴装置及方法。本发明通过成像显微镜采集保偏光纤侧面图像，利用数字图像处理的方法实现精确、快速的对轴，对轴装置结构简单、成本低，对轴时间短，可实现自动对轴。
一种熊猫型保偏光纤侧视对轴装置，包括平行光源、步进电机、光纤夹具、成像显微镜、计算机，成像显微镜包括显微物镜和成像元件，显微物镜的位置为保偏光纤侧面出射光会聚的位置，成像元件到显微物镜的距离应与保偏光纤中心到显微物镜的距离相等，成像显微镜与计算机连接，步进电机与计算机相连，由计算机控制步进电机转动。
优选地，所述的成像元件可以为CCD或COMS，成像显微镜与计算机连接的线为USB数据线，所述的步进电机与计算机相连的线为串口控制线。
优选地，当保偏光纤的应力轴中心连线与入射平行光方向平行和垂直时，所述的成像探测面的位置的选取原则为应保证，光纤中心两侧的亮纹光强均大于中心处光强。
一种熊猫型保偏光纤侧视对轴方法，其步骤如下：
1) 通过光纤夹具将待对轴的两根保偏光纤固定，并保证两根光纤的中心轴在一条直线上；
2) 用平行光从侧面照射所述的两根光纤，通过成像显微镜获取光纤侧视图像，并传送给计算机；
3) 对图像进行分割，左边1/3为左光纤图像，用于左光纤图像处理，右边1/3为右光纤图像，用于右光纤图像处理，中间1/3为过渡区，不作处理；
4）取左右光纤图像，通过图像灰度分界法获取光纤的中心位置 ，通过局部扫描法获取光纤的最大光强位置，计算两个位置的绝对差；
5) 同步转动两根光纤n次，每次转动角度为a，获取绝对差序列和转动角序列得到和的关系，其中p=1~n，，取最大值附近k个点进行二次拟合得到特征角分别记为、，计算两根光纤的特征角之差；
6）转动其中一根光纤，转动角度为，由此即可得到所需的应力轴偏差角，实现给定应力轴偏差角的对轴，所述的光纤转动角度由所需的应力轴偏差角与当前实测应力轴偏差角确定，其关系为，转动方向由的符号、与的大小关系及转动光纤决定。
其中，光纤转动次数n的取值范围为200~220，转动角度a取1°，拟合点数k取41，即除最高点外左右各取20点。
图像灰度分界法算法思路为：从上向下遍历，当当前行像素灰度均值与下一行像素灰度均值之差小于边界阈值时，判定此仍为背景像素，当当前行像素灰度值与下一行像素灰度值之差大于边界阈值时，判定下一行像素为光纤上边界像素，对应行号即为光纤上边界位置，从下向上遍历，同理可得光纤下边界位置，光纤中心位置，边界阈值一般取1~5。
局部扫描法算法思路为：以光纤上边界为起点，下边界为终点，进行行扫描， 取一行像素灰度值的均值作为该行平均灰度值，平均灰度值最大的位置即为最大光强位置。
本发明提供了一种熊猫型保偏光纤侧视对轴装置及方法，通过成像显微镜采集保偏光纤侧面图像，利用数字图像处理的方法实现精确、快速的对轴，对轴装置结构简单、成本低，对轴时间短，可实现自动对轴。本发明也可用于光纤熔接后的熔接角检测，在熔接完成后只要取发明步骤的2）~5）即可。
附图说明
图1是位置绝对差和转动角度关系图；
图2是光纤转动方向判定示例图；
图3是熊猫型保偏光纤侧视对轴装置结构示意图；
图4是保偏光纤端面视图；
图5是保偏光纤侧面视图；
图6是位置绝对差与转动角关系及拟合曲线图；
图中，平行光源1、保偏光纤2、步进电机3、光纤夹具4、显微物镜5、成像元件 6、成像显微镜7，USB数据线8、串口控制线9、计算机10。
具体实施方式
一种熊猫型保偏光纤侧视对轴装置，其结构示意图如图3所示，包括平行光源1、步进电机3、光纤夹具4、成像显微镜7、计算机10，成像显微镜7包括显微物镜5和成像元件6，显微物镜5的位置为保偏光纤2侧面出射光会聚的位置，成像元件6到显微物镜5的距离应与保偏光纤2中心到显微物镜5的距离相等，成像显微镜7与计算机10连接，步进电机3与计算机10相连，由计算机控制步进电机3转动。
所述的成像元件6可以为CCD或COMS，成像显微镜7与计算机10连接的线为USB数据线8，所述的步进电机3与计算机10相连的线为串口控制线9。
当保偏光纤2的应力轴中心连线与入射平行光方向平行和垂直时，所述的成像探测面的位置的选取原则为应保证，光纤中心两侧的亮纹光强均大于中心处光强。
一种熊猫型保偏光纤侧视对轴方法，其步骤如下：
1) 通过光纤夹具将待对轴的两根保偏光纤固定，并保证两根光纤的中心轴在一条直线上；
2) 用平行光从侧面照射所述的两根光纤，通过成像显微镜获取光纤侧视图像，并传送给计算机；
3) 对图像进行分割，左边1/3为左光纤图像，用于左光纤图像处理，右边1/3为右光纤图像，用于右光纤图像处理，中间1/3为过渡区，不作处理；
4）取左右光纤图像，通过图像灰度分界法获取光纤的中心位置，通过局部扫描法获取光纤的最大光强位置，计算两个位置的绝对差；
5) 同步转动两根光纤n次，每次转动角度为a，获取绝对差序列和转动角序列得到和的关系，其中p=1~n，，取最大值附近k个点进行二次拟合得到特征角分别记为、，计算两根光纤的特征角之差；
6）转动其中一根光纤，转动角度为，由此即可得到所需的应力轴偏差角，实现给定应力轴偏差角的对轴，所述的光纤转动角度由所需的应力轴偏差角与当前实测应力轴偏差角确定，其关系为，转动方向由的符号、与的大小关系及转动光纤决定。
其中，光纤转动次数n的取值范围为200~220，转动角度a取1°，拟合点数k取41，即除最高点外左右各取20点。
步骤3）中对图像进行分割，抛弃两根光纤对轴端面附近区域的图像，选择左右两边的光纤图像，可以避免两根光纤对轴端面附近区域的检测，减少不必要的工作量，提高检测效率，同时可以避免由于光纤熔接过程中端面附近变形带来的检测误差，且由于1/3宽度的图像区域点数已完全满足检测需求，不会对检测结果产生影响。
由于步骤4）中检测了光纤中心位置，计算了光纤中心位置和最大光强位置的绝对差，利用位置绝对差与转动角度的关系进行拟合而不是直接用最大光强位置与转动角度的关系进行拟合，消除了转动过程中光纤中心位置偏移的影响。为便于分析，取转动角度步长为1°，转动次数为750，得到的位置绝对差和转动角度关系图如图1所示，由图1可知位置绝对差和转动角度关系图像的周期为180°，理论上n=180即可完成拟合，但是当光纤起始转动和转动结束位置为图中虚线所示时，光纤起始转动和结束转动时位置绝对差刚好取最大值附近点，会造成没有足够的点用于拟合，导致检测失败或引起检测误差，实际上由于拟合所需左右各20点的要求，当n<200时都可能出现上述情况，故实际应用中n应不小于200，一般令n的取值位于200~220范围内，实际上当n>220时也能满足检测要求，但是需要采集和处理更多的图像，而多采集的图像实际上并非检测所需要的，为冗余图像，这样会大大增加检测和对轴的时间，降低对轴效率。
步骤6）中光纤转动角度，转动方向由的符号、与的大小关系及转动光纤决定，其原则为：若<0，且>，则应反向转动左光纤或正向转动右光纤，如图2所示，图中假设逆时针方向转动为正向，其它情况下由几何关系也易分析得到，在此不一一赘述。
图像灰度分界法算法思路为：从上向下遍历，当当前行像素灰度均值与下一行像素灰度均值之差小于边界阈值时，判定此仍为背景像素，当当前行像素灰度值与下一行像素灰度值之差大于边界阈值时，判定下一行像素为光纤上边界像素，对应行号即为光纤上边界位置，从下向上遍历，同理可得光纤下边界位置，光纤中心位置，边界阈值一般取1~5。
局部扫描法算法思路为：以光纤上边界为起点，下边界为终点，进行行扫描， 取一行像素灰度值的均值作为该行平均灰度值，平均灰度值最大的位置即为最大光强位置。
本发明提供了一种熊猫型保偏光纤侧视对轴装置及方法，通过成像显微镜采集保偏光纤侧面图像，利用数字图像处理的方法实现精确、快速的对轴，对轴装置结构简单、成本低，对轴时间短，可实现自动对轴。
实施例
取两根保偏光纤进行侧面对准，光纤涂覆层直径为250um，包层直径为125um，折射率为1.457，纤芯直径为8um，折射率为1.468，猫眼直径为35um，猫眼圆心与包层圆心距离为27um，猫眼折射率为1.444。端面视图及侧视图分别如图4、5所示。光纤位置绝对差与转动角关系及拟合结果曲线如图6所示，此例中n=210，但是为便于拟合结果对比和分析，图中仅给出拟合点段。左光纤拟合得到的二次曲线方程为y=-0.0107x2+1.7287x-60.3249，由此可得左光纤应力轴特征角=1.7287/0.0107/2=80.8°，右光纤拟合得到的二次曲线方程为y=-0.0107x2+3.1681x-224.8979，由此可得右光纤应力轴特征角=3.1681/0.0107/2=148.0°，则，假设光纤预设对准角为，则转动角度，应正向转动左光纤或反向转动右光纤，由此完成指定对轴角度的保偏光纤对轴。经多次对轴试验，应力轴偏差角检测精度可达0.2°，单次对轴平均时间为90s。
Claims (5)
1.一种熊猫型保偏光纤侧视对轴方法，其特征在于：它的步骤如下：
1)通过光纤夹具将待对轴的两根保偏光纤固定，并保证两根光纤的中心轴在一条直线上；
2)用平行光从侧面照射所述的两根光纤，通过成像显微镜获取光纤侧视图像，并传送给计算机；
3)对图像进行分割，左边1/3为左光纤图像，用于左光纤图像处理，右边1/3为右光纤图像，用于右光纤图像处理，中间1/3为过渡区，不作处理；
4)取左右光纤图像，通过图像灰度分界法获取光纤的中心位置x0，通过局部扫描法获取光纤的最大光强位置xm，计算两个位置的绝对差Δx＝|xm-x0|；
5)同步转动两根光纤n次，每次转动角度为a，获取绝对差序列Δxp-1和转动角序列ap-1得到Δxp-1和ap-1的关系，其中p＝1～n，ap-1＝(p-1)a，取Δxp-1最大值附近k个点进行二次拟合得到特征角分别记为αL、αR，计算两根光纤的特征角之差Δα＝αL-αR；
6)转动其中一根光纤，转动角度为β，由此即可得到所需的应力轴偏差角Δαn，实现给定应力轴偏差角的对轴，所述的光纤转动角度β由所需的应力轴偏差角Δαn与当前实测应力轴偏差角Δα确定，其关系为β＝|Δαn-|Δα||，转动方向由Δαn的符号、Δαn与|Δα|的大小关系及转动光纤决定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)中所述的图像灰度分界法为：从上向下遍历，当当前行像素灰度均值与下一行像素灰度均值之差小于边界阈值时，判定此仍为背景像素，当当前行像素灰度值与下一行像素灰度值之差大于边界阈值时，判定下一行像素为光纤上边界像素，对应行号即为光纤上边界位置xu，从下向上遍历，同理可得光纤下边界位置xd，光纤中心位置边界阈值一般取1～5。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤4)中所述的局部扫描法：以光纤上边界为起点，下边界为终点，进行行扫描，取一行像素灰度值的均值作为该行平均灰度值，平均灰度值最大的位置即为最大光强位置xm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)中所述的同步转动包括相同的转动方向、相同的转动角速度、相同的转动角度三层含义。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)中光纤转动次数n的取值范围为200～220，转动角度a取1°或-1°，分别对应正转和反转，记为检测转动方向，一次检测过程中保证转动角度大小和检测转动方向保持不变，拟合点数k取41，即除最高点外左右各取20点。
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