CN107036786B - 一种基于数字全息层析的光纤熔接点三维结构检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法。该发明基于数字全息层析技术，对采用数字全息技术测得的光纤熔接点全息图，取不同再现距离进行数字再现校正轴向误差，获得各角度下熔接光纤的相位图，然后对各相位图进行旋转偏差的横向校正、纵向校正和图像倾斜校正，得到各角度下光纤熔接点位置一致的相位图，最后利用层析反投影滤波算法重建光纤熔接点的三维结构。本发明因数据处理过程完全数字化，旋转偏差得以校正，具有精度高、无损伤、三维定量检测等优点，可用于基于数字全息层析技术检测光纤熔接的质量等。

Description

一种基于数字全息层析的光纤熔接点三维结构检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字全息层析的光纤熔接点三维结构检测方法，可用于数字全息层析技术检测不同光纤熔接后熔接点的三维结构检测。

背景技术

光纤与光纤装置在电信、工业与医学等领域发挥越来越重要的作用，在光纤应用过程中对其可靠性的要求越来越高，而光纤熔接直接决定了光纤的可靠性。目前常用检测光纤熔接的方法是通过检测光功率的光时域检测法，但这种方法不能直观显示光纤熔接的三维结构，检测信号单一，并且存在衰减不能完全判断光纤熔接质量。数字全息技术作为一种非接触式测量的典型方式，在微光学器件的检测中，得到了广泛的应用。数字全息技术与光学层析技术相结合的全息层析技术具有高精度、无损检测、三维定量检测的特点，因而得到了广泛关注。因此，特别适用于重建光纤熔接点的三维结构，以便检测不同光纤间融合的质量。而由于层析技术和全息技术相结合的实际测量过程中会产生的误差，完整重建样品三维结构和提高重建图像质量成为被关注的重点。在数字全息层析技术中，利用层析重建三维结构时，需要围绕样品旋转，利用数字全息的方法多角度获取样品的相位信息。但在实际测量过程中，由于样品与安装台，安装台与安装试件之间存在安装误差，其结果不可避免的导致样品倾斜和样品与旋转中心不重合，从而使得重建后的图像质量降低，不能完全重建原样品的三维结构。

在数字全息图像获取过程中，为了重建三维结构，需要围绕样品多角度获取样品相位信息，在安装系统确定的条件下，多角度旋转拍摄获取相位信息后，层析重建光纤熔接点的三维结构。在旋转过程中，要求熔接光纤处于旋转中心，且垂直于光轴所在的平面。针对光纤熔接点而言，不同光纤熔接时可能会产生轴向错位、轴向分离、气泡等，因此对光纤熔接点在测量中的位置要求较高，要求光纤熔接点在装置测量中心。当熔接光纤倾斜时会导致重建的图像中光纤在图中的倾斜。当熔接光纤与旋转中心不重合时，其偏移的距离可空间分解在光轴和焦平面上，在焦平面上得到横向平移和纵向平移，在光轴方向上得到其轴向平移。横向平移和纵向平移均会导致样品在图像上的横向和纵向偏离，轴向平移即是在光轴方向样品偏离焦平面的位移，重建后会导致重建图像模糊，分辨率降低，从而严重影响层析三维重建质量。因此，需要对实际测量过程中产生的偏差进行补偿。目前的补偿方法中有通过全息的数字聚焦校正层析的轴向位移，在层析重建的正弦图中，通过检测边缘的方法加以修正，但这都校正其相对误差，不能校正其绝对误差，而且对于光纤熔接点而言，第三个方向上的纵向偏离不能修正，不能完整重建光纤熔接点的三维结构。

发明内容

本发明为了解决光纤熔接点的三维结构检测问题，提出一种基于数字全息层析的光纤熔接点三维结构检测方法。基于数字全息技术，利用在全息的再现算法中选取不同的再现距离校正轴向平移误差，在层析重建前，对各角度下的相位图进行边缘检测直线拟合的方法校正横向误差、纵向误差和图像倾斜，进而通过层析滤波反投影重建光纤熔接点的三维结构，从而进行检测判断。

本发明是一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法，首先，通过离轴数字全息光路获取光纤熔接点在各角度下的全息图，选取不同再现距离对各角度下光纤熔接点的全息图进行数字再现，针对由熔接光纤与系统光路之间旋转的轴向误差通过选取不同再现距离进行校正，获取各角度下光纤准确的相位图；然后，在各相位图中通过对熔接光纤进行边缘检测，利用图像平移旋转和直线拟合方法使光纤熔接点处于图像中心，并在各角度下的相位图中位置保持一致，从而校正由于光纤倾斜、光纤熔接点与旋转中心不重合而导致的横向误差、纵向误差和图像倾斜，对校正后的相位图进行层析重建，得到光纤熔接点的三维结构。具体步骤如下：

第一步，利用离轴数字全息系统记录各角度下熔接光纤的全息图，并对其全息图进行数字再现，得到各角度下熔接光纤的相位图。具体包括：

(1)通过离轴数字全息系统记录不同光纤熔接后熔接点前后的全息图；

(2)围绕熔接后的光纤旋转拍摄，记录不同角度下光纤熔接点的全息图；

(3)通过数字全息的再现算法选取不同角度下相位图能清楚聚焦的再现距离，采用角谱再现算法对全息图进行再现计算，补偿轴向误差，以获得不同角度下清楚聚焦再现的熔接光纤相位图；

第二步，通过边缘检测图像平移旋转校正横向误差和图像倾斜：

熔接光纤位置相对于系统光路的误差不仅会影响各相位图上的相位分布，同时也会影响图像之间的相对位置。经过第一步的再现处理后，各角度下熔接光纤的相位图已进行轴向校正，已得到熔接光纤的准确相位图，因此，第二步针对熔接光纤的横向偏差和图像倾斜作进一步校正。若要得到熔接光纤的三维结构，各角度下熔接光纤在相位图像上的位置应该处于图像中心并保持一致，此时，在层析重构过程中正弦图边缘对齐，才能层析重构出完整的熔接光纤的三维结构。由于在实际测量过程中，旋转误差和样品倾斜的存在，各角度下的相位图中，熔接光纤在图像中的位置不定，通过边缘检测的方法确定熔接光纤在各图像中的偏差值，并平移旋转将其移动至图像的最佳位置。

具体包括以下几个步骤：

(1)通过霍夫变换检测熔接光纤的上下边缘直线。

(2)计算熔接光纤距图像中心的距离及倾斜角度。

(3)旋转图像校正图像倾斜。

(4)图像平移校正横向误差。

(5)对各角度下的相位图重复上述步骤并将光纤熔接点移动至相位图图像中心。

第三步，通过直线拟合校正纵向误差：

针对熔接点的位置，由于熔接光纤的倾斜和旋转中心的不重合，将产生空间三个方向的偏差，通过第二步其轴向和横向的误差得到校正，第三步通过直线拟合校正各角度下熔接点的纵向误差。其具体步骤如下：

(1)以第一个角度下获得的相位图为基准，确定光纤熔接点在相位图中的纵向位置。

(2)检测第二个角度下，光纤熔接点在相位图中的纵向位置，计算第二个角度与第一个角度下熔接点纵向的相对位置偏差，纵向移动第二个角度下的相位图相应的偏差距离，使光纤熔接点的纵向位置与第一个相位图保持一致。

(3)第三个角度下相位图以第二个角度下相位图为基准进行纵向移动。

(4)各角度下相位图依次进行上述迭代并纵向平移，使得各角度下光纤熔接点在各相位图中的位置保持一致。

第四步，层析反投影滤波重建：

在层析图像重建算法中，分为滤波反投影重建算法和衍射重建算法，在此，选用层析滤波反投影重建算法重建熔接光纤的三维结构，其具体步骤如下：

(1)把相位图经过滤波，得到滤波后的投影数据。

(2)对每个角度下的投影数据反射于该角度下的所有各点。

(3)将各个角度的反投影值进行累加，获得熔接光纤的断层图像。

(4)将不同位置的断层图像叠加，最终重建出熔接光纤的三维结构。

通过上述数字全息层析技术可以直观获得光纤熔接点的三维结构分布，及熔接后熔接点处可能出现的端面分离，轴向错位或空气泡等现象，为判断光纤熔接质量提供了重要的判断依据。

所述方法适用于单模光纤、多模光纤、熊猫保偏光纤、领结型保偏光纤和光子晶体光纤相互熔接后熔接点的三维结构检测。

本发明的优点在于：

(1)相较于传统光纤熔接的测量，本发明利用数字全息层析技术，不仅数据获取简单易存储，无损伤探测，三维检测，并且其测量精度相对较高；

(2)由于数字全息技术的数据处理全过程数字化，在数字再现的过程中可以对轴向误差进行校正，从而得到光纤熔接点的准确相位分布，这样不仅便于操作，而且简化了整体的计算，使算法运行简单、高效；

(3)利用数字全息技术可实现单幅全息图的数值再现，从而对各角度下的旋转偏差进行校正。

(4)采用边缘检测直线拟合的方法对相位图上的旋转偏差和图像倾斜进行校正，能校正其横向误差、纵向误差和图像倾斜，其光纤熔接点在各角度下位置准确，计算流程简单，精度高。

(5)利用层析滤波反投影重建能重建光纤熔接点的三维结构，检测方法直观、有效。

(6)该方法充分利用数字全息层析技术的优势，在光纤熔接点的检测中，高精度、无损伤提供了光纤熔接点的三维结构。

(7)与传统光纤熔接检测技术相比，通过数字全息层析技术可以直观获得光纤熔接点的三维结构分布，包括熔接后可能出现的端面分离，轴向错位或空气泡等现象，为判断光纤熔接质量提供了重要的判断依据。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法，首先，通过离轴数字全息光路获取光纤熔接点在各角度下的全息图，针对由光纤与系统光路之间旋转的轴向误差通过选取不同再现距离进行校正，获取各角度下光纤准确的相位图；然后对各角度下相位图进行横向误差、纵向误差和图像倾斜校正，最后利用层析滤波反投影算法得到光纤熔接点的三维结构，包括以下几个步骤：

第一步，利用离轴数字全息系统记录各角度下熔接光纤的全息图，并对其全息图进行数字再现，得到各角度下熔接光纤的相位图。具体包括：

(1)通过离轴数字全息系统记录不同光纤熔接后熔接点前后的全息图；

(2)围绕熔接后的光纤旋转拍摄，记录不同角度下光纤熔接点的全息图，在此取180度，每隔2度拍摄一幅全息图；

(3)通过数字全息的再现算法获得相位图，包括图像切趾、频域滤波、像差补偿、数字聚焦，算法选取不同角度下相位图能清楚聚焦的再现距离，采用角谱再现算法对全息图进行再现计算，补偿轴向误差，以获得不同角度下清楚聚焦再现的熔接光纤相位图；

第二步，通过边缘检测图像旋转平移校正横向误差和图像倾斜：

熔接光纤位置相对于系统光路的误差不仅会影响各相位图上的相位分布，同时也会影响图像之间的相对位置。经过第一步的再现处理后，各熔接光纤的相位图已进行轴向校正，已得到熔接光纤的准确相位图，因此，第二步针对熔接光纤的横向偏差和图像倾斜作进一步校正。若要得到熔接光纤的三维结构，各角度下熔接光纤在相位图像上的位置应该处于图像中心并保持一致，此时，在层析重构过程中正弦图边缘对齐，才能层析重构出完整的熔接光纤的三维结构。由于在实际测量过程中，旋转误差和样品倾斜的存在，各角度下的相位图中，熔接光纤在图像中的位置不定，通过边缘检测的方法确定熔接光纤在各图像中的偏差值，并平移旋转将其移动至图像的最佳位置。

具体包括以下几个步骤：

(1)通过霍夫变换检测熔接光纤的上下边缘直线。

(2)计算熔接光纤上下边缘分别到图像上下边缘的距离，光纤边缘与图像边缘之间的倾斜角度。

(3)根据计算出的倾斜角度，反向旋转图像相应的角度，使得熔接光纤边缘与图像边缘平行。

(4)根据熔接光纤上下边缘分别到图像上下边缘的距离计算出熔接光纤到图像中心的距离，利用图像平移方法将其移动至图像中心。

(5)依次迭代各角度下的相位图，并重复上述步骤将各角度下的光纤熔接点移动至图像中心。

第三步，通过直线拟合校正纵向误差：

针对熔接点的位置，由于熔接光纤的倾斜和旋转中心的不重合，将产生空间三个方向的偏差，通过第一步和第二步其轴向和横向的误差得到校正，第三步通过直线拟合校正各角度下熔接点的纵向误差。其具体步骤如下：

(1)以第一个角度下获得的相位图为基准，确定光纤熔接点在相位图中的纵向位置。

(2)确定第二个角度下，光纤熔接点在相位图中的纵向位置，计算第二个角度与第一个角度下熔接点纵向的相对位置偏差，纵向移动第二个角度下的相位图相应的偏差距离，使光纤熔接点的纵向位置与第一个相位图保持一致。

(3)第三个角度下相位图以第二个角度下相位图为基准进行纵向移动。

(4)各角度下相位图依次进行上述迭代并纵向平移，使得各角度下光纤熔接点在各相位图中的位置保持一致。

第四步，层析反投影滤波重建：

在层析图像重建算法中，分为滤波反投影重建算法和衍射重建算法，在此，选用层析滤波反投影重建算法重建熔接光纤的三维结构，其具体步骤如下：

(1)把相位图经过滤波，得到滤波后的投影数据。

(2)对每个角度下的投影数据反射于该角度下的所有各点。

(3)将各个角度的反投影值进行累加，获得熔接光纤的断层图像。

(4)将不同位置的断层图像叠加，最终重建出熔接光纤的三维结构。

通过上述数字全息层析技术可以直观获得光纤熔接点的三维结构分布，及熔接后熔接点处可能出现的端面分离，轴向错位或空气泡等现象，为判断光纤熔接质量提供了重要的判断依据。

所述方法适用于单模光纤、多模光纤、熊猫保偏光纤、领结型保偏光纤和光子晶体光纤相互熔接后熔接点的三维结构检测。

Claims (6)

1.一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法，其特征在于，通过离轴数字全息光路获取光纤熔接点在各角度下的全息图，针对由光纤与系统光路之间旋转的轴向误差通过选取不同再现距离进行校正，获取各角度下光纤准确的相位图；然后对各角度下相位图进行横向误差、纵向误差和图像倾斜校正，最后利用层析滤波反投影算法得到光纤熔接点的三维结构；

具体包括以下步骤：

第一步，利用离轴数字全息系统记录各角度下熔接光纤的全息图，并对其全息图进行数字再现，得到各角度下熔接光纤的相位图；

第二步，通过边缘检测图像旋转平移校正横向误差和图像倾斜：

通过边缘检测的方法确定熔接光纤在各图像中的偏差值，并平移旋转将其移动至图像的最佳位置；

第三步，通过直线拟合校正纵向误差：

通过直线拟合校正各角度下熔接点的纵向误差；

第四步，层析反投影滤波重建：

选用层析滤波反投影重建算法重建熔接光纤的三维结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法，所述的第一步具体包括：

(1)通过离轴数字全息系统记录不同光纤熔接后熔接点前后的全息图；

(2)围绕熔接后的光纤旋转拍摄，记录不同角度下光纤熔接点的全息图，取180度，每隔2度拍摄一幅全息图；

(3)通过数字全息的再现算法获得相位图，包括图像切趾、频域滤波、像差补偿、数字聚焦，选取不同角度下相位图的再现距离，采用角谱再现算法对全息图进行再现计算，补偿轴向误差，获得不同角度下清楚聚焦再现的熔接光纤相位图。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法，所述的第二步具体包括：

(1)通过霍夫变换检测熔接光纤的上下边缘直线；

(2)计算熔接光纤上下边缘分别到图像上下边缘的距离，光纤边缘与图像边缘之间的倾斜角度；

(3)根据计算出的倾斜角度，反向旋转图像相应的角度，使得熔接光纤边缘与图像边缘平行；

(4)根据熔接光纤边缘到图像边缘的距离计算出熔接光纤到图像中心的距离，利用图像平移方法将其移动至图像中心；

(5)依次迭代各角度下的相位图，并重复上述步骤将各角度下的光纤熔接点移动至图像中心。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法，所述的第三步具体包括：

(1)以第一个角度下获得的相位图为基准，确定光纤熔接点在相位图中的纵向位置；

(2)确定第二个角度下，光纤熔接点在相位图中的纵向位置，计算第二个角度与第一个角度下熔接点纵向的相对位置偏差，纵向移动第二个角度下的相位图相应的偏差距离，使光纤熔接点的纵向位置与第一个相位图保持一致；

(3)第三个角度下相位图以第二个角度下相位图为基准进行纵向移动；

(4)各角度下相位图依次进行迭代并纵向平移，使得各角度下光纤熔接点在各相位图中的位置保持一致。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法，所述的第四步具体包括：

(1)把相位图经过滤波，得到滤波后的投影数据；

(2)对每个角度下的投影数据反射于该角度下的所有各点；

(3)将各个角度的反投影值进行累加，获得熔接光纤的断层图像；

(4)将不同位置的断层图像叠加，最终重建出熔接光纤的三维结构。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的一种基于数字全息层析的光纤熔接点的三维结构检测方法，检测方法适用于单模光纤、多模光纤、熊猫保偏光纤、领结型保偏光纤和光子晶体光纤相互熔接后熔接点的三维结构检测。