CN107121727A - 光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，裸光纤安装在光纤V型槽上，光源透过准直透镜、通过反光镜照射至熔接区的裸光纤；显微成像系统包括光学镜头，光学镜头安装在对应的光纤压板水平推进座上，光纤压板水平推进座底部安装COMS板，在COMS板与光学镜头之间设有一个放大10倍的显微镜；两个所述显微成像系统用于监测X轴和Y轴两个方向；两个显微成像系统的COMS板分别与计算机连接，计算机分别与步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ连接，步进电机Ⅰ与光纤压板水平推进座连接，步进电机Ⅱ与光纤V型槽的垂直调整机构连接。解决了现有技术中光纤纤芯对准精度低、成像质量差、熔接损耗大、熔接速度慢、熔接效果不稳定的问题。

Description

光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统

技术领域

本发明属于光纤通信接续及维护技术领域，涉及一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统。

背景技术

光纤通信以光缆代替电缆作为传输工具，用光波代替电磁波作为通信信息载体，实现了高速率，大传输量的通信效果，给通信领域带来了一场新的革命。目前，光纤通信已经成为最主要的信息传输服务。随着信息传输的高速化，光纤本身及其相关技术在通信领域中的地位就显得愈发重要，光纤熔接技术是光纤通信系统实用化的关键系统之一。在熔接过程中，精度的对准率和快速的对准时间都是促进光纤通信产业发展的重要环节，其发展促进了信息技术的进一步发展。

随着光纤通信的迅猛发展，光纤熔接机的使用变得越来越广泛。光纤熔接机是实现光纤低损耗接续的必备工具，是光学、机械、电气、计算机等技术相结合的高精密设备。在光纤熔接机的实际应用中，一般是将直径为0.125mm的两根裸光纤相熔接，需要通过光纤成像系统将光纤放大，经计算机进行信息处理，控制相关工作机构将两侧裸光纤对准，再控制高压电弧将光纤熔融并接续在一起。而光纤成像系统是光纤熔接机的眼睛，在整个接续过程中起到至关重要的作用。由于光纤熔接机图像处理涉及到光纤光学，电子技术及图像处理等多领域交叉，在进行图像处理时，必须将处理步骤，光纤特性和处理平台的实际条件紧密结合。

目前由日新、藤仓、住友等国际公司研发的新概念熔接机在对接精度，熔接时间与效果方面优势明显，处于市场的领先地位，但价格昂贵；而国产熔接机光纤纤芯对准精度低、光纤熔接效果不稳定且熔接速度较慢。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，解决了现有技术中国产光纤熔接机的光纤纤芯对准精度低、成像质量差、熔接损耗大、熔接速度慢、熔接效果不稳定的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，裸光纤安装在光纤V型槽上，光源为LED的单色光，光角度缩小到50度以内，光源透过准直透镜、通过反光镜照射至熔接区的裸光纤；显微成像系统包括光学镜头，光学镜头安装在对应的光纤压板水平推进座上，光纤压板水平推进座底部安装COMS板，光学镜头与COMS板的芯片中心同轴，在COMS板与光学镜头之间设有一个放大10倍的显微镜；在熔接区的裸光纤所在平面内设有相互垂直的X轴和Y轴，两个所述显微成像系统用于监测X轴和Y轴两个方向；两个显微成像系统的COMS板分别与计算机连接，计算机分别与步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ连接，步进电机Ⅰ与光纤压板水平推进座连接，用于将放电针通过光学镜头成像的图像位置微调至COMS板的芯片中心；步进电机Ⅱ与光纤V型槽的垂直调整机构连接，用于控制裸光纤沿垂直于光学镜头光轴的方向调节，将裸光纤的对准中心通过光学镜头成像的图像位置调至COMS板的芯片中心。

本发明的特征还在于，进一步的，所述光学镜头的指标：标准工作物体距离10.5mm，相距23.4mm，共轭距52mm，采用1/6寸幅面的CMOS图像传感器，CMOS图像传感器的型号为BYD3710，像元大小1.4μm×1.4μm；光学镜头放大倍率4.3±0.2％倍，光学镜头的数值孔径0.3；光学镜头分辨率或解像能力为50对线每毫米。

进一步的，所述光学镜头与光纤压板水平推进座外壁通过4个顶丝连接，4个顶丝沿光纤压板水平推进座外壁的一周均匀分布，通过4个顶丝对光学镜头做平行于COMS板的4个方向的微调，调节光学镜头与COMS板芯片中心的同轴度。

进一步的，所述COMS板上设有同轴度校正仪。

进一步的，所述LED采用的型号为XZM2ACR55W-3。

进一步的，所述步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ采用的型号均为MS1551GB。

进一步的，所述步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动量控制方法：由核心控制芯片CPU下发模糊驱动命令，同时不断通过限位检测模块实时采集步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动位置，并以步进电机Ⅰ的运动位置作为光纤压板水平推进座模糊运动的终止位置，以步进电机Ⅱ的运动位置作为光纤V型槽的垂直调整机构模糊运动的终止位置；利用二次元分析法和逐次逼近法，由核心控制芯片CPU通过串行通信总线模块下发伺服电机精细运动命令，依据限位检测模块实时采集步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动位置和通过光学镜头成像的图像位移量计算下一步步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的精确运动量。

本发明的有益效果是：本发明针对国产光纤熔接机，提供一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，该光学成像系统包括可识别纤芯的纤芯探测对准系统和高清晰度显微成像系统；纤芯探测对准系统通过精确控制步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ，使得放电针的成像在COMS板的芯片上的位置与裸光纤的对准中心的成像在COMS板的芯片上的位置重合，保证放电针、裸光纤的对准中心、光学镜头的光轴三点一线，实现了光纤纤芯对准，极大的提高了光纤熔接的对准精度；高清晰度显微成像系统选择LED的单色光作为光源，光学镜头的光轴与COMS板的芯片中心同轴度高，在COMS板与光学镜头之间设有一个放大10倍的显微镜，获得实际成像尺寸大，细节更丰富的图像信息，极大的提高了光纤熔接的成像质量；本发明通过提高光纤熔接的对准精度、成像质量，有效提高了熔接效果，降低了熔接损耗。

此外，本发明能精确控制步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ，快速使得放电针的成像在COMS板的芯片上的位置与裸光纤的对准中心的成像在COMS板的芯片上的位置重合，保证放电针、裸光纤的对准中心、光学镜头的光轴三点一线，避免了因光纤熔接机的结构误差导致的放电针与裸光纤对准中心的位置不准确，简化了熔接机装配调节流程，提高了熔接速度，有效的降低了光纤熔接机的熔接损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是光纤成像的结构示意图。

图2是本发明纤芯对准的光学成像系统的结构示意图。

图3是LED光源照明结构示意图。

图4是LED光源的光角度曲线。

图5是光纤图像的系统弥散斑图。

图6是本发明获得的光纤图像的MTF效果图。

图7是本发明获得的光纤图像的波段范围内的焦点漂移图。

图中，1.光源，2.裸光纤，3.显微镜，4.背紧圈，5.摄像头座，6.CMOS板，7.反光镜，8.光学镜头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

设计原理：目前市面上不同的熔接机光学系统均基于以下三种最重要的技术：本地光注入和探测系统、纤芯探测系统和侧向投影对准系统。不同于其它两个系统，纤芯探测系统通过对熔接区光纤图像进行采集分析获得三维纤芯高精度位置的评估信息，从而保证获得最低的熔接损耗。裸光纤的纤芯与包层材质不同，折射率不同，从侧面射入光纤的平行光透过光纤后的空间分布将会发生变化，而这种分布随着光纤的位置的变化而变化，根据检测到出射光的能量分布情况确定光纤纤芯的准确位置。

裸光纤的直径为0.125mm，作为传输信号的纤芯，其直径小于0.01mm，如果使用光学镜头将裸光纤直接成像到COMS板上，其在COMS板上的成像尺寸太小，所占像素很少，纤芯所占像素更少，图像的细节相对较少，给后期计算机对图像识别及处理带来很大难度，要实现两侧光纤对准是非常困难的。如图1所示，在裸光纤2与COMS板6之间增加一个放大10倍的显微镜3，显微镜3起到对图像进行光学放大的作用，显微镜3通过背紧圈4固定在摄像头座5上，COMS板6与摄像头座5固定连接，光源1发出的光照射到裸光纤2上，通过显微镜3将图像放大投影到COMS板6上，这样裸光纤2的实际成像尺寸将增大，细节更丰富。

光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，如图2所示，裸光纤2安装在光纤V型槽上，光源1透过准直透镜、通过反光镜7照射熔接区的裸光纤2；显微成像系统包括光学镜头8，光学镜头8安装在对应的光纤压板水平推进座上，光纤压板水平推进座底部安装COMS板6，光学镜头8与COMS板6的芯片中心同轴，在COMS板6与光学镜头8之间设有一个放大10倍的显微镜；在熔接区的裸光纤2所在平面内设有相互垂直的X轴和Y轴，两个所述显微成像系统用于监测X轴和Y轴两个方向；两个显微成像系统的COMS板6分别与计算机连接，计算机分别与步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ连接，步进电机Ⅰ与光纤压板水平推进座连接，用于将放电针通过光学镜头8成像的图像位置微调至COMS板6的芯片中心；步进电机Ⅱ与光纤V型槽的垂直调整机构连接，用于控制裸光纤2沿垂直于光学镜头8光轴的方向调节，将裸光纤2的对准中心通过光学镜头8成像的图像位置调至COMS板6的芯片中心。

光源1选择SUNLED厂家的XZM2ACR55W-3型号带黄色透镜的LED，如图3，光源1照射裸光纤2；光源1为单色红光，光角度缩小到50度以内，光源1的光角度曲线，如图4所示，光源1边缘杂光减小、功率较小、图像底色灰暗，有利于显示和提高分辨率；再通过准直透镜均匀照度，使得光源1照射在裸光纤2的纤芯、包层上的照度均匀，且光源1分别照射在纤芯和包层的照度值不同，有利于光纤成像和软件识别对准。

光学镜头8与光纤压板水平推进座外壁通过4个顶丝连接，4个顶丝沿光纤压板水平推进座外壁的一周均匀分布，光纤压板水平推进座底部安装有COMS板6，通过4个顶丝对光学镜头8做平行于COMS板6的4个方向的微调，通过型号为PXI-500型带有平行光管的同轴度校正仪校准光学镜头8与COMS板6的芯片中心同轴，保证光学镜头8中心与COMS板6的芯片中心同轴度的精度；光学镜头8的指标：标准工作物体距离10.5mm，相距23.4mm，共轭距52mm，采用1/6寸幅面的CMOS图像传感器，CMOS图像传感器的型号为BYD3710，具有高分辨率芯片，像元大小1.4μm×1.4μm；光学镜头8放大倍率4.3±0.2％倍，光学镜头8的数值孔径0.3；光学镜头8分辨率或解像能力为50对线每毫米，即50个对线分布在1mm宽度上，且该光学镜头8重量轻、体积小，有利于整体仪器的小型化。COMS图像传感器与摄像头座5固定连接，改进了现有辅助照明系统和光学成像系统，使得熔接机输出图像显示具有高对比度和分辨率，提高光纤熔接的成像质量，提高计算机识别和对准的准确性，从而有效的降低光纤对准误差，使得熔接机的对准损耗显著一个数量级，达到0.2mm以内。

步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的型号均为MS1551GB，为日本原装进口，该型号的步进电机自身带有50:1的减速比，采用该型号的步进电机的效果主要表现在：第一其在800～900KHz的PWM脉冲信号的控制下其扭矩可以达到3牛米，能够完全满足系统聚焦成像的机械结构传动要求；第二由于步进电机自身带有50:1的减速比，配合力矩传递0.3mm的细齿齿轮，能够实现0.2mm/50圈高进度推进要求；第三因为本发明高进度和高可靠性要求，要求在非通电工作状态下，步进电机必须要进行锁止功能，否则因为振动等外界条件导致成像系统不稳定；第四该型号的步进电机采用全铝合金外壳设计，重量轻，只有25.4克。

步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动量控制方法：由核心控制芯片CPU下发模糊驱动命令，同时不断通过限位检测模块实时采集步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动位置，并以步进电机Ⅰ的运动位置作为推进底座模糊运动的终止位置，以步进电机Ⅱ的运动位置作为光纤支撑台模糊运动的终止位置；利用二次元分析法和逐次逼近法，由核心控制芯片CPU通过串行通信总线模块下发伺服电机精细运动命令，依据限位检测模块实时采集步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动位置和通过光学镜头8成像的图像位移量计算下一步步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的精确运动量。提高步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的控制精度，进而进一步提高光纤熔接的对准精度；

本发明光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统的实现方法：裸光纤2安装在光纤V型槽上，光源1通过反光镜7照射熔接区的裸光纤2，两个显微成像系统监测X轴和Y轴两个方向，是为了保证成像系统在X轴和Y轴两个方向上实现精确的裸光纤对准，以便使光纤能实现精确的熔接，同时熔接完成的成像效果也能同时实现单轴和双轴成像和显示，以验证裸光纤的熔接结果是否达到本次施工要求；两个显微成像系统的COMS板6分别与计算机连接，计算机对所得图像信息进行处理、分析，计算机分别与步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ连接，步进电机Ⅰ与光纤压板水平推进座连接，计算机利用步进电机Ⅰ移动推进水平光纤压板推进座，将放电针通过光学镜头8成像的图像位置微调至COMS板6的芯片中心后，COMS板6、放电针均保持不动；步进电机Ⅱ与光纤V型槽垂直调整机构连接，计算机利用步进电机Ⅱ控制裸光纤2沿垂直于光学镜头8光轴的方向调节，保证裸光纤2的对准中心通过光学镜头8成像的图像位置位于COMS板6的芯片中心，使得放电针、裸光纤2的对准中心分别在COMS板6的芯片上成像的位置重合，保证放电针、裸光纤2的对准中心、光学镜头8的光轴三点一线，实现了光纤纤芯对准，极大的提高了光纤熔接的对准精度；至此，光纤熔接机纤芯对准完成。

纤芯对准完成后，关闭步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ，将光纤压板水平推进座、光纤V型槽垂直调整机构固定在同一基准面上的镁合金基板上，同一基准面上的镁合金基板用来固定光纤水平推进座运动，光纤V型槽垂直调整机构的基板总成，保证水平和垂直调整机构的运动在同一基准面上；运动放电针放电，准确熔接裸光纤2的对准中心，并在COMS板6上实时获得高质量的光纤熔接区图像，计算机对所得光纤熔接区图像信息进行分析，能够得到反映光纤熔接端三维形态的评估指标。

利用本发明得到的光纤熔接区图像，如图6所示，光学评价函数曲线图MTF在50LP/MM时所有视场的MTF值接近衍射极限，说明该光学系统像差小；如图7所示，该光学系统相对照度的曲线比较平缓，照度均匀；如图5所示，在理想状态IMA(数值孔径)为0的情况下，聚焦能量密度最为集中，当IMA为0.156mm时，聚焦能量密度较为集中，而IMA大于0.156mm(如IMA0.313mm)时，成像系统基本失败，而本发明设计的成像系统的IMA仅为0.125mm，小于0.156mm，也即为一个光纤的纤芯宽度，为此成像系统成像能量非常集中，成像质量非常好，接近理想成像效果。经过反复计算和优化，得到符合要求的设计结果。

由于加工误差的客观存在，要保证每台光纤熔接机中裸光纤2与光学镜头8的空间相对位置一致是非常困难的，而要保证装配后的位置一致几乎是不可能的，每台光纤熔接机中裸光纤2的位置各不相同，为了达到最佳的成像效果，虽然成像系统位置不可调整，但是通过步进电机I和步进电机II能够控制裸光纤2沿垂直于光学显微镜光轴的方向由软件控制进行自动聚焦和成像系统微调节以提高成像系统的结构适应性，从而达到提高产品一致性和稳定性目的。

此外，本发明研究了新的图像处理方法，计算机处理图像的方法：优化CMOS图像传感器的图像采集，对图像进行锐化处理，优化图像对比度和白平衡，图像暂存内存管理由原来单口RAM优化为双口乒乓RAM，极大提升光学成像系统的成像效果和稳定性；另外对光功率探测对准法进行了实验探究，以达到提高国产光纤熔接机的光纤对准精度、成像质量，减小熔接损耗，扩大产品在国内国外市场占有率的目的。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，其特征在于，裸光纤(2)安装在光纤V型槽上，光源(1)为LED的单色光，光角度缩小到50度以内，光源(1)透过准直透镜、通过反光镜(7)照射至熔接区的裸光纤(2)；显微成像系统包括光学镜头(8)，光学镜头(8)安装在对应的光纤压板水平推进座上，光纤压板水平推进座底部安装COMS板(6)，光学镜头(8)与COMS板(6)的芯片中心同轴，在COMS板(6)与光学镜头(8)之间设有一个放大10倍的显微镜；在熔接区的裸光纤(2)所在平面内设有相互垂直的X轴和Y轴，两个所述显微成像系统用于监测X轴和Y轴两个方向；两个显微成像系统的COMS板(6)分别与计算机连接，计算机分别与步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ连接，步进电机Ⅰ与光纤压板水平推进座连接，用于将放电针通过光学镜头(8)成像的图像位置微调至COMS板(6)的芯片中心；步进电机Ⅱ与光纤V型槽的垂直调整机构连接，用于控制裸光纤(2)沿垂直于光学镜头(8)光轴的方向调节，将裸光纤(2)的对准中心通过光学镜头(8)成像的图像位置调至COMS板(6)的芯片中心。

2.根据权利要求1所述的一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，其特征在于，所述光学镜头(8)的指标：标准工作物体距离10.5mm，相距23.4mm，共轭距52mm，采用1/6寸幅面的CMOS图像传感器，CMOS图像传感器的型号为BYD3710，像元大小1.4μm×1.4μm；光学镜头(8)放大倍率4.3±0.2％倍，光学镜头(8)的数值孔径0.3；光学镜头(8)分辨率或解像能力为50对线每毫米。

3.根据权利要求1所述的一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，其特征在于，所述光学镜头(8)与光纤压板水平推进座外壁通过4个顶丝连接，4个顶丝沿光纤压板水平推进座外壁的一周均匀分布，通过4个顶丝对光学镜头(8)做平行于COMS板(6)的4个方向的微调，调节光学镜头(8)与COMS板(6)芯片中心的同轴度。

4.根据权利要求1所述的一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，其特征在于，所述COMS板(6)上设有同轴度校正仪。

5.根据权利要求1所述的一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，其特征在于，所述LED采用的型号为XZM2ACR55W-3。

6.根据权利要求1所述的一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，其特征在于，所述步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ采用的型号均为MS1551GB。

7.根据权利要求1所述的一种光纤熔接机纤芯识别光学及成像系统，其特征在于，所述步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动量控制方法：由核心控制芯片CPU下发模糊驱动命令，同时不断通过限位检测模块实时采集步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动位置，并以步进电机Ⅰ的运动位置作为光纤压板水平推进座模糊运动的终止位置，以步进电机Ⅱ的运动位置作为光纤V型槽的垂直调整机构模糊运动的终止位置；利用二次元分析法和逐次逼近法，由核心控制芯片CPU通过串行通信总线模块下发伺服电机精细运动命令，依据限位检测模块实时采集步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的运动位置和通过光学镜头(8)成像的图像位移量计算下一步步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的精确运动量。