CN109163884A - 一种光纤参数测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤技术领域，公开了一种光纤参数测量系统及方法，将待测光纤固定在光纤夹具中，将光纤夹具固定在二维电动角位台上，将相机固定在三维电动平移台上；采用激光光源产生激光，激光通过待测光纤后，照射到相机的面阵传感器上形成光斑，相机将实时采集的光斑图像信息传输至上位机；光纤准直控制器和上位机协同控制二维电动角位台、三维电动平移台的移动，使待测光纤的出射光束与相机的面阵传感器相互垂直；上位机根据准直后的光斑图像信息计算获得光纤参数。本发明能够实现对单模光纤的参数进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤参数测量系统及方法。
背景技术
光纤不仅促进了通信与信息化的发展，在科学、工业和医学等方面也具有广泛应用。而单模光纤因其在远距离传输上具有的优势，应用场景也越来越多。如在医用方面，应用于高级手术显微镜照明系统，就是利用了光纤的一些特性设计出来的。在进行耳鼻喉或狭窄的腹腔部位手术时，普通照明无法满足手术照明需求，一般采用的照明方式是同轴照明和倾斜照明，是根据光纤的发散角和偏轴度计算其倾斜照明的角度，分别利用平面光纤和楔形光纤实现特殊灯光光源。光纤质量参数的准确测量对光纤加工和生产具有重要意义，是判断光纤是否合格的依据。因此，在大量生产这类光纤的工厂，就需要快速准确地测量其发散角、偏轴度等光纤质量参数。
在实际使用中，有不少机构在研制光束分析系统，但是现有产品普遍存在功能单一、实用性低、结构复杂和测量精度差等问题，而且，这些光束分析仪研究的对象并非是针对光纤，而是针对激光器。因此，针对现有技术中的不足，有必要提供一种针对光纤参数测量系统及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤参数测量系统及方法，实现对单模光纤的参数进行测量。
本申请实施例提供一种光纤参数测量系统，包括：激光光源、光纤夹具、相机、二维电动角位台、三维电动平移台、上位机、光纤准直控制器；
所述激光光源用于产生激光；所述光纤夹具用于固定待测光纤，所述光纤夹具固定在所述二维电动角位台上，所述二维电动角位台用于调节所述光纤夹具在X轴方向、Y轴方向的位置；
所述相机用于采集光斑图像信息，并将光斑图像信息传输至所述上位机；所述相机固定在所述三维电动平移台上，所述三维电动平移台用于调节所述相机在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的位置；
所述上位机和所述光纤准直控制器连接，所述光纤准直控制器分别与所述二维电动角位台、所述三维电动平移台连接；所述光纤准直控制器用于协同所述上位机，对所述二维电动角位台、所述三维电动平移台的调节进行控制；所述上位机用于显示光斑图像信息，并根据光斑图像信息计算获得光纤参数。
优选的，所述光纤夹具设置有凹槽，所述凹槽用于放置所述待测光纤。
优选的，所述激光光源的响应波长为400nm～1100nm。
优选的，所述相机采集的光斑图像信息通过USB或网线传送至所述上位机。
另一方面，本申请实施例提供一种光纤参数测量方法，包括以下步骤：
将待测光纤固定在光纤夹具中，将所述光纤夹具固定在二维电动角位台上，将相机固定在三维电动平移台上；
采用激光光源产生激光，所述激光通过所述待测光纤后，照射到所述相机的面阵传感器上形成光斑，所述相机将实时采集的光斑图像信息传输至上位机；
所述光纤准直控制器和所述上位机协同控制所述二维电动角位台、所述三维电动平移台的移动，使所述待测光纤的出射光束与所述相机的面阵传感器相互垂直；
所述上位机根据准直后的光斑图像信息计算获得光纤参数。
优选的，所述光纤夹具设置有凹槽，所述待测光纤的输出端放置在所述光纤夹具的所述凹槽中。
优选的，所述光纤准直控制器和所述上位机协同控制所述二维电动角位台、所述三维电动平移台的移动，使所述待测光纤的出射光束与所述相机的面阵传感器相互垂直包括以下步骤：
所述上位机接收到光斑图像信息后，根据光斑轮廓获取算法得到光斑轮廓，根据中心定位算法得到当前的光斑中心数据，并判断当前的光斑是否位于所述相机的中心限定区域内；若不在中心限定区域内，则协同所述光纤准直控制器调节所述三维电动平移台，将光斑移动到中心限定区域内；
光斑位于中心限定区域后，通过控制所述三维电动平移台的前后移动来调整所述待测光纤与所述相机间的距离，通过相机采集不同距离的光斑图像信息并传输至所述上位机，通过所述上位机对光斑中心坐标的变化量进行判断；若光斑中心坐标的变化量在阈值范围内，则认为所述待测光纤的出射光束与所述相机的面阵传感器相互垂直；若光斑中心坐标的变化量在阈值范围外，则所述上位机协同所述光纤准直控制器调节所述二维电动角位台，直至光斑中心坐标的变化量收敛到阈值范围内。
优选的，所述根据光斑轮廓获取算法得到光斑轮廓之前，还包括：所述上位机对光斑图像信息进行预处理，所述预处理包括图像灰度变换、背景噪声去除、图像平滑处理、图像阈值分割。
优选的，所述相机采集的光斑图像信息通过USB或网线传送至所述上位机。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，通过激光光源产生稳定的激光，将待测光纤固定在光纤夹具中，激光通过待测光纤后，照射到相机的面阵传感器上形成光斑，相机将采集的光斑图像信息传送到上位机，上位机根据光斑图像信息进行光斑轮廓提取，定位光斑中心；待测光纤的光束出射端通过光纤夹具固定在二维电动角位台上，相机固定在三维电动平移台上，二维电动角位台和三维电动平移台形成一个五维准直调节装置，光纤准直控制器和上位机协同控制五维准直调节装置，以确保待测光纤的出射光束与相机的面阵传感器相互垂直；待测光纤达到准直状态后，通过上位机计算光纤的相关参数，并显示光纤的发散角、偏轴度等数据。本发明基于光斑图像对单模光纤的发散角和偏轴度进行测量，采用了全自动化的准直调节，与人工调节相比，本发明能够提高测试精度和测量速度，能够减小主观误差。此外，本发明还具有操作简易、成本低廉的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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为本发明实施例提供的一种光纤参数测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤参数测量方法中光纤光束成像的示意图；
图3为光纤光束发散角的示意图；
图4为楔形光纤偏轴度的示意图；
图5为楔形光纤发散角的示意图。
其中，1-激光光源、2-待测光纤、3-光纤夹具、4-相机、5-二维电动角位台、6-三维电动平移台、7-上位机、8-光纤准直控制器。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种光纤参数测量系统，如图1所示，包括激光光源1、光纤夹具3、相机4、二维电动角位台5、三维电动平移台6、上位机7、光纤准直控制器8。
其中，所述激光光源1用于产生激光，采用的响应波长为400nm～1100nm。
所述光纤夹具3用于固定待测光纤2，具体的，所述光纤夹具3中设置有一个可以放置所述待测光纤2的凹槽，所述光纤夹具3打开后即可将所述待测光纤2的输出端放置于所述光纤夹具3中。所述光纤夹具3固定在所述二维电动角位台5上，所述二维电动角位台5用于调节所述光纤夹具3在X轴方向、Y轴方向的位置，从而调节所述待测光纤的方向。
所述相机4用于采集光斑图像信息，并将光斑图像信息传输至所述上位机7；具体的，所述相机4采集的光斑图像信息通过USB或网线传送至所述上位机7。所述相机4固定在所述三维电动平移台6上，所述三维电动平移台6用于调节所述相机4在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的位置。
所述光纤夹具3与所述相机4在同一水平面上。激光通过所述待测光纤2后照射到所述相机4的面阵传感器上形成光斑，如图2所示。
所述上位机7和所述光纤准直控制器8连接，所述光纤准直控制器8分别与所述二维电动角位台5、所述三维电动平移台6连接；所述光纤准直控制器8用于协同所述上位机7，对所述二维电动角位台5、所述三维电动平移台6的调节进行控制。即所述二维电动角位台5和所述三维电动平移台6构成一个五维准直调节装置，通过所述光纤准直控制器8和所述上位机7的协同控制，确保所述待测光纤2的出射光束垂直于所述相机4的面阵传感器。
所述上位机7用于显示光斑图像信息，并根据光斑图像信息计算获得光纤参数。
测量中，通过所述激光光源1产生稳定的激光，激光通过所述待测光纤2后，照射到所述相机4的面阵传感器上形成光斑，所述相机4将采集的光斑图像信息传送至所述上位机7，所述上位机7对光斑图像信息进行一系列预处理(例如图像灰度变换、背景噪声去除、图像平滑处理、图像阈值分割)后，使用光斑轮廓获取算法得到光斑轮廓，使用中心定位算法定位光斑中心，计算光纤的相关参数，通过上位机数据显示窗口显示最终光纤发散角和偏轴度。
计算光纤的相关参数前，需要对光纤进行准直。由于所述待测光纤2的光束出射端由所述光纤夹具3固定在所述二维电动角位台5上，所述相机4固定在所述三维电动平移台6上，所述二维电动角位台5和所述三维电动平移台6形成一个五维准直调节装置，所述上位机7调用准直控制程序，通过所述光纤准直控制器8控制五维准直调节装置的转动或移动，进而控制所述待测光纤2的位置，保证所述待测光纤2的出射光束与所述相机4的面阵传感器相互垂直。
具体的，所述相机4将实时采集的光斑图像数据传送到所述上位机7，所述上位机7对数据进行一系列预处理后，使用光斑轮廓获取算法得到光斑轮廓，主要用到基于形态学的边缘检测和基于微分处理的边缘检测，使用中心定位算法定位光斑中心，将得到的光斑图像显示到光斑实时显示窗口。所述上位机7根据中心定位算法得到当前光斑中心数据，然后判断光斑是否位于所述相机4的中心限定区域内，若不在该限定区域内，则通过微调所述三维电动平移台6将光斑调整到所述相机4的中心限定区域；然后通过调整所述三维电动平移台6前后移动所述相机4，调整所述待测光纤2与所述相机4间的距离，采集不同距离的光斑图像，若光斑中心坐标变化量在阈值范围内，认为此时所述待测光纤2的出射光束与所述相机4相互垂直；若光斑中心坐标的变化量在阈值范围外，所述上位机7通过准直策略确定所述二维电动角位台5需要调整的参数(包括横滚角和俯仰角即θX和θY)值，然后通过所述光纤准直控制器8驱动所述二维电动角位台5进行调整，循环该步骤直至光斑中心坐标的变化量收敛到阈值范围内。所述待测光纤2达到准直状态后，所述上位机7根据光斑图像信息计算出光斑半径、发散角和偏轴度等参数，在结果数据窗口显示所述待测光纤2的发散角及偏轴度等数据。
图3为光纤光束发散角示意图，其中，θ表示光纤光束的远场发散角，ω0表示光纤光束的束腰半径。本发明适用于单模光纤发散角的测量，激光通过待测光纤后，单模光纤的出射光束与高斯光束的光场分布相似，可以近似看成高斯分布。
由于楔形光纤与平面光纤不同，楔形光纤一般是在光纤的端部制作一个微透镜，从而提高光纤受光面积，增大光纤接受光源功率或者使光纤输出光功率更加有效的汇聚光探测器的光敏面上。对于楔形光纤，其光纤端口出射的激光光束横截面光斑是椭圆形的，其光斑形状关于主轴对称。用于实验的楔形光纤是在光纤的端面研磨成楔形，后经过特殊的加工手段在其尖端加工出光学微柱透镜而形成，微透镜与光纤主轴形成一定的夹角，这个夹角叫做楔形光纤的偏轴度，因此对楔形光纤的质量参数检测除了需要检测光纤出射光束的光斑中心、光斑束宽与光束的发散角之外，还需要检测光纤的偏轴角度。图4为楔形光纤偏轴度的示意图，θ1表示偏轴度，图5为楔形光纤发散角的示意图，θ表示发散角。
本发明采用上述光纤参数测量系统及方法进行了实验，实验数据表明，采用本发明提供的光纤测量系统及方法测得的光纤发散角和偏轴度的测量精度可以达到±2％。
综上，本发明实施例提供的一种光纤参数测量系统及方法至少包括如下技术效果：
(1)本发明是基于光斑图像对单模光纤发散角和偏轴度进行测量，测量精度相对于机械式测量仪器有了很大提高。目前较为成熟的光束分析仪(只能用于激光光束的测量)精度是±3％，本发明测得的光纤发散角和偏轴度的测量精度可以达到±2％。
(2)本发明操作简易、结果准确客观、成本低廉，采用了全自动化的准直调节，与人工调节相比，本发明提高测试精度和测量速度，可以减小主观误差。目前国内研制的光束测量仪器功能不够完善、自动化程度较低，很多还存在实验阶段并不能产品化，本发明的实用性更强。相对于国外同一测量精度的光束测量仪，本发明生产成本较低。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种光纤参数测量系统，其特征在于，包括：激光光源、光纤夹具、相机、二维电动角位台、三维电动平移台、上位机、光纤准直控制器；
所述激光光源用于产生激光；所述光纤夹具用于固定待测光纤，所述光纤夹具固定在所述二维电动角位台上，所述二维电动角位台用于调节所述光纤夹具在X轴方向、Y轴方向的位置；
所述相机用于采集光斑图像信息，并将光斑图像信息传输至所述上位机；所述相机固定在所述三维电动平移台上，所述三维电动平移台用于调节所述相机在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的位置；
所述上位机和所述光纤准直控制器连接，所述光纤准直控制器分别与所述二维电动角位台、所述三维电动平移台连接；所述光纤准直控制器用于协同所述上位机，对所述二维电动角位台、所述三维电动平移台的调节进行控制；所述上位机用于显示光斑图像信息，并根据光斑图像信息计算获得光纤参数。
2.根据权利要求1所述的光纤参数测量系统，其特征在于，所述光纤夹具设置有凹槽，所述凹槽用于放置所述待测光纤。
3.根据权利要求1所述的光纤参数测量系统，其特征在于，所述激光光源的响应波长为400nm～1100nm。
4.根据权利要求1所述的光纤参数测量系统，其特征在于，所述相机采集的光斑图像信息通过USB或网线传送至所述上位机。
5.一种光纤参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待测光纤固定在光纤夹具中，将所述光纤夹具固定在二维电动角位台上，将相机固定在三维电动平移台上；
采用激光光源产生激光，所述激光通过所述待测光纤后，照射到所述相机的面阵传感器上形成光斑，所述相机将实时采集的光斑图像信息传输至上位机；
所述光纤准直控制器和所述上位机协同控制所述二维电动角位台、所述三维电动平移台的移动，使所述待测光纤的出射光束与所述相机的面阵传感器相互垂直；
所述上位机根据准直后的光斑图像信息计算获得光纤参数。
6.根据权利要求5所述的光纤参数测量方法，其特征在于，所述光纤夹具设置有凹槽，所述待测光纤的输出端放置在所述光纤夹具的所述凹槽中。
7.根据权利要求5所述的光纤参数测量方法，其特征在于，所述光纤准直控制器和所述上位机协同控制所述二维电动角位台、所述三维电动平移台的移动，使所述待测光纤的出射光束与所述相机的面阵传感器相互垂直包括以下步骤：
所述上位机接收到光斑图像信息后，根据光斑轮廓获取算法得到光斑轮廓，根据中心定位算法得到当前的光斑中心数据，并判断当前的光斑是否位于所述相机的中心限定区域内；若不在中心限定区域内，则协同所述光纤准直控制器调节所述三维电动平移台，将光斑移动到中心限定区域内；
光斑位于中心限定区域后，通过控制所述三维电动平移台的前后移动来调整所述待测光纤与所述相机间的距离，通过相机采集不同距离的光斑图像信息并传输至所述上位机，通过所述上位机对光斑中心坐标的变化量进行判断；若光斑中心坐标的变化量在阈值范围内，则认为所述待测光纤的出射光束与所述相机的面阵传感器相互垂直；若光斑中心坐标的变化量在阈值范围外，则所述上位机协同所述光纤准直控制器调节所述二维电动角位台，直至光斑中心坐标的变化量收敛到阈值范围内。
8.根据权利要求7所述的光纤参数测量方法，其特征在于，所述根据光斑轮廓获取算法得到光斑轮廓之前，还包括：所述上位机对光斑图像信息进行预处理，所述预处理包括图像灰度变换、背景噪声去除、图像平滑处理、图像阈值分割。
9.根据权利要求5所述的光纤参数测量方法，其特征在于，所述相机采集的光斑图像信息通过USB或网线传送至所述上位机。
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