CN111156911A

CN111156911A - 一种光纤涂覆层直径测量系统和测试方法

Info

Publication number: CN111156911A
Application number: CN201910740246.5A
Authority: CN
Inventors: 茅昕; 王治; 梅科学; 于竞雄; 胡远朋; 舒健; 欧阳琛; 张立岩
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明公开了一种光纤涂覆层直径测量系统和测试方法，包括照明系统、成像系统、图像分析系统，使用两组成像系统，且这两组成像系统按正交位置安装，照明系统由光源、会聚透镜、棱镜、准直镜依次构成，成像系统包括成像透镜组、CCD或CMOS相机。本发明中，通过一系列光学器件的组合，将照明光线约束在一个极小的范围内，并通过按一定顺序点亮照明光源，使得每次只照亮被测光纤的一侧，最大程度地减少了杂散光对系统的影响，提高了系统测试准确度。通过正交的成像系统，使得一次测量完成后可以得出光纤两个垂直方向上的涂覆层直径，缩短了总测试时间，有助于提高生产测试效率。

Description

一种光纤涂覆层直径测量系统和测试方法

技术领域

本发明属于光纤涂覆层直径测量设备技术领域，尤其涉及一种光纤涂覆层直径测量系统和测试方法。

背景技术

光纤的涂覆层是光纤的最外层结构，其作用保护光纤表面不受潮湿气体和外力擦伤，赋予光纤提高抗微弯性能，降低光纤的微弯附加损耗功能。现在通用的是双层涂覆结构，通常包括：一层柔软的内层涂覆，作用是通过钝化玻璃表面的方式提高强度，并对光纤的微弯提供缓冲；以及处于外层的较硬的涂覆层，其作用是提高耐磨性并提供具有良好操作特性的光滑表面。当光纤涂覆层的材料确定后，生产工艺控制就需要对光纤的两层涂覆的直径进行检测，并在直径检测数据的基础上，推算涂覆层厚度、不圆度、厚度比等指标。如何区分两层涂覆层的边界，对外径只有不到250um的圆柱状物体进行准确进行测试，并达到至少1um的测试准确度，使得光纤涂覆层直径测量设备的设计和实现具有一定的技术难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种光纤涂覆层直径测量系统和测试方法，通过光学器件的组合精确控制照明光场，并通过单侧照明提高成像对比度，缩短检测时间。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种光纤涂覆层直径测量系统，包括照明系统、成像系统、图像分析系统，使用两组成像系统，且这两组成像系统按正交位置安装。

按上述技术方案，所述照明系统共三组，每组均由光源、会聚透镜、棱镜、准直镜依次构成。

按上述技术方案，所述成像系统包括成像透镜组、CCD或CMOS相机。

按上述技术方案，成像系统一和成像系统二的轴线之间夹角为90°，照明系统一、照明系统二的位置以成像系统一的中轴线成轴对称；照明系统二、照明系统三的位置以成像系统二的中轴线成轴对称。

按上述技术方案，所述图像分析系统用于处理成像系统接收到的信号，并通过算法找到图像中的边界。

按上述技术方案，所述图像分析系统控制照明系统一、照明系统二、照明系统三的启动顺序。

本发明还提供一种光纤涂覆层直径测试方法，该方法包括以下步骤，步骤一，设置成像系统一和成像系统二的轴线之间夹角为90°，照明系统一、照明系统二的位置以成像系统一的中轴线成轴对称；照明系统二、照明系统三的位置以成像系统二的中轴线成轴对称；步骤二，启动照明系统一，在成像系统一中得到光纤X轴负方向一侧的图像；步骤三，启动照明系统二，在成像系统一中得到光纤X轴正方向一侧的图像，在成像系统二中得到光纤Y轴正方向一侧的图像；步骤四，启动照明系统三，在成像系统二中得到光纤Y轴负方向一侧的图像；步骤五，图像分析系统将成像系统一和成像系统二上各两次采集的数据进行拼接，得到光纤X轴和Y方向的剖面直径数据；步骤六，光纤夹持装置带动光纤旋转一个角度，重复步骤二至步骤五。

按上述技术方案，成像系统包括成像透镜组、CCD或CMOS相机。

在对光纤涂覆层直径测量过程中，数值的准确性依赖于从图像中获取的边界的准确性。如果图像中与涂覆层边界相关的线条与背景光的对比度越高，则这个边界的位置就越容易被准确识别出来。在本系统中，与涂覆层边界相关的特征光线是通过照明光在折射率不同的几个介质之间的折射形成，理想情况下如果只有折射光进入成像系统，背景光为零，此时的系统对比度可以取得极大值。而实际中，由于散射和折射的并存，以及照明系统不可能产生完美的平行光束，因此对背景光影响最大的是通过照明系统进入成像系统的杂散光。

通过一定的距离和角度布置照明光源的位置，使得每个照明系统工作时，仅从光纤的一个侧面产生照明效果，这样可以减少杂散光的强度。通过控制照明系统的工作顺序，使得相邻两个照明系统工作时，可以顺序对光纤同一方向的两个侧面进行照明。在图像处理系统中对这两次的图像进行拼接之后，即可得到相应的涂覆层直径数据。

使用两组成像系统，且将这两组成像系统按正交位置安装，如果仅测量光纤一个方向的直径信息，是无法进一步计算不圆度、厚度比等指标的，因此需要从光纤的多个方向进行测量。一般测试中采用的方法是旋转光纤的夹持装置。如果每次光纤旋转的角度为15°，需要旋转6次才能得到一次光纤两个垂直方向直径的测量。

在本发明中，与顺序点亮照明系统配合的是两组正交摆放的成像系统。这样设置之后，顺序点亮3组照明光源，并用相机采集4幅图像之后，即可一次性得到光纤两个正交方向的涂覆层直径。

本发明产生的有益效果是：(1)提升了系统对边沿判断的准确度。一般基于侧视法对光纤涂覆层直径进行测量时，是使用成像系统对图像的边沿进行判断，进而换算得到涂覆层的直径。而一般侧视法所用的照明系统会在光纤的两侧形成杂散光线。这些杂散光线进入成像系统后，成为系统的背景光。当使用灰度法进行图像的边沿判断时，过强的背景光会对边沿判断的准确性照成影响。本发明中，通过一系列光学器件的组合，将照明光线约束在一个极小的范围内，并通过按一定顺序点亮照明光源，使得每次只照亮被测光纤的一侧，最大程度地减少了杂散光对系统的影响，提高了系统测试准确度。

(2)通过正交的成像系统，使得一次测量完成后可以得出光纤两个垂直方向上的涂覆层直径，缩短了总测试时间，有助于提高生产测试效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例装置的结构框图。

图2为本发明实施例中照明系统的结构框图。

图3为本发明实施例中照明光线在光纤涂覆层各界面发生偏折的示意图。

图4为本发明实施例中照明系统和成像系统的位置关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：图1为所述装置的结构框图。

光纤夹持装置1中夹持一段光纤2，光纤2置于一个充满了匹配油的透明容器3内。光纤夹持装置1可以带动光纤2沿着轴向进行圆周旋转。照明系统4产生近似平行光，透过透明容器以及匹配油对光纤2进行照明。一部分光线经过光纤各涂覆层之后，由于各层涂覆层之间的折射率差异，在分界面处产生了折射。成像系统5接收这些光线，并进行数字化。图像分析系统6接收成像系统5输出的数字化信号，通过图像处理算法寻找图像中对应的光纤各涂覆层的分界面，并根据分界面的位置计算对应的直径数值。

在本测试系统和测试方法中，对照明系统的优化设计是一个重要的技术环节。现结合图2对照明系统的设计做进一步说明。

照明系统包括光源41、会聚透镜42、棱镜43、准直镜44。

光源41可以采用LED光源，因为LED光源具有单色性好，发光面积小，能耗低，发热小等优点。光源的波长选择650nm的红光，因为在此波长位置CCD相机的响应度最高。会聚镜42的作用是将从光源41发出的散射光线汇集起来，以一个较小的发散角度进入棱镜43。光线在棱镜43的内壁经过多次反射之后，入射角度较大的光线由于经过的反射次数较多，每次反射都会造成光强的减弱，而入射角度小的光线可以直接透射或仅经过数次反射就离开棱镜。因此经过棱镜43的效果是光线的发散角度被进一步压缩。棱镜43的出射面位于准直镜44的焦点位置，使得出射的光线经过准直镜44，成为近似平行光。

照明光线在光纤涂覆层各界面发生偏折的情况由图3进行示意。

对照光纤的剖面，光纤的内部可以简单分为三层结构：包层21、内涂覆层22、外涂覆层23。光纤的芯层由于尺寸远小于包层，在本发明中不属于主要讨论对象，因此在图示中忽略。当入射光线沿路径25从外界进入光纤的外涂覆层23时，在这个交界处由于折射率差异导致光线发生折射，偏离原来的入射方向产生新的路径26。当光线沿26到达外涂覆层与内涂覆层的交界处时，发生折射成为光线27。同样地，在内涂覆层与外涂覆层的交界处和外涂覆层和外界的交界处，光线分别由于折射效应沿28和29路径传播，以上描述的是光线只经过内涂覆层和外涂覆层的情况，光线经过包层的情况与上述类似，只是在上述基础上继续增加了两次经过内涂覆层与包层交界的情况，当光线偏折离开光纤时，最终出射光线偏离原入射方向的夹角为θ。通过几何光学可以证明，θ的大小与入射角度、环境折射率、涂覆层折射率、涂覆层厚度、光源波长等因素相关。

因此，各种入射位置的光线就有以不同的θ角度进入成像系统，当入射光线是亮度均匀的平行光时，由于θ角度的不同，同一个接收平面上光线的强弱发生了变化，最终在相机上形成一个能明显区分光纤内外涂覆层的图像。经过图像处理系统6的处理，可以根据图像的明暗位置计算对应的直径数值。

结合图4，对缩短检测时间的方法做进一步说明。如图4所示，成像系统51和52的轴线之间夹角为90°，照明系统41、42的位置以成像系统51的中轴线成轴对称；照明系统42、43的位置以成像系统52的中轴线成轴对称。

实施例二：光纤涂覆层直径测试方法步骤如下，

1、启动照明系统41，在成像系统51中得到光纤X轴负方向一侧的图像；

2、启动照明系统42，在成像系统51中得到光纤X轴正方向一侧的图像，在成像系统52中得到光纤Y轴正方向一侧的图像；

3、启动照明系统43，在成像系统52中得到光纤Y轴负方向一侧的图像；

4、图像分析系统6将成像系统51和52上各两次采集的数据进行拼接，得到光纤X轴和Y方向的剖面直径数据；

5、光纤夹持装置1带动光纤2旋转一个角度，例如36°，重复步骤1至4。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种光纤涂覆层直径测量系统，其特征在于，包括照明系统、成像系统、图像分析系统，使用两组成像系统，且这两组成像系统按正交位置安装。

2.根据权利要求1所述的光纤涂覆层直径测量系统，其特征在于，所述照明系统共三组，每组均由光源、会聚透镜、棱镜、准直镜依次构成。

3.根据权利要求1或2所述的光纤涂覆层直径测量系统，其特征在于，所述成像系统包括成像透镜组、CCD或CMOS相机。

4.根据权利要求2所述的光纤涂覆层直径测量系统，其特征在于，成像系统一和成像系统二的轴线之间夹角为90°，照明系统一、照明系统二的位置以成像系统一的中轴线成轴对称；照明系统二、照明系统三的位置以成像系统二的中轴线成轴对称。

5.根据权利要求1或2所述的光纤涂覆层直径测量系统，其特征在于，所述图像分析系统用于处理成像系统接收到的信号，并通过算法找到图像中的边界。

6.根据权利要求4所述的光纤涂覆层直径测量系统，其特征在于，所述图像分析系统控制照明系统一、照明系统二、照明系统三的启动顺序。

7.一种基于权利要求1-6任一项的光纤涂覆层直径测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，设置成像系统一和成像系统二的轴线之间夹角为90°，照明系统一、照明系统二的位置以成像系统一的中轴线成轴对称；照明系统二、照明系统三的位置以成像系统二的中轴线成轴对称；步骤二，启动照明系统一，在成像系统一中得到光纤X轴负方向一侧的图像；步骤三，启动照明系统二，在成像系统一中得到光纤X轴正方向一侧的图像，在成像系统二中得到光纤Y轴正方向一侧的图像；步骤四，启动照明系统三，在成像系统二中得到光纤Y轴负方向一侧的图像；步骤五，图像分析系统将成像系统一和成像系统二上各两次采集的数据进行拼接，得到光纤X轴和Y方向的剖面直径数据；步骤六，光纤夹持装置带动光纤旋转一个角度，重复步骤二至步骤五。

8.根据权利要求7所述的光纤涂覆层直径测试方法，其特征在于，所述图像分析系统用于处理成像系统接收到的信号，并通过算法找到图像中的边界。

9.根据权利要求7或8所述的光纤涂覆层直径测试方法，其特征在于，成像系统包括成像透镜组、CCD或CMOS相机。