CN111409265A - 用于加工光纤光栅的纤芯自动聚焦方法及系统、存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种用于加工光纤光栅的纤芯自动聚焦方法及系统、存储介质。所述方法包括：实时采集待加工光纤于三维平移台上的图像；调整待加工光纤与显微镜头在Z轴方向上的相对位置，直至识别出图像中纤芯和包层之间形成两条边界线；计算两条边界线的中心点于三维平移台上的位置，据此调整待加工光纤于三维平移台上的位置，直至中心点与激光焦点的XY坐标重合。本发明实施例通过图像识别技术，可快速准确寻找到所需加工的纤芯的中心位置，保证加工精度，提高加工品质和成功率，提高加工效率。由于主要采用软件实现，硬件部仅需要使用低成本的图像传感器，对现有的激光加工系统无需重大改动，因此整个解决方案经济高效。

Description

用于加工光纤光栅的纤芯自动聚焦方法及系统、存储介质
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种用于加工光纤光栅的纤芯自动聚焦方法及系统、存储介质。
背景技术
激光纳米加工，又称为激光纳米三维打印技术，具有加工设备简单、无需复杂制备工艺并且可以进行三维加工等优势，已经成为新兴的最重要的精密制造技术之一。
激光纳米三维打印技术，通过使用高数值孔径的显微镜头将激光聚焦在需要加工的位置，利用实现在焦点处的高光强，在不同介质(包括聚合物、玻璃、金属以及新型二维材料等)内改变材料性质，以加工形成纳米级精度的结构。
通过飞秒激光三维纳米打印技术，可以加工出具有不同功能的结构，包括聚合物光子晶体结构、超薄微透镜、微型光波导及光纤光栅；而且，其加工精度高，影响区域小(空间分辨率高)，可实现纳米级的精度控制。所以在一些需要超高精度的微加工方面引起了广泛关注。
光纤布拉格光栅，即在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。由于传统的光纤光栅制备方法是基于准分子激光曝光的方法制备光纤光栅，要求使用的光纤纤芯具有高的光敏性，需要在光纤纤芯中掺杂锗元素和硼元素。而纯二氧化硅纤芯，不具有光敏性，无法采用传统方法制备光纤光栅。而一种基于飞秒激光的新型的光纤光栅制备技术很好的解决了上述问题。使用飞秒激光技术，是利用了飞秒激光瞬时能量高、非热加工、加工精度高等优点。通过飞秒激光技术制备光纤光栅，相对于传统方法，不仅能够在非光敏光纤上制备光栅，如：纯二氧化硅光纤、氟化物光纤等，还具有其他优点。首先，飞秒激光制备，不需要使用相位模板，因此可以摆脱相位模板的限制，理论上可以制备任何反射波长的光纤光栅，例如在氟化物光纤制备2μm、3μm光纤光栅；其次，800nm的飞秒激光能够透过光纤的涂覆层(丙烯酸酯、聚酰亚胺等)，因此，制栅过程中不需要剥除光纤涂覆层，使制备的光纤光栅强度大大提高。更主要的，准分子制备的光纤光栅，无法承受高温度，当温度高于150度，光纤性能开始退化，而飞秒激光制备的光栅，耐温能够达到1000度，能够使用在高温环境中。
由于其三维高精度的特点，在激光纳米加工过程中控制激光焦点与所需要加工光栅的纤芯的相对位置尤为关键。假设光纤的被完美的安装在平移台的基础上，使用者必须在三维空间中找到光纤光栅制造的位置。此过程中通常涉及一个步骤：找到待加工光纤的纤芯的xy位置，以便将激光聚焦在xy平面内纤芯的中心位置。在当前的飞秒激光制造系统中，这个过程是由使用者基于人眼来完成的，这缺乏准确性和可重复性，因此由对准引起的不准确性是不可避免的，无法有效保证光纤光栅的加工质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于加工光纤光栅的纤芯自动聚焦方法及系统、存储介质，解决现有技术存在的无法自动准确聚焦至纤芯的中心位置的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种纤芯自动聚焦方法，用于激光加工光纤光栅，包括：
实时采集待加工光纤于三维平移台上的图像；所述三维平移台平行于X轴和Y轴，并垂直于Z轴；所述待加工光纤包括纤芯和包层；
调整所述待加工光纤与显微镜头在所述Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中所述纤芯和所述包层之间形成两条边界线；
计算所述两条边界线的中心点于所述三维平移台上的位置；
根据所述中心点的位置，调整所述待加工光纤于所述三维平移台上的位置，直至所述中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合。
可选的，所述纤芯自动聚焦方法，还包括：
在所述中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合后，调整所述待加工光纤与所述显微镜头在所述Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中的两条边界线消失。
可选的，所述纤芯自动聚焦方法，还包括：
根据所述图像，识别所述待加工光纤的长度方向与光栅加工方向的夹角；
根据夹角，在XY平面内调整所述待加工光纤的位置，直至所述待加工光纤的长度方向与光栅加工方向相平行。
可选的，所述纤芯自动聚焦方法中，根据所述图像的灰度识别所述两条边界线。
一种纤芯自动聚焦系统，用于激光加工光纤光栅，包括：图像传感器、三维平移台和控制器；
图像传感器，用于实时采集待加工光纤于三维平移台上的图像；所述三维平移台平行于X轴和Y轴，并垂直于Z轴，所述X轴、Y轴和Z轴形成三维坐标系；所述待加工光纤包括纤芯和包层；
三维平移台，用于根据控制器的控制命令，调节所述待加工光纤在所述三维坐标系内的三维坐标位置；
控制器，用于控制三维平移台，以调整所述待加工光纤与显微镜头在所述Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中所述纤芯和所述包层之间形成两条边界线；计算所述两条边界线的中心点于所述三维平移台上的位置；根据所述中心点的位置，调整所述待加工光纤于所述三维平移台上的位置，直至所述中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合。
可选的，所述控制器，还用于在所述中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合后，控制三维平移台，调整所述显微镜头与所述待加工光纤在所述Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中的两条边界线消失。
可选的，所述控制器，还用于根据所述图像，识别所述待加工光纤的长度方向与光栅加工方向的夹角，根据所述夹角控制所述三维平移台，以调整所述待加工光纤在XY平面内的位置，直至所述待加工光纤的长度方向与光栅加工方向相平行。
可选的，所述控制器，具体用于根据所述图像的灰度识别所述两条边界线。
可选的，所述图像传感器为CCD相机。
一种存储介质，所述存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行如上任一项所述的纤芯自动聚焦方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例通过图像识别技术，可快速准确寻找到所需加工的纤芯的中心位置，保证加工精度，提高加工品质和成功率，同时提高加工效率。
同时，由于本发明实施例主要采用软件实现，硬件部仅需要使用低成本的图像传感器，对现有的激光加工系统无需重大改动，因此整个解决方案经济高效。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为激光焦点在Z轴方向上未到达纤芯位置时的状态示意图；
图2为采集到的图1状态下待加工光纤的图像；
图3为激光焦点在Z轴方向上刚好到达纤芯位置时的状态示意图；
图4为采集到的图3状态下待加工光纤的图像；
图5为激光焦点在Z轴方向上超过纤芯位置时的状态示意图；
图6为采集到的图5状态下待加工光纤的图像；
图7为本发明实施例提供的纤芯自动聚焦方法流程图；
图8为待加工光纤的弯曲状态示意图；
图9为待加工光纤的倾斜状态示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例方案，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实施例一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，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，都应当属于本发明实施例保护的范围。
本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例可应用于激光加工系统，该激光加工系统主要包括：激光器和显微镜头。其中，激光器用于形成激光束；显微镜头用于对激光束进行聚焦，激光束经聚焦后投射至待加工光纤。
为了能够利用激光焦点处的高光强对待加工光纤实现高效准确的光栅加工操作，本发明提供了一种用于激光加工光纤光栅的纤芯自动聚焦解决方案，应用图像识别及控制技术，从“激光焦点相对于待加工光纤的位置识别及调整”、“待加工光纤相对于光栅加工方向的倾斜角度识别及调整”两个方面来操作，来保证光栅加工过程中激光焦点能够始终对准待加工光纤的纤芯的中心位置，从而有效保证加工精度，提高加工品质和成功率。
为了描述和理解的便利，本发明实施例中均以X、Y轴平行于用于放置待加工光纤的平移台的台面，Z轴垂直于平移台的台面的三维坐标系为例进行说明。可以理解的是，实际应用中的三维坐标系中的X、Y、Z轴的方向以及所对应的XY平面，可以根据具体的设备或者系统需求进行变化，本发明对此不做限定。
请参阅图1至图6，图1和图2为激光焦点在Z轴方向上未到达纤芯(以下简称为聚焦过浅)时，图像传感器采集到的待加工光纤的图像；图3和图4为激光焦点在Z轴方向上刚好到达纤芯(以下简称为聚焦过浅)时，图像传感器采集到的待加工光纤的图像；图5和图6为激光焦点在Z轴方向上超过纤芯(以下简称为聚焦过浅)时，图像传感器采集到的待加工光纤的图像。
当待加工光纤置于激光加工的视场中的时候，由于待加工光纤的纤芯与包层具有折射率差，纤芯与包层的边界将会产生衍射；同时，根据显微镜头的聚焦位置的不同，其衍射图像将形成不同的灰度值。具体的，在图1所示的情况下，纤芯和包层的两条边界线显示为两条黑线，如图2所示；在图3所示的情况下，纤芯和包层的两条边界线消失了，如图4所示；在图5所示的情况下，纤芯和包层的两条边界线显示为两条白线，如图6所示。
因此，基于衍射图像中纤芯和包层的边界线的灰度值，可识别出当前激光焦点在Z轴方向上与纤芯的相对位置：若边界线为两条黑线，则可判定为聚焦过浅；若边界线消失，则可判定为准确聚焦；若边界线为两条白线，则可判定为聚焦过深。
基于此，请参阅图7，针对本发明实施例提出了一种纤芯自动聚焦方法，包括对激光焦点相对于待加工光纤的位置进行识别及调整的步骤，具体包括：
步骤101、调整显微镜头与待加工光纤在Z轴方向上的相对位置，直至实时采集的图像中纤芯和包层之间出现可视的两条边界线(可以为黑线，也可以为白线)，即使得激光焦点达到聚焦过浅状态或者聚焦过深状态。
步骤102、在聚焦过浅状态或者聚焦过深状态下，计算两条边界线的中心点的位置。
步骤103、调整待加工光纤在XY平面内的位置，直至激光焦点的XY坐标与两条边界线的中心点的XY坐标重合。
需要说明的是，激光焦点当前在XY平面的位置为已知，可以在实施找纤芯的操作之前找到激光焦点的位置，一般会调校到相机拍摄的图片的中心，然后通过软件会识别出XY平面内激光焦点与纤芯的中心线的相对位置。
至此，实现了纤芯与激光焦点在XY平面内的位置对准。
步骤104、调整显微镜头与待加工光纤在Z轴方向上的相对位置，直至实时采集的图像中纤芯和包层之间的两条边界线消失，即使得激光焦点达到正确聚焦状态，从而实现了纤芯与激光焦点在Z轴方向上的位置对准。在整个识别的过程中激光都处于关闭的状态，因此对于纤芯不造成任何伤害。
假设光纤没有任何弯曲或倾斜，那么在整个制造过程中，只需要应用上述方法查找一次聚焦位置，即可实现准确的光栅加工。但是，实际情况下光纤往往会存在弯曲(如8所示)或倾斜(如图9所示)的情况，而光纤的倾斜和弯曲会强烈影响加工位置的准确度并降低光纤光栅的加工质量。作为光纤光栅所需要的加工距离是相当长的，例如为20毫米，1°角倾斜或弯曲将导致350微米位移，导致光纤光栅无法加工在光纤纤芯中，这会严重影响制造质量。
目前，光纤安装是由使用者手动完成的，这在很大程度上取决于使用者的经验，人眼的角度识别准确度因人而异，但是很难将倾斜角度降至小于1°。更重要的是，手动的对齐不能考虑光纤弯曲的情况。
为此，本实施例的纤芯自动聚焦方法还提供了对待加工光纤相对于光栅加工方向的倾斜角度进行识别及调整的步骤，具体包括：
获取待加工光纤于平移台上的图像，根据图像识别待加工光纤的长度方向与光栅加工方向的夹角；
根据夹角，在XY平面内调整待加工光纤的位置，直至待加工光纤的长度方向与光栅加工方向相平行。
需要说明的是，在光栅加工过程中，可间断重复地先执行上述的对待加工光纤相对于光栅加工方向的位置调整操作、再执行上述的对激光焦点相对于待加工光纤的位置调整操作。
综上，本实施例通过图像识别技术，可快速准确寻找到所需加工的纤芯的中心位置，同时适用于光纤位置倾斜及光纤弯曲的场景，保证加工精度，提高加工品质和成功率，同时提高加工效率。
整个方案主要由软件执行，仅需要低成本的图像传感器作为硬件，对现有的激光纳米加工系统无需重大改动，经济高效。
此外，在某些情况下，如果待加工光纤不能保证完全清洁时，本实施例通过算法控制，可保证软件能准确找到光纤纤芯，不受灰尘影响，保证了可靠性。
实施例二
本实施例提供了一种用于激光加工光纤光栅的纤芯自动聚焦系统，包括：图像传感器、三维平移台和控制器。
图像传感器，用于实时采集待加工光纤于三维平移台上的图像；该三维平移台平行于X轴和Y轴，并垂直于Z轴，X轴、Y轴和Z轴形成三维坐标系。图像传感器具体可以为CCD相机，按照相机规格确定的帧速率捕获图像/视频。
三维平移台，用于根据控制器的控制命令，调节待加工光纤在三维坐标系内的三维坐标位置。
控制器，以图像传感器实时采集的图像作为输入，生成对三维平移台的控制命令，以调整待加工光纤的三维位置，以使激光能够保持聚焦在纤芯中心的状态。
该控制器，具体用于控制调整待加工光纤与显微镜头在Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中待加工光纤的纤芯和包层之间形成两条边界线；计算两条边界线的中心点于三维平移台上的位置；根据中心点的位置，调整待加工光纤于三维平移台上的位置，直至中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合，之后调整显微镜头与待加工光纤在Z轴方向上的相对位置，直至识别出图像中的两条边界线消失。
本实施例的应用场景主要包括两种：光纤倾斜和光纤弯曲。如图8和图9所示，图中黑色矩形框代表显微镜头的视场。由于光纤光栅的加工需要高精度，因此需要使用高数值孔径的油镜。通常情况油镜的视场在100μm之内。然而，所需要的光纤光栅通常所需要的长度是几毫米到数十毫米。因此，在视场中无法完全看清楚待加工光纤是属于倾斜或者是弯折的状态。这样为人工校正提供了极大挑战。而通过使用本发明的纤芯自动聚焦系统，可以实时监控待加工光纤在视场之内的聚焦及倾斜情况，提供实时校正，为加工高精度光纤光栅提供了可靠保证。
本实施例中，检测器由软件执行，并且仅需要低成本的图像传感器作为硬件，使用机器视觉进行识别。总体而言，本实施例一种经济高效的解决方案，对现有的激光光纤光栅加工系统也无需重大改动。同时，本实施例能够通过识别边界的对比度来确定聚焦过深或者过浅，从而提供调整的方向信息；同时，软件通过直接检测纤芯与x或y方向的角度，进而可直接调整纤芯的位置使其与加工方向一致，因此减低了对于光纤放置准确度的要求。
实施例三
本领域普通技术人员可以理解，上述表面自动跟踪方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。
为此，本发明实施例还提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本发明实施例所提供的用于激光加工光纤光栅的纤芯自动聚焦中的步骤。
其中，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种纤芯自动聚焦方法，用于激光加工光纤光栅，其特征在于，包括：
实时采集待加工光纤于三维平移台上的图像；所述三维平移台平行于X轴和Y轴，并垂直于Z轴；所述待加工光纤包括纤芯和包层；
调整所述待加工光纤与显微镜头在所述Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中所述纤芯和所述包层之间形成两条边界线；
计算所述两条边界线的中心点于所述三维平移台上的位置；
根据所述中心点的位置，调整所述待加工光纤于所述三维平移台上的位置，直至所述中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合。
2.根据权利要求1所述的纤芯自动聚焦方法，其特征在于，所述纤芯自动聚焦方法，还包括：
在所述中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合后，调整所述待加工光纤与所述显微镜头在所述Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中的两条边界线消失。
3.根据权利要求1所述的纤芯自动聚焦方法，其特征在于，所述纤芯自动聚焦方法，还包括：
根据所述图像，识别所述待加工光纤的长度方向与光栅加工方向的夹角；
根据夹角，在XY平面内调整所述待加工光纤的位置，直至所述待加工光纤的长度方向与光栅加工方向相平行。
4.根据权利要求1所述的纤芯自动聚焦方法，其特征在于，所述纤芯自动聚焦方法中，根据所述图像的灰度识别所述两条边界线。
5.一种纤芯自动聚焦系统，用于激光加工光纤光栅，其特征在于，包括：图像传感器、三维平移台和控制器；
图像传感器，用于实时采集待加工光纤于三维平移台上的图像；所述三维平移台平行于X轴和Y轴，并垂直于Z轴，所述X轴、Y轴和Z轴形成三维坐标系；所述待加工光纤包括纤芯和包层；
三维平移台，用于根据控制器的控制命令，调节所述待加工光纤在所述三维坐标系内的三维坐标位置；
控制器，用于控制三维平移台，以调整所述待加工光纤与显微镜头在所述Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中所述纤芯和所述包层之间形成两条边界线；计算所述两条边界线的中心点于所述三维平移台上的位置；根据所述中心点的位置，调整所述待加工光纤于所述三维平移台上的位置，直至所述中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合。
6.根据权利要求5所述的纤芯自动聚焦系统，其特征在于，所述控制器，还用于在所述中心点的XY坐标与激光焦点的XY坐标重合后，控制三维平移台，调整所述显微镜头与所述待加工光纤在所述Z轴方向上的相对位置，直至识别出当前采集的图像中的两条边界线消失。
7.根据权利要求5所述的纤芯自动聚焦系统，其特征在于，所述控制器，还用于根据所述图像，识别所述待加工光纤的长度方向与光栅加工方向的夹角，根据所述夹角控制所述三维平移台，以调整所述待加工光纤在XY平面内的位置，直至所述待加工光纤的长度方向与光栅加工方向相平行。
8.根据权利要求5所述的纤芯自动聚焦系统，其特征在于，所述控制器，具体用于根据所述图像的灰度识别所述两条边界线。
9.根据权利要求5所述的纤芯自动聚焦系统，其特征在于，所述图像传感器为CCD相机。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行权利要求1至4任一项所述的纤芯自动聚焦方法中的步骤。
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