CN111964872B - 一种光纤轴向无损在线检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤轴向无损在线检测装置和方法，属光纤器件加工制作技术领域，解决40um超细径保偏光纤的定轴同时适用多种特种光纤。装置包括图像处理装置、转动部件、光纤夹具、成像屏、相干光发射器和图像记录装置。光纤夹具安装在转动部件，光纤夹具用于夹持光纤，转动部件用于通过光纤夹具带动光纤同轴转动；相干光发射器和成像屏分别设置在光纤夹具两侧，相干光发射器发射的光束用于垂直照射光纤；成像屏上设有中央亮斑过滤部件；图像记录装置设于成像屏向光纤夹具方向一侧，并和图像处理装置连接。本发明在成像屏设置中央亮斑过滤部件，减小中央亮斑对成像质量的影响，从而提升成像的质量，进而提高利用该检测装置进行定轴的准确性。

Description

一种光纤轴向无损在线检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤器件加工制作技术领域，更具体地，涉及一种光纤轴向无损在线检测装置和方法。

背景技术

当前，世界上使用的特种光纤，大致可以分为三类，包括：微结构光纤，普通保偏光纤和超细径保偏光纤。其中，微结构光纤属光子晶体光纤应用最广泛，通常由单一介质构成并由在二维方向上紧密排列而在轴向保持结构不变的波长量级的空气孔构成微结构包层。光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难于实现的特性，因而受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。而在众多研究，尤其基于光子晶体光纤器件的加工制作过程中，实现光子晶体光纤轴向方位角的确定具有非常重要的意义。而保偏光纤由于具有对线偏光较强的偏振保持能力和对一般单模光纤极好的兼容性，使其在光纤通信和传感系统中得到了越来越广泛深入的研究与应用。在干涉型光纤传感器制作、相干光纤通信和光纤陀螺仪等领域有着重要的应用。保偏性能的实现，是在纤芯径向引入几何非对称或应力而致双折射，应力值最大的方向和最小的方向通常称为保偏光纤的慢轴方向和快轴方向，此二轴也统称为偏振轴。

目前，世界上还未能实现超细径保偏光纤的在线无损伤定轴，现有确定保偏光纤偏振轴的定轴方法大多适用于直径为125μm的保偏光纤，主要有利用图像处理方法获取任意方位角的特征量曲线和特征图，然后将该曲线或特征图与标准曲线库或标准图库中曲线或图样进行互相关，互相关的极大值所对应的角度即为所求偏振轴的方位角。此外，还有使用侧视图像定轴法，它以较高精度、简便可行的特点，适用于各种直径较大的保偏光纤从而最具有应用价值。选用侧视图像的不同特征图像和特征量就构成了不同的定轴方法。然而，该方法不足之处在于选取特征曲线峰值作为保偏光纤轴向方位角、精度低、定轴速度慢、抗干扰能力弱、对装置精度要求高等。

述及保偏光纤的侧视图像定轴方法的，有申请号为200610035056.6的专利文件中公开了一种基于侧视光强分布的保偏光纤偏振轴的定轴方法。该方法主要通过非相干平行光经过保偏光纤后光强呈现五指型分布，共有五个特征点，旋转保偏光纤，建立不同方位角与特征点之间的关系，得到标准曲线。将测得的特征曲线与标准曲线进行拟合，从而实现保偏光纤的定轴。这种方法只适用于熊猫型保偏光纤(非匹配型保偏光纤)的定轴，其定轴效率较低，对于超细径保偏光纤，其标准库难以建立，不适用。中国发明专利ZL200610122819.0公开的一种基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法，采集空间衍射光的背向衍射图像来解决保偏光纤的定轴问题，并基于衍射图像的图像特征量或中心图像的特征量来进行定轴。该方法中，要建立标准曲线，用测量的曲线与标准曲线做互相关运算从而定轴。实践中，标准曲线的建立难度较大，从而限制了该定轴方法的推广，还有美国专利US005317575公开了用相干光源垂直地照射到保偏光纤上，利用产生的衍射图像来实现定轴的方法。提出利用激光与光纤相互作用所形成的前向衍射图像和背向衍射图像来对双折射型保偏光纤进行定轴，同时提出这种方法可利用于非匹配型保偏光纤的定轴。这个专利里面的定轴方法，主要是利用衍射明条纹的向内收缩和对外扩展来实现保偏光纤方位角的判断，只限于在特殊角度上定轴，均难以在超细径保偏光纤上进行任意轴向定轴检测。另外，中国专利CN201510418773.6公开的一种保偏光纤侧视成像定轴方法及装置，该定轴方法利用光源照射光纤形成的散射图像中的中央亮斑为信息提取对象，根据中央亮斑的强度值随光纤旋转的变化，得到对应的特征曲线，在对特征曲线进行傅里叶拟合等一系列数据处理来获取偏振轴方位，其处理方式和装置较为复杂，对于超细径保偏光纤的散射光特点，其中央亮斑的变化相对较小，杂散光的影响会较大，不利于其高精度检测，因此，该方法及装置不适用于超细径保偏光纤。中国专利CN200910038858.6公开了一种基于空间衍射光的保偏光纤定轴方法，该方法采集空间衍射光的背向衍射图像来解决保偏光纤的定轴问题，对衍射图像进行对称性分析，获得衍射图像的对称系数；获得保偏光纤方位角与对称系数的对应关系曲线；选取对称系数大于0.96的相邻90度方位角的曲线的两个波峰，其中一个波峰对应快轴，另一个波峰对应慢轴，依据保偏光纤快轴与慢轴衍射图像的差异性判断出快轴和慢轴对应的波峰及方位角，从而实现定轴。该方法对于光纤较粗的情况下适用，而对于超细径光纤，其背向衍射光强度较弱，受外界杂散光的影响较大，不适用于超细径光纤的定轴。

此外，已报道的特种光纤定轴技术及装置大多均只是针对某一特定的特种光纤，而不具有通用性，在当今科学技术高速发展的时代，需要能容纳多种光纤的在线无损伤的定轴技术及装置，使基于特种光纤定轴技术的相关研究和工作，更加快捷、高效和精准。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种光纤轴向无损在线检测装置，用于获取高质量的衍射条纹图像，从而可以提高光纤定轴准确性。

本发明还提供一种光纤轴向无损在线检测方法，可以获取高质量的衍射条纹图像，从而提高光纤定轴的准确性。

本发明一种光纤轴向无损在线检测装置，包括图像处理装置、转动部件、光纤夹具、成像屏、相干光发射器和图像记录装置；

光纤夹具安装在转动部件，光纤夹具用于夹持光纤，转动部件用于通过光纤夹具带动光纤同轴转动；

相干光发射器和成像屏分别设置在光纤夹具两侧，相干光发射器发射的光束用于垂直照射光纤；

成像屏上设有中央亮斑过滤部件；

图像记录装置设于成像屏向光纤夹具方向一侧，并和图像处理装置连接。

通过转动部件带动与之连接的光纤夹具转动，光纤夹具夹持的光纤也同步转动，调节转动部件保持光纤同轴转动，确保光纤同轴转动可减少不同轴转动引起的变化，增强检测的稳定性，同时减少夹持光纤带来的影响。

相干光发射器发射的相干光束由于光束间不相互干扰，适用于定轴光源。其中相干光束照射到光纤后，在成像屏上会形成衍射条纹，为使衍射条纹均匀分布在成像屏，且更加清晰和提升精准度，相干光发射器发射的相干光束垂直照射到光纤。

由于光纤直径相对于相干光中央亮斑直径要小很多，相干光束从侧面照射在光纤上时，其中央亮斑的大部分光会绕过光纤，直接照射在成像屏上，导致所形成的条纹中，因中央亮斑光强过大，而掩盖了其他亮纹，无法清晰地获取其他亮纹的信息，对定轴结果造成不良影响。为了获取清晰的衍射条纹，在成像屏设置中央亮斑过滤部件，减小中央中央亮斑对成像质量的影响，从而提升成像的质量。

进一步，检测装置还包括移动部件，移动部件上安装转动部件。

进一步，移动部件包括对称设置的两个，每个移动部件包括滑轨和滑块，滑块活动安装在滑轨上，转动部件和光纤夹具对应设置两个，两个转动部件分别安装在两个移动部件的滑块上，其中一个滑块上设置有调节杆。

移动部件可进行一定位置的移动，从而使安装在移动部件上的转动部件也会对应移动。移动过程是通过活动连接在滑轨上的滑块带动，驱动滑块在滑轨上移动是通过调节杆进行调节。当两个移动部件移动时，通过间接连接移动部件的光纤两端可产生拉力，通过拉力绷直安装在夹持夹具上的光纤，确保光纤旋转过程中不会环形旋转和抖动，使得产生衍射条纹相对稳定，从而确保光纤定轴更加准确。

进一步，还包括压力传感器，所述压力传感器设置在另一个滑块所在的滑轨末端，所述压力传感器和图像处理装置连接，另一个滑块与压力传感器在所述一个滑块通过调节杆移动过程中形成接触连接。

由于光纤质软易扭曲的特点，为了防止光纤旋转的过程中产生环形旋转和抖动，使相干光照射于光纤的光强发生变化的现象，对定轴结果造成不良的影响，需要保证光纤在旋转过程中一直处于绷直状态。因此，将压力传感器放置于滑轨末端附近，滑块与压力传感器发生挤压即可产生压力传感，通过压力传感器确定光纤是否处于绷直状态且拉力又不至于太大导致光纤断裂。通过调节杆推动固定光纤其中一个滑块背向光纤一端移动，给光纤提供拉力，使其绷直，同时连接光纤另一端的另一个滑块会随着移动，使得另一个滑块向压力传感器施加压力，通过压力传感器确定压力值，从而确定光纤的状态；压力传感器和图像处理装置连接后可在图像处理器上读取压力传感器的示数，即可判别光纤处于绷直状态。

进一步转动部件包括步进电机，光纤夹具安装在步进电机上，步进电机安装于滑块上。步进电机可与图像处理装置连接，通过图像处理装置更精准的控制步进电机旋转幅度，为后续对光纤的定轴采样提升精度。

进一步，中央亮斑过滤部件为成像屏中设置的孔，相干光发射器发射的光束垂直照射光纤形成的中央亮斑穿过孔。

相干光照射至光纤后在成像屏上成像，成像图案中央亮斑影响定轴精度，为减小中央亮斑对成像质量的影响，在成像屏上开孔，相干光照射至光纤后，形成的衍射条纹图像的中央亮斑穿过孔，有效过滤中央亮斑，从而提升成像的质量。

本发明还提供一种光纤轴向无损在线检测方法，包括：

调节光纤使其保持同轴转动；

将相干光束和光纤处于同一平面，相干光束垂直照射光纤，形成衍射条纹；

过滤衍射条纹中央亮斑形成过滤后的衍射条纹图像；

旋转光纤，记录光纤不同轴向方位角的经过滤后的衍射条纹图像；

将记录的图像进行图像处理得到转动方位角和光强度对应关系特征曲线，计算光纤偏振轴的特征参量，显示定轴结果。

本定轴方法采用相干光照射产生衍射图像的方式进行定轴，包括保持同轴转动，相干光束垂直照射光纤并产生衍射条纹图像，再将光纤按一定的角度旋转，通过旋转记录各个未知轴向方位角对应的图像，对记录图像进行图像处理得到方位角和光强度对应关系特征曲线，从而从特征曲线中计算光纤偏振的特征参量，得到光纤定轴的角度结果。

由于光纤直径相对于相干光中央亮斑直径要小很多，相干光从侧面照射在光纤上时，其中央亮斑的大部分光会绕过光纤，直接照射在成像屏上，导致所形成的衍射条纹中，因中央亮斑光强过大，而掩盖了其他亮纹，无法清晰地获取其他亮纹的信息，对定轴结果造成不良影响。为了获取清晰地衍射条纹，本发明采用过滤衍射条纹中央亮斑的方法，减小中央亮斑对成像质量的影响，从而提升成像的质量

进一步，光强度为将衍射条纹以中央亮斑位置为准将衍射条纹分为上下两部分，再计算亮条纹的灰度之和。

过滤衍射条纹中央亮斑后，为了减小相干光产生的光强较强的杂散光影响，衍射条纹以中央亮斑位置为准将衍射条纹分为上下两部分进行亮条纹的灰度之和计算。

进一步，特征参量是根据图像处理后得到特征曲线波形，提取特征曲线波形中一个或两个宽度最大的宽峰，以所选取任一宽峰的一定高度所对应的宽度中心作为宽峰的宽度中心，将确定的宽峰的宽度中心作为判断光纤偏振轴的特征参量。

根据图像处理后的特征曲线波形的变化规律，其中横轴为光纤旋转角度，纵轴为光强度，会出现周期性变化的宽峰在定轴特征曲线中，筛选特征曲线上两个最宽的宽峰，选取任一个宽峰进行宽峰中心的选取。

进一步，宽峰的确定方法为：选取特征曲线波形上的强度最大值与最小值之间的特定值作为阈值，通过将特征曲线波形中高于阈值的强度值置于1，低于阈值的强度值置于0，实现特征曲线波形数据的二值化，通过统计矩形波连续强度值为1的角度范围，寻找两个角度范围最大的角度中心，即找到特征曲线中最宽的波峰位置和其中心所对应的角度。

根据二值化处理方法将曲线转换为随旋转角度变化的矩形波，在通过统计矩形波连续强度值为1的角度范围，寻找角度范围最大的角度中心，即可找到特征曲线中最宽的波峰位置和其中心所对应的角度，此中心角度即为光纤轴向方位。

宽峰中心的选取是通过特征曲线上最宽峰的某一高度的宽度中心来确定，选取宽峰宽度中心为定轴特征值，可避免因定轴系统不稳定造成曲线上出现许多杂峰，影响正确峰值的判断，造成定轴精度下降的不良影响。因此，获取光纤特征曲线的规律，以宽峰宽度中心为定轴特征值来进行定轴会更加稳定，精度更高。特征曲线针对应力区对称分布的不同尺寸的光纤也具备相同的规律，该方法也适用，具有普遍适用性。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的一种用于光纤轴向无损在线检测装置，采集空间衍射光的前向衍射条纹图像来解决光纤的定轴问题，以经过滤掉的中央亮斑的中心且与光纤轴向相平行的线为分界线，将散射条纹图案分割成两个区域，并根据两个区域光强度之和随角度变化的关系曲线的一般规律，选取曲线中反映特种光纤轴向方位角的特征值来进行定轴。

由于超细径光纤直径相对于相干光中央亮斑直径要小很多，相干光从侧面照射在超细径光纤上时，其中央亮斑的大部分光会绕过光纤，直接照射在成像屏上，导致所形成的衍射条纹因中央亮斑光强过大，而掩盖了其他亮纹，无法清晰地获取其他亮纹的信息，对定轴结果造成不良影响。因此，本发明为了获取清晰地衍射条纹，选择在成像屏中央设置中央亮斑过滤部件，如开孔，减小相干光中央亮斑对成像质量的影响，从而提升成像的质量。而对于光纤直径较粗的情况，相干光中央亮斑被光纤大部分掩盖，中央亮斑对形成的衍射条纹影响较小，目前所用的定轴装置均无此中央亮斑过滤部件的设计，但本发明也适用于普通光纤，能实现普通光纤的高精度定轴。

由于超细径光纤质软易扭曲的特点，为了防止光纤旋转的过程中产生环形旋转和抖动，使相干光照射于光纤的光强发生变化的现象，对定轴结果造成不良的影响，因此本发明的装置通过设置移动部件来移动转动部件，从而带动安装在其上的光纤左右移动，通过移动调整光纤为绷直状态，且保证光纤在旋转过程中一直处于绷直状态，从而降低光纤因扭曲对定轴结果的影响。

进一步的，由于光纤直径非常小，为了确保光纤在移动过程中不会因为拉力过大而造成光纤断裂，本发明通过设置压力传感器来感应移动部件移动过程中的压力，既能确保移动部件移动后使光纤处于绷直状态，又能确保移动过程的拉力适中避免光纤断裂。

本发明的装置能获取高质量的衍射条纹图像，确保光纤同轴转动过程中不扭曲，从而提高后续定轴的准确性和稳定性。本发明适用性强，尤其适用于包层直径在40μm～125μm的保偏光纤以及某些微结构光纤均的定轴。

本发明的检测方法是一种无破坏性、非接触、在线、无污染、处理方法简单、精度高、不受位置影响的检测方法，其定轴精度在1.5°以内，适用于各种常用的光纤定轴，该检测方法实现了国际上首次高精度的检测超细径保偏光纤的偏振轴，并满足其他光纤的在线无损定轴，具有通用性。

本发明的检测方法基于前向散射光的光纤在线无损的全自动定轴装置，用于光纤的侧边抛磨机上，以实现对光纤特定的某个方位角进行抛磨；同时，这种定轴方法可应用于保偏光纤耦合器和保偏光纤偏振器、保偏光纤拉锥、光纤陀螺的制作等领域中。而且，在现有技术无法采用侧视透镜效应法进行定轴时，本发明则可以满足这种特殊的需求，如应用于光纤侧边抛磨机上，可实现对保偏光纤偏振轴的抛磨方位角进行确定，以及可以实现对抛磨过程的实时监控，从而可大大地提高器件的生产效率和器件的质量，也将大大地提高新型光纤传感器的质量。

本发明可保证实用精度，可以有效地对光纤进行定轴，从而使得基于光纤器件的制作效率有所提高，同时提高产品质量。

附图说明

图1是本发明一种光纤轴向无损在线检测装置示意图。

图2是本发明一种光纤轴向无损在线检测方法的流程图。

图3是包层直径为40μm超细径保偏光纤前向散射条纹图案上、下区域强度值总和与其旋转角度的关系图。

图4为利用本发明的检测方法对图3所示的包层直径为40μm超细径保偏光纤定轴之后显微镜拍取光纤端面的结果示意图。

图5是包层直径为40μm超细径保偏光纤未进行图像处理优化的光强特征曲线图。

图6是包层直径为125μm熊猫保偏光纤前向散射条纹图案上、下区域强度值总和与其旋转角度的关系图。

图7为利用本发明的检测方法对图6所示的125μm熊猫保偏光纤定轴之后显微镜拍取光纤端面的结果示意图。

图8是包层直径为40μm超细径保偏光纤光强特征曲线变换过程及特征值的确定过程示

意图。

图9是包层直径为40μm超细径保偏光纤横截面示意图。

图10是包层直径为40μm超细径保偏光纤的前向衍射条纹图案分成上下半区示意图。

图11是包层直径为125μm熊猫保偏光纤横截面示意图。

图12是包层直径为125μm熊猫保偏光纤的前向衍射条纹图案分成上下半区示意图。

图13是包层直径为125μm光子晶体光纤横截面示意图。

图14是包层直径为125μm光子晶体光纤的前向衍射条纹图案分成上下半区示意图。

图15是包层直径为125μm光子晶体光纤前向散射条纹图案上、下区域强度值总和与其旋转角度的关系图。

图16为利用本发明的检测方法对图15所示的包层直径为125μm光子晶体光纤定轴之后，显微镜拍取光纤端面的结果示意图。

图1中，1为装置平台，2为相干光发射器，5为滑轨，6为步进电机，7为竖直调节装置，9为成像屏，10为光纤，11为光纤夹具，13为图像记录装置，14为滑块，15为调节杆，16为图像处理装置，17为L形平台，18为中央亮斑过滤部件,19为护罩。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种光纤轴向无损在线检测装置，通过本实施例的装置实现光纤轴向无损在线检测。如图1所示，本发明的检测装置包括图像处理装置16、光纤夹具11、移动部件、转动部件、成像屏9、相干光发射器2和图像记录装置13，光纤夹具11用于夹持光纤10。所述光纤10为去除涂覆层的光纤。

在具体实施过程中，光纤夹具11、移动部件、转动部件、成像屏9、相干光发射器2和图像记录装置13可以通过装置平台1安装。

在装置平台上安装移动部件，移动部件包括对称设置的两个，每个移动部件包括滑轨5和滑块14，滑块14活动安装在滑轨5上，其中一个滑块14上设置有调节杆15,通过调节调节杆15可使滑块14在滑轨5上移动，推动滑块14移动调节两个滑块之间的距离，进而调节光纤10的绷直状态；其中，调节杆15优选为微分调节杆。

在具体实施过程中，还包括压力传感器，所述压力传感器设置在另一个滑块14所在的滑轨5末端，所述压力传感器和图像处理装置16连接，另一个滑块14与压力传感器在所述一个滑块14通过调节杆15移动过程中形成接触连接。具体实施过程中，另一个滑块14还可以设置其他调节件来调节位置，结构可以与调节杆相同或者不同。

在移动部件上安装转动部件，转动部件与图像处理装置16连接，转动部件和光纤夹具11对应移动部件设置两个；一个移动部件上各安装一个转动部件，一个转动部件上各安装一个光纤夹具11；转动部件包括步进电机6，步进电机6上安装光纤夹具11,步进电6安装在滑块14上，步进电机6可与图像处理装置16连接，通过图像处理装置控制步进电机6的转动。

具体实施过程中，所述转动部件还包括L形平台17、水平调节装置和竖直调节装置7，步进电机6通过竖直调节装置7与L型平台17一侧边连接，水平调节装置安装在L型平台17另一侧边，光纤夹具11安装在水平调节装置上。光纤夹具11安装于水平调节装置上，通过此水平调节装置可调节光纤夹具11的水平方向位置；L形平台17与步进电机6通过竖直调节装置7连接，可实现整个L型平台的竖直方向的高度调节，通过这两个调节装置总体上可实现两光纤夹具11的对轴安装，确保光纤同轴转动，减少不同轴转动引起的衍射光斑变化，增强检测的稳定性，同时减少夹光纤带来的影响，其对轴偏差达到20μm左右。

相干光发射器2安装在装置平台1上，相干光发射器2发射的光束用于垂直照射光纤10。具体实施过程中，相干光发射器2上还设置有发射器调节架，用于调节相干光发射器2高度，使相干光发射器2发出的相干光和光纤10处于同一平面上。进一步的，装置还包括光线准直部件，相干光发射器2经过光线准直部件准直后的光束再垂直照射至光纤10。在一种优选的实施方式中，所述光线准直部件为光阑。

成像屏9垂直设置在装置平台上，与相干光发射器2分别位于光纤夹具11的两侧，用于相干光发射器2发射的相干光照射光纤10后形成图像，在成像屏9上设有中央亮斑过滤部件18，用于过滤条纹中央亮斑。

图像记录装置13设置在成像屏9向相干光发射器2一侧，在图1所述的结构图中，图像记录装置13和相干光发射器2设于光纤夹具11，也就是光纤10的一侧，成像屏9设于相对的另一侧。图像记录装置13所记录的图像传送至图像处理装置16进行处理。

在具体实施过程中，为了进一步提升衍射条纹图像的采集质量，在成像屏9安装处设置护罩19，优选的方式是该护罩19为倒U型结构，倒U型结构安装在光纤10和成像屏9之间，一种具体的实施方式是成像屏9与倒U型结构连接成一体，护罩19减少外部光线对成像的干扰，使得记录的衍射条纹图像质量更好。

在进行光纤定轴测试时，调节转动部件使其处于同轴转动状态，具体为通过调节L形平台17上安装的水平调节装置来调节光纤夹具11的水平方向位置，调节L形平台17与步进电机6连接部位的竖直调节装置17来实现光纤夹具11竖直方向的高度调节，通过这调节装置可实现两光纤夹具的对轴安装，确保光纤同轴转动，减少不同轴转动引起的散射光斑变化，增强检测的稳定性，同时减少夹光纤带来的影响，其对轴偏差达到20μm左右。

具体进行转动部件同轴转动的调节时，可以先将光纤10放置于其中一个光纤夹具11上，其光纤10尾端露出0.5cm～1.0cm长度，通过利用显微镜观察光纤10尾端随步进电机6转动的运行情况，调节两个调节装置使其尾端不发生公转；对于另一个的转动部件调节，首先需要利用水平仪调节光纤夹具11的高度，使其与调节好的光纤夹具11处于同一水平位置，然后在按照前述的调节方进行调节，即可完成两边转动部件的同轴转动；

保持同轴转动后，调节调节杆15可使与其连接的滑块14在滑轨5上移动，给夹持在光纤夹具11上的光纤10提供拉力，使其绷直，同时连接光纤10另一端的另一滑块14会随着移动，挤压压力传感器，通过图像处理装置16读取压力传感器12的示数，即可判别光纤10是否处于绷直状态。针对超细径光纤，其上的拉力值应控制在5～10g，在此拉力值下可以确保光纤10处于绷直状态，同时又不会因为拉力太大而导致光纤10断裂。

位置和状态调整好后，相干光发射器2发射的相干光通过如光阑等光线准直部件准直后垂直照射到与相干光在同一平面上的光纤10上，形成光的前向衍射。

由于成像屏9位于相干光发射器2和光纤10的前方某一位置，相干光照射光纤10所形成的前向衍射图像经过护罩19的保护，在成像屏9形成了衍射图像。由于衍射图像的条纹光纤直径相对于相干光中央亮斑直径要小很多，相干光从侧面照射在光纤上时，其中央亮斑的大部分光会绕过光纤，直接照射在成像屏上，导致所形成的条纹中有中央亮斑，掩盖了其他亮纹，在成像屏9上设置有中央亮斑过滤部件18，中央亮斑过滤部件18可为在成像屏9上开孔，使中央亮斑穿过孔，从而过滤中央亮斑。

通过图像记录装置13记录成像屏上衍射条纹图像，传送到图像处理装置16上处理。具体实施过程中，可以调整光纤10与成像屏9之间的距离，使得一定条纹级数的前向衍射条纹图像呈现在成像屏9上。通过图像处理装置16控制步进电机6进行一定规律的旋转，并逐次通过图像记录装置13记录下来。在具体实施过程中，所述一定规律可以是为每次旋转1度，整个检测过程共旋转一周。

图像记录装置13可为带镜头的CCD摄像机，可以过滤杂散光，使衍射条纹图像中光强变化明显的那部分衍射条纹图像能够清晰的被拍摄下来。传送到图像处理装置16可为计算机或服务器等，与图像处理装置16连接方式或通过数据线或无线连接，相干光发射器2可为半导体激光器等。

实施例2

本发明还提供一种光纤轴向无损在线检测方法，通过本实施例方法实现光纤轴向无损在线检测，方法如下步骤：

如图2所示，(1)调节光纤10使其保持同轴转动，同轴转动调节方法为：将光纤一端尾端露出0.5cm～1.0cm长度，观察光纤尾端随转动的运行情况，调节使其尾端不发生公转。同样方法对光纤10另一端进行调节，再保持光纤10两端处于同一水平位置；

(2)将相干光束和光纤10处于同一平面，非相干光垂直照射光纤10，形成衍射条纹；

(3)过滤衍射条纹中央亮斑形成过滤后的衍射条纹图像，保证衍射条纹的成像质量，便于后续图像处理提取重要的图像信息；

(4)旋转光纤，记录光纤不同轴向方位角的经过滤后的衍射条纹图像；通常是旋转360度；此状态下光纤的轴向方位角是未知的，通过旋转光纤使其轴向发生变化，从而可以记录不同轴向方位角下的衍射条纹图像，利用这些不同轴向方位角的衍射条纹图像来进行光纤定轴。

(5)将记录的图像进行图像处理得到转动方位角和光强度对应关系特征曲线，计算光纤偏振轴的特征参量，显示定轴结果。

具体实施过程中，检测过程中，使光纤10处于绷直状态，防止光纤10旋转的过程中产生环形旋转和抖动，避免相干光束照射于光纤的光强发生变化的现象，从而对定轴结果造成不良的影响。可以通过施加拉力在光纤10上使其处于绷直状态，同时还可以通过传感器来测定所施加的拉力值，进而确定光纤10是否处于绷直状态，而且可以通过传感器来判断拉力的大小，从而可以使得施加的拉力适当，不至于拉力过大导致光纤断裂。

在具体实施过程中，光纤的旋转可以通过步进电机来实现，将光纤固定在光纤夹具上，通过步进电机带动光纤夹具转动，从而带动光纤转动。此时光纤的轴向方位角实际为光纤随步进电机旋转的角度，通过记录光纤随步进电机旋转不同的角度对应的衍射条纹图像来进行定轴。

图像处理方法如下：

将拍摄的图片进行高斯滤波、灰度化和二值化处理，其中对图像进行高斯滤波和二值化是为了去除图像上噪声的影响，具体实施过程中二值化阈值可以设为200～230。灰度化是为了定位图像上的衍射条纹所处位置，便于统计图像上的衍射条纹灰度值，以灰度值代替光强进行计算，具体表现为：统计灰度图像上每一列的灰度值，根据统计的最大值来定位条纹中心所在图像上的列位置，然后根据条纹的宽度，选择条纹中心所在列位置左右各10个像素点以上，即可覆盖整个条纹所在的区域，提高图像处理的效率，使定轴速度更快，更高效。为了尽量减小激光过滤时，产生的光强较强的杂散光影响，将衍射条纹以过滤位置为准将衍射条纹分为上下两部分进行亮条纹的灰度之和计算，通过对超细径光纤旋转一周所拍取的衍射条纹图像进行上述相同的图像处理，即可得到随旋转角度变化的特征曲线。

如图3所示，根据图像处理后的特征曲线波形的一般规律，会出现周期性变化的宽峰，寻找两个宽度最大的宽峰，将所选取任一个宽峰宽度中心作为判断光纤偏振轴的特征参量，其特征参量所对应的角度即为光纤的轴向方位。相比于现有的许多以特征曲线峰值作为定轴的特征参量进行相关处理进行定轴的方法，本实施例选取宽峰宽度中心为定轴特征值，可避免因定轴系统不稳定造成曲线上出现许多杂峰(如图5)，影响正确峰值的判断，造成定轴精度下降的不良影响，因此，如图4所示，通过改变图像处理参数进行图像优化后，可获取上述光纤特征曲线的一般规律，以宽峰宽度中心为定轴特征值来进行定轴会更加稳定，精度更高，此方式能够应用于超细径保偏光纤。此外，对于普通的直径较粗的保偏光纤，其特征曲线也满足相同的规律(如图6)，该方法也适用，具有普遍适用性。

其中宽峰的宽度中心为特征曲线上最宽峰的某一高度的宽度中心，该高度范围在宽峰高度的0.2～0.5倍均可。具体高度的选取是通过选取特征曲线上的强度最大值与最小值之间的特定值作为阈值，该阈值范围优选为强度最大值与最小值之和的0.2～0.45倍。如图8所示，宽峰的寻找即宽度中心的确定是通过将曲线强度以高于阈值的强度值置于1，低于阈值的强度值置于0，实现数据的二值化，从而将曲线转换为随旋转角度变化的矩形波，在通过统计矩形波连续强度值为1的角度范围，寻找角度范围最大的角度中心，即可找到特征曲线中最宽的波峰位置和其中心所对应的角度，此中心角度即为保偏光纤轴向方位。

应用于具体的光纤时，在超细径保偏光纤和普通保偏光纤旋转360°的过程中，通过调节图像处理的相关阈值能够获得两个最宽的宽峰的特征曲线，且宽峰之间的中心位置角度之差在180°±2°内，通过利用显微镜观察保偏光纤端面发现宽峰中心所对应的位置即为保偏光纤慢轴方位，此外，根据衍射条纹图像可知，在保偏光纤慢轴方位角约±30°处，上下两部分条纹的光强总和变化明显，利用这一特点来实现定轴，既可以解决在利用关系曲线峰值来分辨慢轴方位时，对装置的精度和相关性能要求较高的难度，也可以更加快速搜索到保偏光纤偏振轴所在的方位角，从而提高定轴速度和定轴精度。而对光子晶体光纤的定轴发现，其光纤内部的微结构外观均可通过前向散射光强曲线的特征反映出来，其特征在于曲线中的特征峰呈一定角度的周期性排列，分别对应光子晶体光纤内部微结构外观的各个轴向角，特征峰的选取是将曲线以一个周期进行划分，在所划分的各个区域内，寻找数值最大值来确定的。通过这些特征峰即可实现光子晶体的定轴，其定轴误差也均在2°以内，满足实际应用的需求。

实施例3

本实施例是利用上述实施例1的装置进行实施例2的检测方法，所述光纤10选用如图9所示的去除涂覆层的直径为40μm的超细径保偏光纤。

上述检测方法为：

将光纤夹具11夹持光纤10两端，通过调节转动部件上的竖直调节装置7和水平调节装置，使两端的光纤夹具11尽可能处于同轴转动状态；具体实现时，水平和竖直方向上的调节可以借助显微镜来辅助观察。

旋转调节杆15推动滑块14，同时利用压力传感器测量光纤10上的张力，根据张力稳定值判断光线处于绷直状态；调节杆15、滑块14都是属于高精度的调节结构，以使其能够满足光纤调节的需求。

调节相干光发射器2上的发射器调节架，使发出的激光经过光阑准直后的光束和光纤处于同一平面上，并且垂直照射光纤10；

相干光穿透光纤10在空间形成的前向衍射条纹图像在成像屏9成像，在成像屏9上设置有孔，图像形成的中央亮斑从孔中穿过，。

调整成像屏9与光纤10之间的距离，使一定级数的前向衍射条纹图像呈现在成像屏9上；同时，调节图像记录装置13，使衍射条纹图像中光强较强的那部分衍射条纹图像能够清晰的被拍摄下来，并传送到图像处理装置16进行处理。

利用图像处理装置16控制步进电机6按转动步幅1度间歇转动，从而旋转光纤10，得到光纤10随步进电机旋转后得到的各个方位角的衍射图像。

利用图像处理装置16对所拍摄的衍射条纹图像(如图10所示)进行图像处理，获得光纤10方位角与衍射条纹上下两部分强度总和的对应关系曲线，如图3所示。

如图3所示，选取曲线中的最高的两个宽峰，宽峰中心位置对应的角度对应慢轴方位，通过定轴软件数据处理即可获取宽峰中心位置对应的角度，从而实现定轴。在定轴之后利用显微镜观测光纤10端面应力区分布情况，如图3所示，慢轴方向与激光照射方向基本垂直，通过测量其垂直度偏差，其偏差分别为1°和1.5°，证明该检测方法具有可行性，定轴精度之高。

以下是对不同类型的光纤进行定轴说明：

对图11所示的熊猫型保偏光纤进行方位角的确定，将其置于图1所示的检测装置中，按照实施例2的方法步骤进行，即可得到散射条纹图案(图12)上、下区域强度值总和与方位角的关系如图6所示，选取曲线中的最高的两个宽峰，宽峰中心位置对应的角度对应慢轴方位，通过图像处理装置的数据处理，即可获取宽峰中心位置对应的角度，从而实现定轴。另外，在定轴之后利用显微镜观测光纤端面应力区分布情况，如图6所示，慢轴方向与激光照射方向基本垂直，通过测量其垂直度偏差，其偏差分别为1°和0.5°，其定轴精度在1°内，定轴精度高。

对图13所示的光子晶体光纤进行轴向方位角的确定，将其置于图1所示的检测装置图中，即可得到散射条纹图案(图14)上、下区域强度值总和与方位角的关系如图15所示，选取曲线中六个特征峰前两个进行定轴评估，其相连两个特征峰角度之差为60°，特征峰所对应的角度即为光子晶体的轴向方位角，通过定轴软件的数据处理，即可获取特征峰所对应的角度，从而实现定轴。另外，在定轴之后利用显微镜观测光子晶体光纤端面微结构区分布情况，如图15所示，其轴向方位与激光照射方向基本垂直，通过测量其垂直度偏差，其偏差分别为0.5°和1°，其定轴精度在1°内，定轴精度高。

上述实施例中光纤10包括且不限于包层直径在40μm～125μm的保偏光纤以及某些微结构光纤，所述装置和方法均能实现光纤定轴。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤轴向无损在线检测装置，包括图像处理装置(16)、转动部件，其特征在于，还包括：光纤夹具(11)、成像屏(9)、相干光发射器(2)和图像记录装置(13)；

光纤夹具(11)安装在转动部件，所述光纤夹具(11)用于夹持光纤(10)，所述转动部件用于通过光纤夹具带动光纤(10)同轴转动；

所述相干光发射器(2)和成像屏(9)分别设置在光纤夹具(11)两侧，所述相干光发射器(2)发射的相干光束用于垂直照射光纤(10)；

所述成像屏(9)上设有中央亮斑过滤部件(18)；

所述图像记录装置(13)设于成像屏(9)向光纤夹具(11)方向一侧，并和图像处理装置(16)连接；

所述中央亮斑过滤部件(18)为成像屏(9)中设置的孔，所述相干光发射器(2)发射的相干光束垂直照射光纤(10)形成衍射条纹图像的中央亮斑穿过孔。

2.根据权利要求1所述的一种光纤轴向无损在线检测装置，其特征在于，装置还包括移动部件，所述移动部件上安装转动部件。

3.根据权利要求2所述的一种光纤轴向无损在线检测装置，其特征在于，所述移动部件包括对称设置的两个，每个移动部件包括滑轨(5)和滑块(14)，滑块(14)活动安装在滑轨(5)上；所述转动部件和光纤夹具(11)对应设置两个，两个转动部件分别安装在两个移动部件的滑块(14)上，其中一个滑块(14)上设置有调节杆(15)。

4.根据权利要求3所述的一种光纤轴向无损在线检测装置，其特征在于，还包括压力传感器，所述压力传感器设置在另一个滑块所在的滑轨(5)末端，所述压力传感器和图像处理装置(16)连接，另一个滑块(14)与压力传感器在所述一个滑块(14)通过调节杆(15)移动过程中形成接触连接。

5.根据权利要求2所述的一种光纤轴向无损在线检测装置，其特征在于，所述转动部件包括步进电机(6)，所述光纤夹具(11)安装在步进电机(6)上，步进电机(6)安装在滑块(14)上。

6.一种光纤轴向无损在线检测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-5任一项所述的光纤 轴向无损在线检测装置实现，方法包括：

调节光纤(10)使其保持同轴转动；

将相干光束和光纤(10)处于同一平面，相干光束垂直照射光纤(10)，形成衍射条纹；

过滤衍射条纹中央亮斑形成过滤后的衍射条纹图像；

旋转光纤，记录光纤不同轴向方位角的经过滤后的衍射条纹图像；

将记录的图像进行图像处理得到转动方位角和光强度对应关系特征曲线，计算光纤偏振轴的特征参量，显示定轴结果。

7.根据权利要求6所述的一种光纤轴向无损在线检测方法，其特征在于，所述光强度为将衍射条纹以中央亮斑位置为准将衍射条纹分为上下两部分，再计算亮条纹的灰度之和。

8.根据权利要求6所述的一种光纤轴向无损在线检测方法，其特征在于，所述特征参量是根据图像处理后得到特征曲线波形，提取特征曲线波形中一个或两个宽度最大的宽峰，以所选取任一宽峰的一定高度所对应的宽度中心作为宽峰的宽度中心，将确定的宽峰的宽度中心作为判断光纤偏振轴的特征参量。

9.根据权利要求8所述的一种光纤轴向无损在线检测方法，其特征在于，宽峰的确定方法为：选取特征曲线波形上的强度最大值与最小值之间的特定值作为阈值，通过将特征曲线波形中高于阈值的强度值置于1，低于阈值的强度值置于0，实现特征曲线波形数据的二值化，通过统计矩形波连续强度值为1的角度范围，寻找两个角度范围最大的角度中心，即找到特征曲线中最宽的波峰位置和其中心所对应的角度。

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