CN113483693A - 一种光纤端面三维形貌的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤端面三维形貌的测量方法，所述方法包括：S1、选取光纤端面上某一点，对当前点上的干涉信号进行逐帧遍历；S2、获取当前点上干涉信号的最大值的位置、最小值的位置和次小值的位置；S3、在二次搜索区重新进行逐帧遍历，得到二次搜索区内干涉信号的最大值的位置；S4、将当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值进行比较，得到相干峰位置；S5、获取包含当前点的相干峰位置在内的连续五帧光强信息；S6、获取当前点的相位：S7、获取当前点的高度信息；S8、重复S1至S7，直至获取光纤端面上所有点的高度信息，以完成对光纤端面三维形貌的测量。本发明能够解决现有方法无法实现光纤端面的快速精确检测的技术问题。

Description

一种光纤端面三维形貌的测量方法

技术领域

本发明涉及表面形貌测量技术领域，尤其涉及一种光纤端面三维形貌的测量方法。

背景技术

光纤陀螺、大功率激光器和光纤电流互感器等传感器广泛应用于高精尖科技领域，这些传感器均以光纤作为基础物理量敏感载体，光纤本身特性显著影响传感器的性能。作为光纤的分界面，光纤的端面形态直接影响光波的出射/入射特性，极大地影响传感器的测量精度。因此，光纤的端面形态对传感器性能至关重要。为了更好地保证传感器性能，需要对光纤端面进行精确检测。

由于光纤端面属于微观尺寸并且端面特征相对脆弱，对光纤端面的测量需要采用无接触式的高精度表面检测技术。白光干涉技术作为一种高精度的无损微观检测技术，是实现光纤端面高精度检测的理想技术。

目前，利用白光干涉技术将光源出射光分为两束光，一束光经光纤端面返回，另一束光经参考面返回，两束光汇合干涉产生携带相位信息的干涉条纹。通过解算干涉条纹的相位信息获得光纤端面的高度信息。但这种解算方法需要严格按照相位要求进行扫描，且环境振动或器件延迟引起的噪声对解算具有较大的影响，同时相位解包裹运算量大，耗时较长。因此，现有方法无法实现光纤端面的快速精确检测。

发明内容

本发明提供了一种光纤端面三维形貌的测量方法，能够解决现有方法无法实现光纤端面的快速精确检测的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种光纤端面三维形貌的测量方法，所述方法包括：

S1、选取光纤端面上某一点，对当前点上的干涉信号进行逐帧遍历；

S2、获取当前点上干涉信号的最大值的位置、最小值的位置和次小值的位置；

S3、将干涉信号的最小值和次小值之间的位置作为二次搜索区，在二次搜索区重新进行逐帧遍历，得到二次搜索区内干涉信号的最大值的位置；

S4、将当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值进行比较，在比较结果为当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值相等的情况下，将当前点上干涉信号的最大值的位置作为相干峰位置；在比较结果为当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值不相等的情况下，将当前点上干涉信号的最大值的位置与二次搜索区内干涉信号的最大值的位置的中点作为相干峰位置；

S5、获取包含当前点的相干峰位置在内的连续五帧光强信息；

S6、根据连续五帧光强信息通过下式公式获取当前点的相位：

式中，φ(x,y)为当前点的相位，I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)、I₅(x,y)分别为第一、第二、第三、第四、第五帧的光强信息，x和y分别为横坐标和纵坐标；

S7、根据当前点的相干峰位置和相位获取当前点的高度信息；

S8、重复S1至S7，直至获取光纤端面上所有点的高度信息，以完成对光纤端面三维形貌的测量。

根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法。

应用本发明的技术方案，通过定位相干峰位置可以更好地抑制外界噪声对相干峰错峰的影响；通过相干峰位置和相位这两类信息实现高度解算，而不是单纯依赖相位信息进行解算，抑制了相位模糊，提高了解算精度。本发明方法利用白光干涉的峰值非模糊性和相移法的高分辨率，且在空域进行计算，不涉及频域计算，计算量较小，实现了对光纤端面的快速精确检测。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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示出了根据本发明的一种实施例提供的光纤端面三维形貌的测量方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，本发明提供了一种光纤端面三维形貌的测量方法，所述方法包括：

S1、选取光纤端面上某一点，对当前点上的干涉信号进行逐帧遍历；

S2、获取当前点上干涉信号的最大值的位置、最小值的位置和次小值的位置；

S3、将干涉信号的最小值和次小值之间的位置作为二次搜索区，在二次搜索区重新进行逐帧遍历，得到二次搜索区内干涉信号的最大值的位置；

S4、将当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值进行比较，在比较结果为当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值相等的情况下，将当前点上干涉信号的最大值的位置作为相干峰位置；在比较结果为当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值不相等的情况下，将当前点上干涉信号的最大值的位置与二次搜索区内干涉信号的最大值的位置的中点作为相干峰位置；

S5、获取包含当前点的相干峰位置在内的连续五帧光强信息；

S6、根据连续五帧光强信息通过下式公式获取当前点的相位：

式中，φ(x,y)为当前点的相位，I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)、I₅(x,y)分别为第一、第二、第三、第四、第五帧的光强信息，x和y分别为横坐标和纵坐标；

S7、根据当前点的相干峰位置和相位获取当前点的高度信息；

S8、重复S1至S7，直至获取光纤端面上所有点的高度信息，以完成对光纤端面三维形貌的测量。

本发明通过定位相干峰位置可以更好地抑制外界噪声对相干峰错峰的影响；通过相干峰位置和相位这两类信息实现高度解算，而不是单纯依赖相位信息进行解算，抑制了相位模糊，提高了解算精度。本发明方法利用白光干涉的峰值非模糊性和相移法的高分辨率，且在空域进行计算，不涉及频域计算，计算量较小，实现了对光纤端面的快速精确检测。

在本发明中，采用五帧相移法进行相位的确定，可以有效地抑制非均匀步距的误差，减少对解算精度的影响。由于相干峰位置的确定是基于离散的干涉信号采样点，因此真实相干峰的极值点与离散最大值之间还存在一定的偏差。为了实现更加精准的测量，该偏差通过五帧相移法实现补偿。

此外，现有方法在解算高度信息时，需要步距间隔恒定，且为

因为当移相器本身输出不恒定的步距，或是由外部噪声引起步距的变化，都会对相移法产生一定的干扰，降低解算精度。而本发明所提出的五帧相移法具有一定的抗干扰能力，可采用任意步距间隔，该五帧相移法可以有效地抑制非均匀步距的误差，提高解算精度。

本发明通过扫描光纤端面表面形貌，得到干涉图像，并记录干涉图像中像素点的灰度值，从而得到不同形貌位置的光强信息。对于单一固定像素点，假设五个相邻位置的光强信息分别为I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)、I₅(x,y)，则相应的表达式如下：

I₁(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y,Δ)cos[φ(x,y)-2α]

I₂(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y,Δ)cos[φ(x,y)-α]

I₃(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y,Δ)cos[φ(x,y)]；

I₄(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y,Δ)cos[φ(x,y)+α]

I₅(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y,Δ)cos[φ(x,y)+2α]

对上述方程组进行求解可得到下式：

进而可以解算出当前点的相位，如下式所示：

式中，φ(x,y)为当前点的相位，I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)、I₅(x,y)分别为第一、第二、第三、第四、第五帧的光强信息，x和y分别为横坐标和纵坐标，I′(x,y)为物光光源强度，即被测物表面返回光束光强，I″(x,y,Δ)为参考光光源强度，即参考镜表面返回光束光强，α为参考相位。

根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光纤端面三维形貌的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、选取光纤端面上某一点，对当前点上的干涉信号进行逐帧遍历；

S2、获取当前点上干涉信号的最大值的位置、最小值的位置和次小值的位置；

S3、将干涉信号的最小值和次小值之间的位置作为二次搜索区，在二次搜索区重新进行逐帧遍历，得到二次搜索区内干涉信号的最大值的位置；

S4、将当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值进行比较，在比较结果为当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值相等的情况下，将当前点上干涉信号的最大值的位置作为相干峰位置；在比较结果为当前点上干涉信号的最大值与二次搜索区内干涉信号的最大值不相等的情况下，将当前点上干涉信号的最大值的位置与二次搜索区内干涉信号的最大值的位置的中点作为相干峰位置；

S5、获取包含当前点的相干峰位置在内的连续五帧光强信息；

S6、根据连续五帧光强信息通过下式公式获取当前点的相位：

式中，φ(x,y)为当前点的相位，I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)、I₅(x,y)分别为第一、第二、第三、第四、第五帧的光强信息，x和y分别为横坐标和纵坐标；

S7、根据当前点的相干峰位置和相位获取当前点的高度信息；

S8、重复S1至S7，直至获取光纤端面上所有点的高度信息，以完成对光纤端面三维形貌的测量。

2.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述方法。

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