CN114445390A - 导光光纤束检验方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种导光光纤束检验方法和装置，将待测光纤束夹持在夹持工装处并将其与测试光源相连；通过CCD获取显微镜放大后的待测光纤束图像作为原始彩色图像；CCD获取的原始彩色图像传输至图像处理系统；将原始彩色图像转化成灰度图像；对前一步中的灰度图像进行扣除背景和去噪处理，得到处理后的灰度图像；将前一步的灰度图像进行阈值分割得到二值化图像；遍历二值化图像，找出亮度值为1且相邻像素之间存在四连通关系的连通区域，将该连通区域所对应的光纤丝记作有效光纤丝，得到光纤束内有效光纤丝的数量；判断有效光纤丝的数量是否大于阈值；大于时判定光纤束合格；否则判定光纤束不合格。该方法能获得光纤束内有效光纤丝数量，判断光纤束质量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤质量检测技术领域，尤其涉及一种导光光纤束检验方法和装置。
背景技术
插管内窥镜(包括硬管式内窥镜、软管式内窥镜)的成像离不开充足的照明，其中具有导光功能的光纤束是内窥镜照明光路的核心光学器件，是影响照明的一个重要因素，如图1所示。导光光纤束是由上千根非常细的光纤丝捆扎成一体，光纤丝周围使用环氧树脂填充，如图2所示，每一根光纤丝～10um的粗细。导光光纤束中光纤丝的质量直接关系着最终导光的通量和照明亮度。
由于单个光纤束中单根光纤丝非常细、柔软、易折断、且数量大，现有技术中通常是对最终的导光光纤束进行检测评估，而无法做到对光纤丝的检测。具体的检测过程如下：将光纤束的一端与发光光源连接，通过肉眼或者光学仪表(如照度计)观测光纤束另一端的亮度来判断光纤束是否合格。很明显，这种方法只能对光纤束进行粗略检测，无法精细地检测导光光纤束内全部光纤丝的好坏。且通过光学仪表(照度计)对光纤束检测时，对测试用光源、光源与光纤束之间耦合光路有着严格的要求，且很难比较准确地反应出所有光纤丝的导光特性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种导光光纤束检验方法和装置，其能够获得光纤束内可以导光的光纤丝的数量，这样便可以定量、准确地判断光纤束的质量。
为了实现上述目的，本申请的一方面提出了一种导光光纤束检验方法，包括以下步骤：
步骤1、将待测光纤束夹持在夹持工装处，使所述待测光纤束的头端端面与显微镜的镜头光轴垂直，将所述待测光纤束与测试光源的通光孔相连接，调节所述测试光源的调光旋钮来控制所述测试光源的出光量；
步骤2、通过CCD获取显微镜放大后的待测光纤束的图像作为待处理的原始彩色图像；
步骤3、所述CCD获取的原始彩色图像传输至图像处理系统中；
步骤4、在所述图像处理系统中，将原始彩色图像转化成灰度图像；
步骤5、对步骤4中的灰度图像进行扣除背景和去噪处理，得到处理后的灰度图像；
步骤6、将步骤5所得的灰度图像进行阈值分割，得到二值化图像；
步骤7、遍历整个二值化图像，找出亮度值为1且相邻像素之间存在四连通关系的连通区域，将该连通区域所对应的光纤丝记作有效光纤丝，得到光纤束内有效光纤丝的数量；
步骤8、判断光纤束内有效光纤丝的数量是否大于阈值；
步骤9、当光纤束内有效光纤丝的数量大于阈值时，则判定光纤束为合格光纤束；步骤10、当光纤束内有效光纤丝的数量小于等于阈值时，则判定光纤束为不合格光纤束。
在一些实施例中，在所述步骤2中，所述显微镜的光学放大倍率为0.5～10倍可调。
在一些实施例中，将CCD中光纤束图像的直径尺寸记作a，将CCD感光面的短边尺寸记作b，使a/b>0.8。
在一些实施例中，在所述步骤3与步骤4之间还设有以下步骤：当步骤3得到的原始彩色图像中，能够导光的光纤丝的图像亮度与光纤丝间隙填充树脂的图像亮度的差值小于100时，重复步骤1～3，通过在步骤1中调节所述测试光源的调光旋钮来控制所述测试光源的出光量，使得步骤3中得到的原始彩色图像中能够导光的光纤丝的图像亮度比光纤丝间隙填充树脂的图像亮度高出100以上，所述能够导光的光纤丝是指原始彩色图像中随机选取的一个能够导光的光纤丝。
在一些实施例中，在所述步骤6中，采用图像直方图的方式对步骤5所得的灰度图像进行阈值分割。
在一些实施例中，在所述步骤6与步骤7之间还设有以下步骤：去除二值化图像中包含像素个数小于40的连通区域。
本发明的另一方面提出了一种导光光纤束检验装置，包括载物台和测试光源，所述载物台上设有用于夹持待测光纤束的夹持工装，所述测试光源的通光孔用于与待测光纤束相连接，在所述载物台上经支架设有显微镜，所述显微镜与CCD相连接，所述CCD通过视频传输线与图像处理系统相连接。
在一些实施例中，所述夹持工装包括相连接的横板以及连板，所述连板与所述载物台相连接，所述横板与所述载物台平行，所述横板上沿上下方向设有用于夹持待测光纤束的通孔，所述横板的两侧还设有螺纹孔，所述螺纹孔中设有螺丝，其用于固定待测光纤束。
本申请的该方案的有益效果在于上述导光光纤束检验方法和装置，其能够获得光纤束内可以导光的光纤丝的数量，这样便可以定量、准确地判断光纤束的质量；本申请所涉及的方法具有极强的鲁棒性，涉及到的图像分割算法具有自适应阈值特征，对测试的照明光源、光源与待检验的光纤束之间的耦合要求不高，从而极大简化了检验方法。
附图说明
图1示出了现有技术中内窥镜中光纤照明光路的示意图。
图2示出了现有技术中光纤束头端端面结构示意图。
图3示出了实施例中导光光纤束检验装置的结构示意图。
图4示出了实施例中夹持工装的结构示意图。
图5示出了实施例中导光光纤束检验装置的局部结构示意图。
图6示出了实施例中待测光纤束、显微镜以及CCD之间的成像关系示意图。
图7示出了实施例中光纤束在CCD感光面上成像后的示意图。
图8示出了实施例中显微镜观测下的光纤束头端图像示意图。
图9示出了实施例中原始彩色图像转化为灰度图像后的示意图。
图10示出了实施例中使用形态学开运算获得的背景的示意图。
图11示出了实施例中扣除背景和去噪后的灰度图像的示意图。
图12示出了实施例中扣除背景和去噪后的灰度图像的直方图分布。
图13示出了实施例中对扣除背景和去噪后的灰度图像进行阈值分割后得到二值化图像的示意图。
图14示出了实施例中去除二值化图像中包含像素个数小于40的连通区域后所得到的图像示意图。
图15示出了实施例中导光光纤束检验方法流程图。
附图标记：1-光源，2-光源发光面，3-耦合透镜，4-光纤束入光端面，5-光纤束，6-光纤束出光端面，7-光纤丝，8-环氧树脂，9-金属头端，10-载物台，11-支架，12-显微镜，13-CCD，14-视频传输线，15-图像处理系统，16-夹持工装，17-待测光纤束，18-测试光源，19-开关，20-调光旋钮，21-通光孔，22-螺丝，23-物面，24-像面，25-光纤束图像，26-光纤束图像外接矩形，27-CCD感光面。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
如图3-5所示，本申请所涉及的导光光纤束检验装置包括载物台10，所述载物台10上设有用于夹持待测光纤束17的夹持工装16，在本实施例中，所述夹持工装16包括相连接的横板以及连板，所述连板与所述载物台10相连接，所述横板与所述载物台10平行，所述横板上沿上下方向设有用于夹持待测光纤束17的通孔，所述横板的两侧还设有螺纹孔，所述螺纹孔中设有螺丝22，其用于固定待测光纤束17。
所述导光光纤束检验装置还包括测试光源18，所述测试光源18的通光孔21用于与待测光纤束17相连接，在所述载物台10上经支架11设有显微镜12，所述显微镜12与CCD13相连接，所述CCD13通过视频传输线14与图像处理系统15相连接，所述图像处理系统15用于对图像进行处理并显示。
光纤束中包含若干光纤丝7，光纤丝7的质量直接关系着最终导光的通量和照明。具体的光纤束中各光纤丝的亮度有可能不完全一致，有的光纤丝图像亮度非常高(亮度在245～255之间)，有的光纤丝图像亮度一般(亮度在125～165之间)，有的光纤丝则几乎没有亮度(亮度在5～40之间)。其中，有亮度的光纤丝为有效光纤丝，亮度非常高的光纤丝是我们期望的，因为其导光效率最高；亮度处于一般的光纤丝也是正常的光纤丝，有可能因其端面脏污或者该光纤丝在制作过程中表面被树脂部分污染导致透光率不是最高，这种情况可以通过酒精擦拭或者端面研磨来提升其导光效率。几乎没有亮度的光纤丝是无效光纤丝，不具备导光功能，这种情况有可能是使用过程中弯折或者其他操作导致光纤丝中间断裂，导致其无法正常导光。因此当一个导光光纤束中无效光纤丝数目达到一定程度时，该光纤束的导光效率就无法满足正常的使用要求。基于此，本申请提出一种导光光纤束检验方法，其包括以下步骤，如图15所示：
步骤1、将待测光纤束17夹持在夹持工装16处，使所述待测光纤束17的头端端面与显微镜12的镜头光轴垂直，这样便能够保证在显微成像中，待测光纤束17中的光纤丝处在同一个焦平面上。将所述待测光纤束17与测试光源18的通光孔21相连接，调节所述测试光源18的调光旋钮20来控制所述测试光源18的出光量。
步骤2、通过CCD13获取显微镜12放大后的待测光纤束17的图像作为待处理的原始彩色图像，如图6以及图8所示。
在本实施例中，所述显微镜12的镜头可以为固定倍数镜头(即定倍镜头)，也可以为变倍镜头，使用定倍镜头时，可以通过切换不同放大倍率的物镜来实现最佳的放大倍数；使用变倍镜头时，可以通过手动调节调焦环来调节镜头的放大倍率。具体地，不论是定倍镜头、还是变倍镜头，所述显微镜12的光学放大倍率为0.5～10倍可调，这样便可以保证整个光纤束所成的图像尽可能的填充整个CCD感光面27，如图7所示，保证单个光纤丝成像的有效像素尽可能多，图像中单个光纤丝所占的像素越多，越利于后续步骤中的图像分割和最终的有效光纤丝的统计。
在本实施例中，为了保证整个光纤束所成的图像尽可能的填充整个CCD感光面27，同时，有效图像全部信息能全部显示在CCD13上，可以使a/b>0.8，其中a表示CCD13中光纤束图像的直径尺寸，b表示CCD感光面的短边尺寸，如图7所示。
步骤3、所述CCD13获取的原始彩色图像传输至图像处理系统中。
为了使检验精度更高，还可以设有以下步骤：当步骤3得到的原始彩色图像中，能够导光的光纤丝(记作有效光纤丝)的图像亮度与光纤丝间隙填充树脂的图像亮度的差值小于100时，重复步骤1～3，通过在步骤1中调节所述测试光源18的调光旋钮20来控制所述测试光源18的出光量，使得步骤3中得到的原始彩色图像中能够导光的光纤丝的图像亮度比光纤丝间隙填充树脂的图像亮度高出100以上，也就是使原始彩色图像中能够导光的光纤丝的图像亮度要明显高于光纤丝间隙填充树脂的图像亮度。因为随着测试光源18出光量的增大，导光光纤丝的出光量会增大，其对应的图像亮度随之增大，而光纤丝周围填充的树脂(环氧树脂)不导光，测试光源18的出光量对树脂的亮度影响不大。从而通过调节测试光源18的出光量，可以达到把光纤丝的图像亮度与树脂的图像亮度区分开来的目的，具体地，导光光纤丝的图像亮度值比周围树脂的图像亮度值高出100以上。
步骤4、在所述图像处理系统15中，将原始彩色图像转化成灰度图像，如图9所示，这样后续只处理灰度信息。
具体的，将原始彩色图像转化成灰度图像的实现方式是：gray＝0.299*R+0.587*G+0.11400*B；其中gray为转化后的灰度图像的灰度值；R为原始彩色图像中红色通道的亮度值；G为原始彩色图像中绿色通道的亮度值；B为原始彩色图像中蓝色通道的亮度值。
步骤5、对步骤4中的灰度图像进行扣除背景和去噪处理，得到处理后的灰度图像，如图11所示。
考虑到步骤4得到的灰度图像中，光纤丝的图像亮度要高于背景图像的亮度，背景图像有可能不均匀，且灰度图像中有噪声，因此可以通过形态学处理使背景图像更加均匀，同时达到去除低通噪声的效果。
在本实施例中，使用形态学开运算获得步骤4所得灰度图像中所有的背景，需要删除所有的前景(即光纤丝的图像信息)，使用形态学开运算操作，开运算的半径r近似为光纤丝在灰度图像中的半径。通过使用形态学开运算获得的背景记作Iopen，如图10所示。将步骤4所得灰度图像Igray与背景图像Iopen作差，得到扣除背景后的灰度图像I，即I＝Igray-Iopen。
步骤6、将步骤5所得的灰度图像进行阈值分割，得到二值化图像，如图13所示。
在本实施例中，采用图像直方图的方式对步骤5所得的灰度图像进行阈值分割，如图12所示，这样便不需要手动输入阈值。在图12中，有两个明显的类似高斯分布区域，其中左侧区域(图像亮度低)对应着背景信息，右侧区域(图像亮度高)对应着前景(光纤丝)信息。左侧区域的峰值对应亮度值I1＝2；右侧区域的峰值对应亮度值I2＝150；取I1和I2的中间值作为分割点I0，即I0＝0.5*(I1+I2)，使用I0对步骤5所得的灰度图像进行分割，得到二值化图像。
图像的局部随机噪声(如椒盐噪声)，会对目标图像中的特征引入误差。具体地，局部随机噪声会在图像中引入局部过亮像素区域，这些过亮区域面积很小(不超过40)，远小于光纤丝所包络的面积。因此为了提高检验精度，还可以设有以下步骤：去除二值化图像中包含像素个数小于40的连通区域，如图14所示。可以从图13中看出，步骤6所得到的二值化图像中存在一部分区域为很小的连通区域，这些连通区域是由于噪声引起的，通过删除这些区域，得到的二值化图像可以更加准确的统计光纤丝的数量，如图14所示。
步骤7、遍历整个二值化图像，找出亮度值为1且相邻像素之间存在四连通关系的连通区域，将该连通区域所对应的光纤丝记作有效光纤丝，得到光纤束内有效光纤丝的数量n。
因为已知要处理的图像是由光纤丝和周围的填充树脂组成的，不会有其他的特征。而单根光纤丝是不能分割的最小照明单元，如果单根光纤丝导通，则该光纤丝对应的所有像素则亮度值高，如果该光纤丝不导通，则该光纤丝对应的所有像素亮度值很低。在图像中，单个有效光纤丝的特征是：单个光纤丝内的所有有效像素(二值化处理后值为1的像素)都是彼此相邻的，相邻像素之间至少存在四连通关系，部分像素之间存在八连通关系。而一个光纤丝与另一个光纤丝之间存在边界，意味着，这两个光纤丝对应的二值化区域是不连通的，具体地，两个区域的边界上的像素之间不满足四连通关系，从而，两个光纤丝区域通过连通的数学关系可以区分开来。
步骤8、判断光纤束内有效光纤丝的数量n是否大于阈值N。
步骤9、当光纤束内有效光纤丝的数量n大于阈值N时，则判定光纤束为合格光纤束。
步骤10、当光纤束内有效光纤丝的数量n小于等于阈值N时，则判定光纤束为不合格光纤束。
本申请所涉及的导光光纤束检验方法和装置，能够获得光纤束内可以导光的光纤丝的数量，这样便可以定量、准确地判断光纤束的质量；本申请所涉及的方法具有极强的鲁棒性，涉及到的图像分割算法具有自适应阈值特征，对测试的照明光源、光源与待检验的光纤束之间的耦合要求不高，从而极大简化了检验方法。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种导光光纤束检验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将待测光纤束夹持在夹持工装处，使所述待测光纤束的头端端面与显微镜的镜头光轴垂直，将所述待测光纤束与测试光源的通光孔相连接，调节所述测试光源的调光旋钮来控制所述测试光源的出光量；
步骤2、通过CCD获取显微镜放大后的待测光纤束的图像作为待处理的原始彩色图像；
步骤3、所述CCD获取的原始彩色图像传输至图像处理系统中；
步骤4、在所述图像处理系统中，将原始彩色图像转化成灰度图像；
步骤5、对步骤4中的灰度图像进行扣除背景和去噪处理，得到处理后的灰度图像；
步骤6、将步骤5所得的灰度图像进行阈值分割，得到二值化图像；
步骤7、遍历整个二值化图像，找出亮度值为1且相邻像素之间存在四连通关系的连通区域，将该连通区域所对应的光纤丝记作有效光纤丝，得到光纤束内有效光纤丝的数量；
步骤8、判断光纤束内有效光纤丝的数量是否大于阈值；
步骤9、当光纤束内有效光纤丝的数量大于阈值时，则判定光纤束为合格光纤束；
步骤10、当光纤束内有效光纤丝的数量小于等于阈值时，则判定光纤束为不合格光纤束。
2.根据权利要求1所述的导光光纤束检验方法，其特征在于：在所述步骤2中，所述显微镜的光学放大倍率为0.5～10倍可调。
3.根据权利要求2所述的导光光纤束检验方法，其特征在于：将CCD中光纤束图像的直径尺寸记作a，将CCD感光面的短边尺寸记作b，使a/b>0.8。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的导光光纤束检验方法，其特征在于：在所述步骤3与步骤4之间还设有以下步骤：当步骤3得到的原始彩色图像中，能够导光的光纤丝的图像亮度与光纤丝间隙填充树脂的图像亮度的差值小于100时，重复步骤1～3，通过在步骤1中调节所述测试光源的调光旋钮来控制所述测试光源的出光量，使得步骤3中得到的原始彩色图像中能够导光的光纤丝的图像亮度比光纤丝间隙填充树脂的图像亮度高出100以上，所述能够导光的光纤丝是指原始彩色图像中随机选取的一个能够导光的光纤丝。
5.根据权利要求4所述的导光光纤束检验方法，其特征在于：在所述步骤6中，采用图像直方图的方式对步骤5所得的灰度图像进行阈值分割。
6.根据权利要求5所述的导光光纤束检验方法，其特征在于：在所述步骤6与步骤7之间还设有以下步骤：去除二值化图像中包含像素个数小于40的连通区域。
7.一种导光光纤束检验装置，其特征在于：包括载物台和测试光源，所述载物台上设有用于夹持待测光纤束的夹持工装，所述测试光源的通光孔用于与待测光纤束相连接，在所述载物台上经支架设有显微镜，所述显微镜与CCD相连接，所述CCD通过视频传输线与图像处理系统相连接。
8.根据权利要求7所述的导光光纤束检验装置，其特征在于：所述夹持工装包括相连接的横板以及连板，所述连板与所述载物台相连接，所述横板与所述载物台平行，所述横板上沿上下方向设有用于夹持待测光纤束的通孔，所述横板的两侧还设有螺纹孔，所述螺纹孔中设有螺丝，其用于固定待测光纤束。
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2022
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