CN1469101A - 从条纹图像提取圆形区域的方法 - Google Patents

Abstract

一种圆形区域提取方法，将在被观察区域内具有待分析的圆形区域的样品的条纹图像拍摄到一坐标系统上，通过条纹分析方法在该坐标系统上对该区域的条纹图像进行二进制编码，将彼此平行、具有预定间隔的多个线性光栅设置在经过二进制编码的坐标系统上，并使用该线性光栅，以便在该坐标系统上提取一代表被分析区域的圆形图像区域。

Description

从条纹图像提取圆形区域的方法

相关申请

本申请要求2002年6月28日提出的日本专利申请No.2002-191404的优先权，该专利申请在此引作参考。

发明背景

发明领域

本发明涉及一种从条纹图像提取圆形区域的方法。该方法在具有被拍摄(capture)的载有相位信息(如在被观察区域内具有待分析的圆形区域的样品的表面形状和内在折射率)的条纹图像的坐标系统上，提取(extract)一代表被分析区域的圆形图像区域。

相关技术描述

近来，针对光通信中所用光纤的研究和开发非常活跃。这种光纤的一种已知例是一种例如，包括一外径为大约10μm的芯，和一设置在其外围的外径为大约125μm的包层，还包括一设置在其连接端部分的用于连接该光纤与另一光纤的套管的光纤。

套管为一种构成光连接器的圆柱形元件，用于支撑并固定光纤的一端，以便将其与另一光纤相连。在用粘合剂等将光纤插入并固定到套管外径的中心部分以后，将套管的前端抛光成镜面，从而当两个套管的前端面彼此紧靠时，可以将被各自套管支撑的两个光纤彼此相连。

尽管已知套管的前端面已被抛光成垂直于光轴的平面，或者与光轴倾斜相交的平面，然而最近已将注意力放在其前端面受到PC(物理接触)抛光，以便获得凸球面形状，使前端面由于套管前端面彼此紧靠的压力而发生弹性形变的套管。

为了减小光纤彼此相连时产生的光损耗，JIS(日本工业标准)定义了套管的各种高精度规格。对于PC抛光套管，限定为6μm量级规格，如前端面曲率半径的尺寸误差，和套管球形前端面的顶点与光纤芯中心(光纤外形的中心)之间的位置偏差。

有时使用显微干涉仪设备(也称作“干涉显微镜”)检查所制成的套管是否符合上述规格。该显微干涉仪设备被成形为，观察载有相位信息如小样品表面形状和折射率分布的物光，与由预定参考面反射的参考光之间干涉形成的干涉条纹，测量并分析干涉条纹的形状和改变，从而获得该样品的相位信息。

当使用这种显微干涉仪设备检查所制造的套管时，必须在具有所拍摄的套管中被观察区域的条纹图像的坐标系统上，提取一代表光纤区域的圆形图像区域。

传统上已知的一种提取这种圆形图像区域的方法，是在具有所拍摄的条纹图像的坐标系统上逐渐移动一相当于该坐标系统上一参考尺寸的模板(在此坐标系统中该尺寸相当于光纤的芯区域)，将与该模板一致的图像区域定义为圆形图像区域。

不过，这种传统圆形区域提取方法存在的问题在于，需要花费时间提取该圆形图像区域，因为必须在该坐标系统上在具有所拍摄的条纹图像的整个图像区域上逐渐移动模板。

发明概述

鉴于上述情形，本发明的目的在于提供一种从条纹图像提取圆形区域的方法，它可快速地从拍摄到预定坐标系统上的样品中被观察区域的条纹图像，提取一代表待分析的圆形区域的圆形图像区域。

为了实现上述目的，本发明通过将在被观察区域内具有待分析的圆形区域的样品在该观察区域中的条纹图像拍摄到一预定坐标系统上，并且在该坐标系统上提取一代表该待分析区域的圆形图像区域，提供一种从条纹图像提取圆形区域的方法。

该方法包括以下步骤：

(i)执行二进制编码过程：

该二进制编码过程是，通过一预定的条纹分析方法确定坐标系统上每个像素的条纹强度信息，根据所确定的条纹强度信息确定一用于被观察区域中条纹图像二进制编码的阈值，并且通过根据所设定的阈值进行二进制编码，区分一在条纹图像中具有圆形图像区域条纹强度大小的候选区域，和一具有该圆形图像区域外部区域的条纹强度大小的非候选区域；

(ii)在经过二进制编码过程的该坐标系统上，设置多个彼此平行，且预定间隔P小于该圆形图像区域直径D的线性光栅；

(iii)测量由该候选区域中所包含的一部分线性光栅构成的线段的长度；

(iv)判断该线段的长度是否处于直径D的预定适宜长度范围之内或者更短；以及

(v)执行圆形图像区域选择过程。

该圆形图像区域选择过程是，在该坐标系统上设置经判断处于该范围内的该线段的中垂线，测量由该候选区域内包含的一部分中垂线构成的直径候选线段的长度，判断该直径候选线段的长度是否基本上等于直径D，并将包括所确定的直径候选线段的图像区域视作该圆形图像区域的选择候选区域，

或者在改变该线性光栅倾斜度的同时，执行圆形图像区域选择过程多次；

从而确定并提取该圆形图像区域。

此处，“执行圆形图像区域选择过程…或者在改变该线性光栅倾斜度的同时执行圆形图像区域选择过程多次”意味着，如果执行一次圆形图像区域选择过程能确定该圆形图像区域，则可结束提取过程，而如果不能通过一次图像区域选择过程确定该圆形图像区域，则可在改变线性光栅倾斜度的同时重复执行圆形图像区域选择过程，每次线性光栅的倾斜度不同，直至确定该圆形图像区域。

该方法还可以包括一第一中心位置确定过程，用于在由圆形图像区域选择过程提取圆形图像区域之后，确定该圆形图像区域中所包含的直径候选线段的中心位置，并将所确定的中心位置视作该圆形图像区域的中心位置。

该方法还可以包括一第二中心位置确定过程，用于在由圆形图像区域选择过程提取圆形图像区域之后，根据该圆形图像区域的面积确定该圆形图像区域的重心位置，并将所确定的重心位置视作该圆形图像区域的中心位置。

可以将该预定间隔P设定在下式范围之内： $\sqrt{3}D/2\≥P\≥D/10$

其中D为圆形图像区域的直径。

可使用相移条纹分析方法或傅里叶变换条纹分析方法作为该预定条纹分析方法。

可以使用调制(等效于对比度或幅值)作为条纹强度信息。

附图简要说明

图1为流程图，表示根据本发明第一实施例的方法的示意过程；

图2为用于解释一例圆形图像区域选择过程的示意图；

图3为流程图，表示根据本发明第二实施例的方法的示意过程；以及

图4为用于实现本发明方法的显微干涉仪设备的透视图。

最佳实施例说明

下面，将参照附图说明本发明的实施例。

第一实施例

首先，将参照图1说明根据本发明第一实施例从条纹图像提取圆形区域的方法的概要。图1为流程图，表示根据本发明第一实施例的方法的示意过程。

根据本发明第一实施例的方法使用一相移条纹分析方法。该相移条纹分析方法也称条纹扫描条纹分析方法，其通过改变干涉仪设备中参考面与样品之间的间隙，改变物光与参考光之间的光程长度差，并且根据该时刻干涉条纹的改变(干涉条纹移动)确定样品的相位分布。

首先，将用于在被观察区域内具有待分析的圆形区域的样品(例如套管)的相移条纹分析方法用的多个条纹图像，即其条纹图案相对一个被观察区域分几阶段移动的条纹图像，拍摄到一预定坐标系统上(S1)。所拍摄的条纹图像具有彼此偏移的相应干涉条纹强度分布，这是因为其偏移的条纹图案。根据这多个条纹图像，可获得与该坐标系统上各个象素相应的各种条纹强度信息，如光强、对比度、锐度(也称作“清晰度”)的改变，或图像的调制。在第一实施例的方法中，该相移条纹分析方法的算法被用来确定该坐标系统上每个像素的调制m(x，y)(S2)。下面将解释用于确定调制的过程。

随后，设定调制阈值，并且执行二进制编码过程，用于在该坐标系统上将被观察区域的条纹图像分成一调制不低于该阈值的图像区域，和一调制低于该阈值的图像区域(S3)。然后，使用后面将要解释的圆形图像区域选择过程，在经过二进制编码的坐标系统上提取出代表待分析的圆形区域的圆形图像区域(S4)。

判断圆形图像区域的提取是否成功(S5)。如果否，则将阈值改变成另一值，再次执行将被观察区域的条纹图像分成两个图像区域的二进制编码过程(S6)，然后流程返回上述步骤S4。如果圆形图像区域提取成功，则终止提取圆形图像区域的操作。

由于光纤与套管中套管主体之间的反射率不同，所以，如果确定了调制，则可区别光纤区域与其外部区域。

圆形图像区域选择过程

现在将参照图2说明圆形图像区域选择过程。图2为用于说明一例圆形图像区域选择过程的示意图。

如图2所示，在由二进制编码过程分成两个区域的图像的坐标系统上，最初将多个线性光栅50设置成彼此平行，且间隔P为圆形图像区域直径D的1/2。在图2中，假设通过二进制编码过程将两个图像区域，即一相应于圆形图像区域的图像区域60和一不相应于圆形图像区域的图像区域70，与它们的外部区分开，视作圆形图像区域的候选区域。

随后，测量图像区域60和70中线段61，62，71的相应长度L，并判断它们是否处于下式(1)所表达的适当长度范围之内： $\sqrt{3}D/2\≤L\≤D......\left(1\right)$

其中D为圆形图像区域的直径。

当将线性光栅50的间隔P设定为圆形图像区域直径D的1/2时，由一部分线性光栅50构成的至少1个并且不大于2个线段位于与该圆形图像区域相应的图像区域60之内，而其较长一段的长度总处于上述公式(1)所表达的适当长度范围之内。从而，总能识别与圆形图像区域相应的图像区域，而可将必须测量长度的线段的数量保持为较小。

不限于圆形图像区域直径D的1/2，可以将线性光栅50的间隔P设定为不大于直径D的任何长度。不过，当间隔P大于直径D的1/2时，必须使适宜长度范围更宽，以便总能识别出与圆形图象区域相应的图像区域，这还增加了必须测量长度的线段数量。当间隔P小于直径D的1/2时，可使适宜长度范围较窄，而线性光栅数量变得较大，从而同样增加了必须测量长度的线段数量。鉴于这些情况，最好将间隔P设定为满足下面的公式(2)，这是由于能压缩必须测量长度的线段数量： $\sqrt{3}D/2\≥P\≥D/10......\left(2\right)$

其中D为圆形图像区域的直径。

如果存在其长度处于上述适宜长度范围之内的线段，则在坐标上形成这些线段61，71的相应中垂线63，72，并且测量由作为候选区域的图像区域60，70中所包含的部分中垂线63，72构成的直径候选线段64，73的相应长度。然后，判断每个直径候选线段64，73的相应长度是否基本上等于上述直径D(例如，处于直径D增加或减少几个像素长度的长度范围内)。

如果根据该判断结果，存在基本上等于直径D的直径候选线段64，则将包括直径候选线段64的图像区域60视作圆形图像区域的候选区域。由于图2中仅存在一个与候选区域相应的图像区域60，故将该图像区域60定义并提取为圆形图像区域。如果不能通过一次圆形图像区域选择过程确定圆形图像区域，则在改变线性光栅倾斜度的同时重复执行与上述相似的圆形区域选择过程，每次线性光栅的倾斜度不同，直至可以确定圆形图像区域，从而提取该圆形图像区域。

确定圆形图像区域中中心位置的过程

现在将解释两种方法，作为确定由圆形图像区域选择过程提取的圆形图像区域的中心位置的过程。

第一种中心位置确定过程，其确定在圆形图像区域选择过程中被认为基本上等于圆形图像区域直径D的直径候选线段64(参见图2)的中心位置，并将该中心位置视作该圆形图像区域的中心位置。此处，可以执行圆形图像区域选择过程多次，从而确定直径候选线段的相应中心位置，然后可对所获得的中心位置求平均。

第二种中心位置确定过程，其根据圆形图像区域选择过程中所确定的圆形图像区域的二进制编码图像的面积，确定圆形图像区域的重心位置，并将该重心视作圆形图像区域的中心位置。可以使用图像处理领域中传统上已知的多种方法，作为确定重心的方法。

第二实施例

现在将参照图3说明根据本发明第二实施例的从条纹图像提取圆形区域的方法的概要。图3为流程图，表示根据本发明第二实施例的方法的示意过程。

根据本发明第二实施例的方法使用傅里叶变换条纹分析方法。此傅里叶变换条纹分析方法是一种使样品或参考面倾斜，以便获取叠加有一空间频率的条纹图像，并使所获得的条纹图像数据经历一系列傅里叶变换操作，从而根据操作结果确定该样品的相位分布的方法。

首先，对于在被观察区域内具有待分析的圆形区域的样品(例如套管)，将一用于上述傅里叶变换分析方法的条纹图像，即叠加有空间载频的条纹图像，拍摄到一预定坐标系统上(T1)。所拍摄的条纹图像经过一预定的傅里叶变换操作，并根据操作结果确定与该坐标系统上每个像素相应的调制m(x，y)(T2)。后面将解释确定调制的过程。

随后，在设定调制阈值的同时，执行二进制编码过程，以便在坐标系统上将该条纹图像分成一其调制不低于该阈值的图像区域，和一其调制低于该阈值的图像区域(T3)。然后，利用上述圆形图像区域选择过程，在所二进制编码的坐标系统上提取与待分析的圆形区域相应的圆形图像区域(T4)。

判断该圆形图像区域的提取是否成功(T5)。如果否，则将阈值改变成另一值，然后再次执行将被观察区域的条纹图像分成两个图像区域的二进制编码过程(T6)，然后流程返回上述步骤T4。如果圆形图像区域的提取是成功的，则终止提取圆形图像区域的操作。此处，圆形图像区域选择过程与第一实施例中所解释的相同。

调制计算过程

下面，将利用公式说明上述相移条纹分析方法和傅里叶变换条纹分析方法中的调制计算过程的实例。

1)相移条纹分析方法中调制的计算

将通过例子，参照当前常用的5斗(bucket)式相移方法进行说明。首先，使用诸如压电装置(下面，简单地称为“PZT”)的高精确激励器将干涉仪设备的参考面移动五次，在各个移动阶段确定光强i₀到i₄。通过使用所确定的光强i₀到i₄，用下面的公式(3)表示所拍摄的条纹图像的相位：

可由下面的公式(4)或(5)确定5斗式相移方法中的调制m(x，v)： $m(x,y)=\frac{\sqrt{{(i_1-i_3)}^2+{(i_0-i_2)}^2}}{2}......\left(4\right)$ $m(x,y)=\frac{\sqrt{{(i_1-i_3)}^2+{(i_0+i_4-{2i}_2)}^2}}{2}......\left(5\right)$

2)傅里叶变换条纹分析方法中调制的计算

令f_x和f_y分别为空间载频的x-和y-方向分量，用下面的公式(6)表示从叠加有空间载频的条纹图像中获得的干涉条纹图像数据：

i(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πf_xx+2πf_yy+(x，y))    (6)

其中：

a(x，y)为干涉条纹的背景；

b(x，y)为条纹的清晰度；

(x，y)为被测量物体的相位；以及

f_x，f_y为载频。

将上述公式(6)变形成下面的公式(7)： $i(x,y)=a(x,y)+c(x,y)e^{i({2\mathrm{\πf}}_x+{2\mathrm{\πf}}_y)}+c^{*}(x,y)e^{i({2\mathrm{\πf}}_x+{2\mathrm{\πf}}_y)}......\left(7\right)$

其中c^*(x，y)为c(x，y)的复共轭。

此处，由下面的公式(8)表示c(x，y)：

上述公式(6)傅里叶变换成下面的公式(9)：

I(η，ζ)＝A(η，ζ)+C(η-f_x，ζ-f_y)+C^*(η+f_x，ζ+f_y)    (9)

其中A(η，ζ)为(x，y)的傅里叶变换，而C(η-f_x，ζ-f_y)和C^*(η+f_x，ζ+f_y)为c(x，y)和c^*(x，y)的相应傅里叶变换。

通过过滤，单独取出上述公式(9)的二次项成分，并且根据频率坐标系统上位于坐标(f_x，f_y)处的光谱峰，提取空间载频(f_x，f_y)。

另一方面，在频率坐标系统上展开所获得的C(η-f_x，ζ-f_y)，并且将位于坐标(f_x，f_y)处的光谱峰移动到频率坐标系统上的原点，以便消除空间载频。之后，进行逆傅里叶变换，以确定c(x，y)，从而产生下面公式(10)的虚部：

从而获得包围相位(wrapped phase)。

然后，可由下面的公式(11)确定傅里叶变换分析方法中的调制m(x，y)： $m(x,y)=\frac{1}{2}\sqrt{{\left\{\mathrm{Re}\right[c(x,y)\left]\right\}}^2+{\left\{\mathrm{Im}\right[c(x,y)\left]\right\}}^2}......\left(11\right)$

干涉仪设备

现在将参照图4说明用于实现每个上述实施例方法的干涉仪设备。图4为部分剖开的透视图，表示用于实现本发明方法的显微干涉仪设备。

图4所示的显微干涉仪设备1包括一由底板2、前板3(以部分割开的方式表示)、后板4、隔板5和箱盖6(以部分剖开的方式表示)构成的主外壳，而电源7、控制盒8和主系统10设置在该主外壳内部。

主系统10包括一物镜单元11，一压电装置12，一半反射镜/光源装置13，一成像透镜单元14，一反射镜盒15和一CCD摄像机装置16。其中，该成像透镜单元14，反射镜盒15和CCD摄像机装置16与固定到隔板5上的固定台17相连，而该物镜单元11，压电装置12和半反射镜/光源装置13与调焦台18(以部分剖开的方式表示)相连。

该调焦台18由沿前后方向(在附图中用箭头B和F表示)平行延伸的上导轴19A和下导轴19B(以部分剖开的方式表示)支撑，从而前后滑动。螺旋弹簧9设置在固定台17与调焦台18之间，从而由螺旋弹簧9的弹力向前推动调焦台18(在附图中沿箭头F的方向)。

前板3上提供一用于移动调焦台18的调焦螺钉20，从而实现主系统10的调焦。该调焦螺钉20包括一拧入前板3中形成的未示出螺孔中的螺杆轴21，从而在围绕其轴旋转时可前后移动；以及一用于旋转该螺杆轴21的旋扭22。螺杆轴21的前端面紧靠位于调焦台18前部的半球形突起18a。当螺杆轴21从前板3伸出的长度由于旋转旋钮22而改变时，调焦螺钉20可沿导轴19A，19B前后移动调焦台18，从而能进行调焦。

具有上述结构的干涉仪主系统10，用与参考光分离的未示出的光源发出的部分激光照射固定在物镜单元11前面预定位置处的小样品(例如套管)。使该样品反射的物光与参考光干涉。由此产生的干涉光通过成像透镜单元14内的成像透镜系统(未示出)，然后在未示出的CCD上形成干涉条纹的像。在测量并分析所获得干涉条纹的形态和变化时，可实现样品表面形态的三维测量，以及其物理性质测量。通过驱动压电装置12内的PZT，可执行相移条纹分析方法和傅里叶变换条纹分析方法。可采用的干涉仪主系统10有多种类型，如Mireau，Michelson和Linnik的干涉仪主系统。

前板3上提供一倾斜度调节装置100。该倾斜度调节装置100包括一固定在该前板3上的L-形第一基础件110，和一具有类似于第一基础件110的L-形状、并与该第一基础件110相对的第二基础件120。使用一起支点作用的支撑部件130对该第二基础件120进行支撑，使之可相对第一基础件110倾斜，并且分别通过第一和第二调节部件140、150，围绕从支撑部件130基本上沿水平方向延伸的轴旋转，和围绕从支撑部件130基本上沿垂直方向的轴旋转，从而相对第一基础件110调节倾斜度。

一夹紧装置的支架200被固定于倾斜度调节装置100的第二基础件120上。该支架200包括一前部件210，一后部件220和一将它们连接在一起的连接部件230，而通过三个止动螺钉240将前部件210固定到第二基础件120上。该夹紧装置的支架200的后部件220设置在物镜单元11的前表面一侧，而其中心部分具有一用于将夹紧装置300固定在其中的支架凹陷221。前板3还具有一电源开关30，用于打开/关闭显微干涉仪设备1的电源。

虽然前面解释了本发明的实施例，不过可以多种方式修改本发明，而不限于上述实施例。

例如，虽然上述实施例以用于光通信的套管作为在被观察区域内具有待分析圆形区域的样品，不过可以采用本发明的方法从具有这种圆形区域的多种样品的条纹图像中提取被分析的圆形区域。

并且，用于实现本发明方法的干涉仪设备不限于上述显微干涉仪设备，从而可使用多种类型的干涉仪设备。

另外，用于区别圆形图像区域与其外部图像区域的与坐标系统上每个像素相应的条纹强度信息，不限于上述调制。也可以使用光强、对比度或图像锐度作为条纹强度信息。

如前面详细解释的那样，根据本发明从条纹图像提取圆形区域的方法，将在被观察区域内具有待分析圆形区域的样品的条纹图像拍摄到一预定坐标系统上，通过预定的条纹分析方法在该坐标系统上对被观察区域的条纹图像进行二进制编码，将彼此平行具有预定间隔的多个线性光栅放置在该二进制编码的坐标系统上，并使用该线性光栅，执行圆形图像区域选择过程，在该坐标系统上提取代表被分析区域的圆形图像区域，从而产生下列效果：

即，通过使用线性光栅实现的圆形图像区域选择过程，仅需要一测量候选区域内所包括线性光栅的线段长度，并且判断该线段长度是否处于预先确定的适合长度范围之内的运算操作，以及一在坐标系统上形成所确定线段中垂线，测量该候选区域内所包含中垂线的线段长度，并判断该线段长度是否基本上等于圆形图像区域的直径的运算操作。因此，可以将用于提取圆形图像区域的运算操作量保持较小，从而可以高速度地提取圆形图像区域。

Claims (7)

1.一种从条纹图像提取圆形区域的方法，通过将在被观察区域内具有待分析的圆形区域的样品在该观察区域中的条纹图像，拍摄到一预定坐标系统上，并在所述坐标系统上提取一代表所述待分析区域的圆形图像区域；

所述方法包括以下步骤：

(i)执行二进制编码过程，

所述二进制编码过程是，通过一预定的条纹分析方法确定所述坐标系统上每个像素的条纹强度信息，根据所确定的条纹强度信息确定一用于所述被观察区域内所述条纹图像二进制编码的阈值，并且通过根据所设定的阈值进行所述二进制编码，区分一在所述条纹图像中具有所述圆形图像区域条纹强度大小的候选区域，和一具有所述圆形图像区域外部区域的条纹强度大小的非候选区域；

(ii)在经过所述二进制编码过程的所述坐标系统上，设置多个彼此平行，且预定间隔P小于所述圆形图像区域所述直径D的线性光栅；

(iii)测量由所述候选区域内所包含的所述一部分线性光栅构成的线段的长度；

(iv)判断所述线段的长度是否处于所述直径D的预定适宜长度范围之内或者更短；以及

(v)执行圆形图像区域选择过程，

所述圆形图像区域选择过程是，在所述坐标系统上设置经判断处于所述范围内的所述线段的中垂线，测量由所述候选区域内包含的一部分所述中垂线构成的直径候选线段的长度，判断所述直径候选线段的长度是否基本上等于所述直径D，并将包括所确定的直径候选线段的图像区域视作所述圆形图像区域的选择候选区域，

或者在改变所述线性光栅倾斜度的同时，执行所述圆形图像区域选择过程多次；

从而确定并提取所述圆形图像区域。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括一第一中心位置确定过程，其在由所述圆形图像区域选择过程提取所述圆形图像区域之后，确定所述圆形图像区域内所包含的所述直径候选线段的中心位置，并将所确定的中心位置视作所述圆形图像区域的中心位置。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括一第二中心位置确定过程，其在由所述圆形图像区域选择过程提取所述圆形图像区域之后，根据所述圆形图像区域的面积确定所述圆形图像区域的重心位置，并将所确定的重心位置视作所述圆形图像区域的中心位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定间隔P被设定在下式范围之内： $\sqrt{3}D/2\≥P\≥D/10$

其中D为圆形图像区域的直径。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定条纹分析方法为相移条纹分析方法。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定条纹分析方法为傅里叶变换条纹分析方法。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述条纹强度信息为调制。

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