專利名稱：光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與光纖連接器有關(guān)，涉及光纖連接器的端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x及用于光纖連接器端面幾何參數(shù)的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
光纖連接器是光通信、光纖傳感器及其它光纖應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的基礎(chǔ)元件之一。光纖連接器的端面幾何參數(shù)決定其插入損耗、回波損耗、重復(fù)性和互換性等技術(shù)性能。因此，在光纖連接器研磨生產(chǎn)、成品檢測(cè)和裝配使用過程中，對(duì)其端面幾何參數(shù)的檢測(cè)非常必要。光纖連接器端面幾何參數(shù)主要有曲率半徑、球面頂點(diǎn)偏心量、光纖高度和端面傾斜角，如圖1所示。光纖1由環(huán)氧樹脂層3粘結(jié)固定于插針體2中，光纖連接器的端面由光纖的端面與插針體的端面構(gòu)成。4、6、7分別為光纖連接器端面的曲率半徑、球面頂點(diǎn)偏心量和端面傾斜角。5a和5b均為光纖高度，其中5a表示光纖凹陷，光纖高度為負(fù)值；5b表示光纖突出，光纖高度為正值。
目前，對(duì)光纖連接器端面的檢測(cè)通常是使用放大鏡直接觀察，這只能粗略地了解端面的光潔度、劃痕等表面狀況；或者使用干涉顯微鏡，根據(jù)干涉條紋來推測(cè)端面的表面形狀及曲率半徑，其精度低，誤差大，而且無法給出球面頂點(diǎn)偏心量、光纖高度和端面傾斜角等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。利用光學(xué)波面干涉測(cè)量技術(shù)獲得光纖連接器端面形貌，通過分析形貌數(shù)據(jù)，可得到光纖連接器的所有端面幾何參數(shù)。
在先技術(shù)[1](林敏，黃建軍，李景鎮(zhèn)，“光纖連接器端面干涉測(cè)試系統(tǒng)”，激光雜志，21(1)，2000，33-34)采用Michelson顯微干涉儀結(jié)合4步步進(jìn)式相位調(diào)制技術(shù)，得到被測(cè)光纖連接器端面的三維形貌數(shù)據(jù)，根據(jù)二維截面圖、三維形貌圖及干涉條紋圖，求出端面幾何參數(shù)。該測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。光源1發(fā)出的單色光由準(zhǔn)直系統(tǒng)2擴(kuò)束準(zhǔn)直，經(jīng)分光鏡3分成兩束。一束光通過顯微物鏡4后照射到光纖連接器5的端面上，其反射光由顯微物鏡4收集成像。另一束光通過顯微物鏡6后照射到平面反射鏡7上，其反射光由顯微物鏡6收集成像作為參考信號(hào)，與光纖連接器5的端面像產(chǎn)生干涉。干涉圖樣經(jīng)變焦系統(tǒng)8放大成像在CCD9上，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器10后被計(jì)算機(jī)11采集。平面反射鏡7粘結(jié)在壓電陶瓷13上，計(jì)算機(jī)11通過控制驅(qū)動(dòng)電路12來驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷13伸縮，從而使平面反射鏡7移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)參考光的相移。該測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)測(cè)量精度為曲率半徑相對(duì)誤差≤1％，球面頂點(diǎn)偏心量≤2μm，未提供光纖高度和端面傾斜角的測(cè)量精度。
在先技術(shù)[1]雖然實(shí)現(xiàn)了光纖連接器端面幾何參數(shù)的測(cè)量，但是該技術(shù)存在的缺陷削弱了其測(cè)量精度。這表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面(1)光纖連接器端面幾何參數(shù)中，球面頂點(diǎn)偏心量、光纖高度和端面傾斜角的計(jì)算都必須以光纖中心位置的確定為前提。該技術(shù)僅由被測(cè)光纖連接器端面的三維形貌數(shù)據(jù)來確定光纖中心的位置，這是不可靠的。理想的光纖連接器端面是一個(gè)由光纖端面與插針體端面構(gòu)成的光滑連續(xù)球面，即是光纖高度為0，所以在光纖連接器研磨生產(chǎn)過程中，力求使光纖端面與插針體端面的高度差最小。因此，通常對(duì)端面采用整體研磨，使光纖端面與插針體端面形成平滑過渡。由于兩者極少形成臺(tái)階狀突變，僅從端面的三維形貌數(shù)據(jù)難以區(qū)分出光纖與插針體的相對(duì)位置，就難以精確確定光纖中心的位置，從而較難保證球面頂點(diǎn)偏心量、光纖高度和端面傾斜角的測(cè)量精度。
(2)該技術(shù)采用牛頓環(huán)測(cè)量端面的曲率半徑，這就必須通過人工判讀牛頓環(huán)條紋級(jí)數(shù)，精度不高，且需人工干預(yù)，不適用于儀器化的自動(dòng)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述在先技術(shù)中的不足，提供一種光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，該儀器應(yīng)具有測(cè)量高精度和自動(dòng)化的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，它采用Twyman-Green干涉儀結(jié)構(gòu)，其特征在于包括光源，沿該光源所發(fā)射光束前進(jìn)方向上同光軸地依次置有準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、分束器、遮光器和粘結(jié)在壓電陶瓷上的參考平面反射鏡，在穿過分束器的中心且垂直于光源發(fā)射光束的方向上，分束器的一端置有被測(cè)光纖連接器，一光學(xué)系統(tǒng)處于該分束器和光纖連接器之間，分束器的另一端置有透鏡和光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路與所述壓電陶瓷相連。
所述的光源為穩(wěn)頻的單縱模激光器，可以是半導(dǎo)體激光器、或固體激光器、或氣體激光器。
所述的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)是望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或光纖-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或棱鏡-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。
所述的分束器是斜面鍍有分光膜，直角面鍍有全透膜的分光棱鏡，或一面鍍有分光膜，另一面鍍有全透膜的平行平板。
所述的光學(xué)系統(tǒng)是能將入射準(zhǔn)直光按一定倍數(shù)縮束成較細(xì)準(zhǔn)直光，并有一定成像放大能力的光學(xué)系統(tǒng)，如望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
所述的光電探測(cè)器是二維陣列電荷耦合器件，或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體探測(cè)器。
所述的驅(qū)動(dòng)電路是能驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷動(dòng)作使平面反射鏡運(yùn)動(dòng)，對(duì)參考光束進(jìn)行相位調(diào)制的電路。所述的相位調(diào)制電路的相位調(diào)制形式可以是步進(jìn)式相位調(diào)制、線性連續(xù)相位調(diào)制、或正弦相位調(diào)制形式。
所述的遮光器是光開關(guān)或光斬波器。
該儀器測(cè)量光纖連接器端面幾何參數(shù)的步驟如下①計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)使參考光路中的遮光器不透光，不產(chǎn)生參考光，由光電探測(cè)器獲得光纖連接器端面像，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)；②計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)使參考光路中的遮光器透光，產(chǎn)生參考光，被測(cè)光纖連接器端面反射的探測(cè)光束與參考光束產(chǎn)生干涉，并采用4步步進(jìn)相位調(diào)制技術(shù)，在光電探測(cè)器上獲得4幅干涉圖像，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)；③對(duì)4幅干涉圖像相位提取得到包裹相位圖，采用基于新質(zhì)量圖的質(zhì)量導(dǎo)引相位展開算法展開包裹相位圖，獲得光纖連接器端面的三維形貌z(x，y)；④根據(jù)所得的光纖連接器端面的三維形貌數(shù)據(jù)，利用最小二乘擬合算法，求得球心坐標(biāo)和曲率半徑；⑤對(duì)光纖連接器端面像進(jìn)行Hough變換，確定光纖的中心位置；⑥由插針體的球心位置oc和光纖的中心位置o1o2(或o1o2′)求出球面頂點(diǎn)偏心量Δ；⑦由端面傾斜角的計(jì)算公式α＝arcsin(Δ/R)得到光纖連接器的端面傾斜角α；⑧求出光纖高度值H。
上述工作全由計(jì)算機(jī)控制并自動(dòng)完成。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、測(cè)量精度得到較大提高。
(1)相位展開技術(shù)在光纖連接器端面形貌的高精度測(cè)量中起著決定性的作用。在低噪聲條件下，一般采用Goldstein等的分支阻斷算法(R.M.Goldstein，H.A.Zebker，C.L Werner Satellite radar interferometrytwo-dimensional phase unwrapping[J].Radio Science，1988，23(4)713-720)可正確展開包裹相位，但在中度或高噪聲情況下，由于這種算法固有的缺陷會(huì)導(dǎo)致相位展開的錯(cuò)誤。而本發(fā)明提出的基于新質(zhì)量圖的質(zhì)量導(dǎo)引相位展開新方法，先展開質(zhì)量較高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位，按質(zhì)量高低依次展開包裹相位圖，能避免誤差的傳遞，即使出現(xiàn)不可避免的相位展開誤差，也能被限制在最小的局部區(qū)域，在高噪聲時(shí)仍能高精度地展開包裹相位。正是這種相位展開方法較好的魯棒性保證了光纖連接器端面形貌的高精度測(cè)量。
(2)在先技術(shù)[1]難以精確確定光纖中心的位置，本發(fā)明在干涉儀參考光路中設(shè)置一遮光器，當(dāng)使遮光器不透光時(shí)獲得光纖連接器端面像，利用Hough變換圓檢測(cè)算法可精確確定光纖的中心位置，光纖中心的定位精度在0.2像素寬度范圍內(nèi)，提高了球面頂點(diǎn)偏心量、光纖高度和端面傾斜角的測(cè)量精度。
(3)在先技術(shù)[1]用有限的幾個(gè)干涉環(huán)測(cè)量端面的曲率半徑，精度不高，而本發(fā)明在插針體球面上選取數(shù)百個(gè)乃至數(shù)千個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)參與最小二乘擬合計(jì)算，曲率半徑的測(cè)量精度較高。
具體實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，根據(jù)本發(fā)明所研制的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，曲率半徑的相對(duì)測(cè)量誤差≤0.05％，球面頂點(diǎn)偏心量≤0.06μm。這表明曲率半徑和球面頂點(diǎn)偏心量的測(cè)量精度分別是在先技術(shù)[1]中相應(yīng)指標(biāo)的20倍和33倍。
2、測(cè)量自動(dòng)化。
在先技術(shù)[1]用牛頓環(huán)測(cè)量曲率半徑時(shí)，需要通過人工判讀牛頓環(huán)的條紋級(jí)數(shù)。而本發(fā)明的每個(gè)測(cè)量步驟都由計(jì)算機(jī)完成，不需要人工干預(yù)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)儀器化后，無需用戶對(duì)測(cè)量過程分析判別，使用操作簡(jiǎn)便。
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1為光纖連接器端面幾何參數(shù)示意圖。
圖2為在先技術(shù)[1]光纖連接器端面干涉測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x的測(cè)量流程圖。
圖5為本發(fā)明光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖3，圖3為本發(fā)明光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x采用Twyman-Green干涉儀結(jié)構(gòu)，包括光源1，沿光源1的發(fā)射光束前進(jìn)方向上同光軸地依次置有準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2，分束器3，遮光器13，粘結(jié)在壓電陶瓷12上的參考平面反射鏡6。在穿過分束器3的中心且垂直于光源1發(fā)射光束的方向上，分束器3的一端置有被測(cè)光纖連接器5和光學(xué)系統(tǒng)4，另一端置有透鏡7和光電探測(cè)器8。壓電陶瓷12經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路11與計(jì)算機(jī)10相連，光電探測(cè)器8經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器9連接到計(jì)算機(jī)10。
上面所說的光源1指的是穩(wěn)頻的單縱模激光器，可以是半導(dǎo)體激光器，固體激光器或氣體激光器。
所說的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)2指的是能形成準(zhǔn)直平行光的光學(xué)元器件，可以是望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或光纖-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或棱鏡-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。
所說的分束器3指的是能夠?qū)⑷肷浼す獍匆欢ǚ止獗?透射率和反射率之比)分成兩束光的分光元件。如斜面鍍有分光膜，直角面鍍有全透膜的分光棱鏡，或一面鍍有分光膜，另一面鍍有全透膜的平行平板等。
所說的光學(xué)系統(tǒng)4指的是能將入射準(zhǔn)直光按一定倍數(shù)縮束成較細(xì)準(zhǔn)直光，并有一定成像放大能力的光學(xué)系統(tǒng)，如望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
所說的平面反射鏡6指的是具有一定反射率的光學(xué)平面平板。
所說的光電探測(cè)器8是能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的二維探測(cè)器，如二維陣列電荷耦合器件(CCD)，或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)探測(cè)器。
所說的驅(qū)動(dòng)電路11指的是能驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷12動(dòng)作使平面反射鏡6運(yùn)動(dòng)，能對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行一定形式的相位調(diào)制的電路。這些相位調(diào)制形式可以是步進(jìn)式相位調(diào)制、線性連續(xù)相位調(diào)制或正弦相位調(diào)制等能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)外差干涉計(jì)量的相位調(diào)制形式。
所說的遮光器13指的是能使一束光通過或被阻斷的器件，如光開關(guān)或光斬波器等。
如圖3所示，光源1發(fā)出的激光由擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)2形成準(zhǔn)直光束，經(jīng)分束器3分成兩束。一反射束光，即探測(cè)光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)4后照射到光纖連接器5的端面上，其端面反射光再經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)4收集形成光纖連接器5的端面像光束。當(dāng)遮光器13透光時(shí)，分束器3的另一透射束光照射到平面反射鏡6上，其反射光作為參考光束，經(jīng)分束器3反射與經(jīng)分束器3透過的光纖連接器5的端面像光束產(chǎn)生干涉。干涉圖樣經(jīng)透鏡7放大成像在光電探測(cè)器8上，其輸出信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器9后，送入計(jì)算機(jī)10進(jìn)行數(shù)字圖像處理。相位調(diào)制器由壓電陶瓷12及其驅(qū)動(dòng)電路11構(gòu)成。平面反射鏡6粘結(jié)在壓電陶瓷12上，計(jì)算機(jī)10通過控制驅(qū)動(dòng)電路11來驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷12動(dòng)作，從而使平面反射鏡6在光軸方向上等間隔移動(dòng)4步，每次步進(jìn)使參考光移相π/2，實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)的相位調(diào)制，計(jì)算機(jī)10采集相應(yīng)的4幅干涉圖像。當(dāng)遮光器13不透光時(shí)，分束器3的另一束光被阻斷，無法產(chǎn)生參考光，此時(shí)光電探測(cè)器8上接收的是光纖連接器的端面像，計(jì)算機(jī)10獲得的是相應(yīng)的光纖連接器端面像的數(shù)字圖像。
本發(fā)明的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，在干涉儀參考光路中設(shè)置一遮光器13，當(dāng)使遮光器13不透光時(shí)，不產(chǎn)生參考光，從而獲得光纖連接器端面像，由此精確確定光纖中心的位置；當(dāng)使遮光器13透光時(shí)，產(chǎn)生參考光，利用4步步進(jìn)相位調(diào)制技術(shù)獲得光纖連接器端面的三維形貌數(shù)據(jù)。通過高精度地獲取光纖中心的位置和光纖連接器端面的三維形貌數(shù)據(jù)，可以高精度地測(cè)量光纖連接器的端面幾何參數(shù)。
該測(cè)量?jī)x的具體測(cè)量步驟為1.計(jì)算機(jī)10輸出控制信號(hào)使干涉儀參考光路中的遮光器13不透光時(shí)，不產(chǎn)生參考光，光電探測(cè)器8獲得光纖連接器端面像，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器9模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)10。
2.計(jì)算機(jī)10輸出控制信號(hào)使干涉儀參考光路中的遮光器13透光時(shí)，產(chǎn)生參考光，被測(cè)光纖連接器5端面反射的探測(cè)光束與參考光束產(chǎn)生干涉，采用4步步進(jìn)相位調(diào)制技術(shù)，在光電探測(cè)器8上獲得4幅干涉圖像，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器9模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)10。
3.步驟2獲得的4幅干涉圖像為Ii(t)＝I0(x，y){1+γ(x，y)cos[(x，y)+αi]}，i＝1，2，3，4 (1)式中I0(x，y)是背景光強(qiáng)，γ(x，y)是條紋對(duì)比度，(x，y)是待測(cè)端面各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位，αi是參考光的相移量，依次為0，π/2，π，3π/2。根據(jù)四幅干涉圖的光強(qiáng)分布Ii，端面上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位可以由下式求得， 由于反正切函數(shù)的限制，根據(jù)上式所得到的相位實(shí)際上是(x，y)對(duì)應(yīng)的主值區(qū)間[-π，π)內(nèi)的包裹相位φ(x，y)，它與實(shí)際相位(x，y)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為(x，y)＝2k(x，y)π+φ(x，y)， (3)其中k(x，y)為一未知的整數(shù)。必須通過相位展開，即確定k(x，y)，由包裹相位圖φ(x，y)重建實(shí)際相位圖(x，y)。
本發(fā)明采用一種基于新質(zhì)量圖的質(zhì)量導(dǎo)引相位展開新方法對(duì)包裹相位圖進(jìn)行相位展開。質(zhì)量圖是用以衡量包裹相位圖相位數(shù)據(jù)質(zhì)量高低的一個(gè)二維陣列，質(zhì)量較高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的包裹相位有較高的可靠度，相位展開不易出錯(cuò)；而質(zhì)量較低的點(diǎn)對(duì)應(yīng)噪聲或欠采樣點(diǎn)，包裹相位的可靠度較低，容易導(dǎo)致相位展開錯(cuò)誤。本發(fā)明所提出的新質(zhì)量圖可由包裹相位圖數(shù)據(jù)直接獲得，質(zhì)量圖中象素(m，n)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量值定義為qm,n=Σi=m-l/2m+l/2Σj=n-l/2n+l/2(Δi,jx-Δm,nx‾)2+Σi=m-l/2m+l/2Σj=n-l/2n+l/2(Δi,jy-Δm,ny‾)2l×l]]>·(1-(Σi=m-l/2m+l/2Σj=n-l/2n+l/2cosφi,j)2+(Σi=m-l/2m+l/2Σj=n-l/2n+l/2sinφi,j)2l×l),---(4)]]>其中l(wèi)是以(m，n)為中心的方形窗口的長(zhǎng)度，Δi，jx和Δi，jy為包裹相位偏導(dǎo)數(shù)，兩者可由以下公式計(jì)算得到Δi,jx=φi+1,j-φi,j---(5)]]>Δi,jy=φi,j+1-φi,j---(6)]]> 與 為在l×l窗口內(nèi)包裹相位偏導(dǎo)數(shù)的均值。
以質(zhì)量圖中質(zhì)量最高的點(diǎn)為起點(diǎn)，比較該點(diǎn)與其周圍8點(diǎn)中每一點(diǎn)的相位值，若兩者間的相位差大于π，通過把這一相鄰點(diǎn)的相位減去2π，即令k(x，y)＝-1展開該相鄰點(diǎn)的相位；若兩者間的相位差小于-π，通過把這一相鄰點(diǎn)的相位加上2π，即令k(x，y)＝1展開該相鄰點(diǎn)的相位；若兩者間相位差絕對(duì)值小于π，可令k(x，y)＝0展開該相鄰點(diǎn)的相位。相鄰8點(diǎn)相位展開后，把它們放入一個(gè)隊(duì)列Q中，并按其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量高低排序。取隊(duì)列中質(zhì)量最高的點(diǎn)作為種子點(diǎn)，如前所述展開與其相鄰的8點(diǎn)，并把它們放入隊(duì)列Q中并按質(zhì)量高低對(duì)隊(duì)列重新排序，然后取隊(duì)列中質(zhì)量最高的點(diǎn)作為新的種子點(diǎn)，展開其相鄰的8點(diǎn)。如此反復(fù)，直至隊(duì)列Q為空完成整個(gè)相位展開過程。這種新的相位展開方法先展開質(zhì)量較高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位，按質(zhì)量高低依次展開包裹相位圖，能夠把質(zhì)量較低，也即可靠度較低的點(diǎn)放在最后展開，避免了誤差的傳遞。即使出現(xiàn)不可避免的相位展開誤差，也能被限制在最小的局部區(qū)域。因此這種相位展開方法的魯棒性好，在高噪聲條件下仍能高精度地展開包裹相位圖。
包裹相位圖φ(x，y)經(jīng)相位展開后得到實(shí)際相位圖(x，y)，根據(jù)公式 可獲得被測(cè)光纖連接器端面的三維形貌z(x，y)，其中λ為光源的波長(zhǎng)。
4.根據(jù)所得的光纖連接器端面的三維形貌數(shù)據(jù)，在插針體球面上選取若干點(diǎn)，以插針體球心oc坐標(biāo)xc，yc和zc曲率半徑R作為代求參數(shù)，把每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)x，y和z代入球面公式，采用最小二乘擬合算法計(jì)算出插針體球心oc的坐標(biāo)和曲率半徑R。在利用最小二乘擬合算法時(shí)，一般可在插針體球面上選取數(shù)百個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)參與擬合計(jì)算，球心坐標(biāo)和曲率半徑的測(cè)量精度高。
5.由于插針體與光纖的反射率不同，步驟1得到的光纖連接器端面像中光纖邊緣輪廓清晰，利用計(jì)算機(jī)視覺算法中的Hough變換圓檢測(cè)算法(Yuen S Y，Ma C H.An investigation of the nature ofparameterization for the Hough transform[J].Pattern Recognition，1997，30(6)1009-1040)精確求得光纖的中心。
Hough變換是尋找一種從區(qū)域邊界(空間域)到參數(shù)空間的變換，用大多數(shù)邊界點(diǎn)滿足的對(duì)應(yīng)的參數(shù)來描述這個(gè)區(qū)域的邊界。對(duì)于區(qū)域邊界由于噪聲干擾或一個(gè)目標(biāo)被另一個(gè)目標(biāo)遮蓋而引起的邊界發(fā)生某些間斷的情形，多數(shù)其它的計(jì)算機(jī)視覺算法失效，而Hough變換仍能可靠地實(shí)現(xiàn)識(shí)別和檢測(cè)。
在圖像平面(XOY平面)考察并確定一個(gè)圓周。令{(xi，yi)|i＝1，2，…，n}為圖像中欲確定圓周上的點(diǎn)的集合，而(x，y)為集合中的一點(diǎn)，它在參數(shù)坐標(biāo)系(a，b，r)中方程為(a-x)2+(b-y)2＝r2(8)顯然該方程為三維錐面，對(duì)于圖像中任意確定的一點(diǎn)均有參數(shù)空間的一個(gè)三維的錐面與之對(duì)應(yīng)。對(duì)于圓周上的任何點(diǎn)的集合{(xi，yi)}，這些三維錐面構(gòu)成錐面簇。若集合中的點(diǎn)在同一個(gè)圓周上，則這些圓錐簇相交于參數(shù)空間上某一點(diǎn)(a0，b0，r0)，這點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)于圖像平面的圓心坐標(biāo)及圓的半徑。
在參數(shù)空間(a，b，r)中，將r設(shè)為遞增變量，每一步迭代都先固定r，在垂直于r的(a，b)平面上求對(duì)應(yīng)于圓心為(xi，yi)的圓周各點(diǎn)，并將軌跡上的點(diǎn)在與此平面映象的一個(gè)三維累加數(shù)組A(a，b，r)上的相應(yīng)點(diǎn)上累加。當(dāng)全部(x，y)點(diǎn)變換完成后，對(duì)累加數(shù)組A(a，b，r)每個(gè)元素的值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，有較大值的數(shù)組元素對(duì)應(yīng)于圓或圓弧，其參數(shù)(a，b，r)可用作圓的擬合參數(shù)。有較小值的數(shù)組元素則舍棄。
本發(fā)明利用Hough變換圓檢測(cè)算法求光纖的中心位置時(shí)，圓半徑參數(shù)的遞增步長(zhǎng)為0.2個(gè)像素，所得到的圓心坐標(biāo)可精確定位在0.2像素寬度范圍內(nèi)，因此光纖中心的定位精度為0.2像素寬度，保證了球面頂點(diǎn)偏心量、光纖高度和端面傾斜角的高測(cè)量精度。
6.由插針體的球心位置oc和光纖的中心位置o1o2(或o1o2′)求出球面頂點(diǎn)偏心量Δ，如圖1中6所示；
7.由端面傾斜角的計(jì)算公式α＝arcsin(Δ/R) (9)得到光纖連接器的端面傾斜角α；8.由光纖的中心位置處的纖芯端點(diǎn)o2(或o2′)的Z坐標(biāo)值和該點(diǎn)相應(yīng)的最小二乘擬合球面上點(diǎn)o1的Z坐標(biāo)值之差，獲得光纖高度值H。
上述步驟均通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，其流程圖如圖4所示。
本發(fā)明光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x另一具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖5所示。光源1采用波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne激光器。透鏡2a、2b構(gòu)成望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。分束器3是針對(duì)632.8nm波長(zhǎng)制作的激光分束棱鏡，分束比為1∶1。透鏡4a、4b構(gòu)成望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)型光學(xué)系統(tǒng)4，兩者的焦距比為3。來自分束器3的一束光通過透鏡4a、4b后變成較細(xì)的準(zhǔn)直光，它照射在待測(cè)光纖連接器5的端面上。該端面反射光再經(jīng)4a、4b收集，在分束器3與透鏡7之間形成的光纖連接器5的端面像。遮光器13為一小電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)不透光檔板，它有處于參考光路中和處于參考光路外兩種狀態(tài)。當(dāng)使不透光檔板13處于參考光路外時(shí)，分束器3的另一束光直接照射在平面度為λ/20的平面反射鏡6上，平面反射鏡6被粘結(jié)在壓電陶瓷12上。平面反射鏡6的反射光作為參考光，與光纖連接器5的端面像產(chǎn)生干涉。干涉圖樣經(jīng)透鏡7放大成像在像素為752×582的面陣CCD8上，其輸出信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器9后，由計(jì)算機(jī)10采集。計(jì)算機(jī)10控制驅(qū)動(dòng)電路11產(chǎn)生直流驅(qū)動(dòng)電壓，其紋波電壓＜5mV；該驅(qū)動(dòng)電壓控制壓電陶瓷12帶動(dòng)平面反射鏡6等步長(zhǎng)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)參考光的等步長(zhǎng)步進(jìn)式相移。連續(xù)步進(jìn)4次，計(jì)算機(jī)10采集相應(yīng)的四幅干涉信號(hào)。當(dāng)使不透光檔板13處于參考光路中時(shí)，分束器3的另一束光被阻斷，無法產(chǎn)生參考光，此時(shí)光電探測(cè)器8上接收的是光纖連接器端面像，計(jì)算機(jī)10采集的是光纖連接器端面像。
該測(cè)量?jī)x在利用最小二乘擬合算法計(jì)算球心坐標(biāo)和曲率半徑時(shí)，在插針體球面上選取3600個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)參與擬合計(jì)算。
采用這臺(tái)光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，使用依據(jù)本發(fā)明編寫的專用測(cè)量軟件，可簡(jiǎn)便快捷地完成所有光纖連接器端面幾何參數(shù)的測(cè)量。對(duì)一光纖連接器在該光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x上測(cè)量20次，光纖連接器端面幾何參數(shù)的測(cè)量結(jié)果為曲率半徑為12.847mm，球面頂點(diǎn)偏心量為30.20μm，端面傾斜角為0.135°，光纖高度為-67.2nm。
根據(jù)本發(fā)明所研制的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x達(dá)到如下指標(biāo)1)光纖連接器端面曲率半徑的測(cè)量范圍為3mm～+∞，重復(fù)測(cè)量精度小于0.05％；2)光纖連接器球面頂點(diǎn)偏心量的測(cè)量范圍為0～150μm，重復(fù)測(cè)量精度小于0.06μm；3)光纖連接器端面傾斜角測(cè)量范圍為0～12°，重復(fù)測(cè)量精度小于0.0004°；4)光纖連接器端面光纖高度測(cè)量范圍為-300～300nm，重復(fù)測(cè)量精度小于5.5nm。
權(quán)利要求
1.一種光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，它采用Twyman-Green干涉儀結(jié)構(gòu)，其特征在于包括光源(1)，沿該光源(1)所發(fā)射光束前進(jìn)方向上同光軸地依次置有準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(2)、分束器(3)、遮光器(13)和粘結(jié)在壓電陶瓷(12)上的參考平面反射鏡(6)，在穿過分束器(3)的中心且垂直于光源(1)發(fā)射光束的方向上，分束器(3)的一端置有被測(cè)光纖連接器(5)，一光學(xué)系統(tǒng)(4)處于分束器(3)和光纖連接器(5)之間，分束器(3)的另一端置有透鏡(7)和光電探測(cè)器(8)，該光電探測(cè)器(8)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)連接到計(jì)算機(jī)(10)，該計(jì)算機(jī)(10)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路(11)與所述壓電陶瓷(12)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的光源(1)為穩(wěn)頻的單縱模激光器，可以是半導(dǎo)體激光器、或固體激光器、或氣體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)是望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或光纖-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或棱鏡-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的分束器(3)是斜面鍍有分光膜，直角面鍍有全透膜的分光棱鏡，或一面鍍有分光膜，另一面鍍有全透膜的平行平板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)(4)是能將入射準(zhǔn)直光按一定倍數(shù)縮束成較細(xì)準(zhǔn)直光，并有一定成像放大能力的光學(xué)系統(tǒng)，如望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的光電探測(cè)器(8)是二維陣列電荷耦合器件，或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體探測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電路(11)是能驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷(12)動(dòng)作使平面反射鏡(6)運(yùn)動(dòng)，對(duì)參考光束進(jìn)行相位調(diào)制的電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的相位調(diào)制電路的相位調(diào)制形式可以是步進(jìn)式相位調(diào)制、線性連續(xù)相位調(diào)制、或正弦相位調(diào)制形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的遮光器(13)是光開關(guān)或光斬波器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于該儀器測(cè)量光纖連接器端面幾何參數(shù)的步驟如下①計(jì)算機(jī)(10)輸出控制信號(hào)使參考光路中的遮光器(13)不透光，不產(chǎn)生參考光，光電探測(cè)器(8)獲得光纖連接器端面像，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)(10)；②計(jì)算機(jī)(10)輸出控制信號(hào)使參考光路中的遮光器(13)透光，產(chǎn)生參考光，被測(cè)光纖連接器(5)端面反射的探測(cè)光束與參考光束產(chǎn)生干涉，并采用4步步進(jìn)相位調(diào)制技術(shù)，在光電探測(cè)器(8)上獲得4幅干涉圖像，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)(10)；③計(jì)算機(jī)(10)對(duì)4幅干涉圖像相位提取得到包裹相位圖，采用基于新質(zhì)量圖的質(zhì)量導(dǎo)引相位展開算法展開包裹相位圖，獲得光纖連接器端面的三維形貌z(x，y)；④根據(jù)所得的光纖連接器端面的三維形貌數(shù)據(jù)，利用最小二乘擬合算法，求得球心坐標(biāo)和曲率半徑；⑤對(duì)光纖連接器端面像進(jìn)行Hough變換，確定光纖的中心位置；⑥求出球面頂點(diǎn)偏心量Δ；⑦由端面傾斜角的計(jì)算公式α＝arcsin(Δ/R)得到光纖連接器的端面傾斜角α；⑧求出光纖高度值H。
全文摘要
一種光纖連接器端面幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x，它采用Twyman－Green干涉儀結(jié)構(gòu)，其特征在于包括光源，沿該光源所發(fā)射光束前進(jìn)方向上同光軸地依次置有準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、分束器、遮光器和粘結(jié)在壓電陶瓷上的參考平面反射鏡，在穿過分束器的中心且垂直于光源發(fā)射光束的方向上，分束器的一端置有被測(cè)光纖連接器，一光學(xué)系統(tǒng)處于該分束器和光纖連接器之間，分束器的另一端置有透鏡和光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路與所述壓電陶瓷相連。該儀器應(yīng)具有測(cè)量高精度和自動(dòng)化的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1584533SQ20041002487
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月2日
發(fā)明者路元?jiǎng)? 王向朝, 鐘向紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所