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中北大学学位论文 光纤光锥光学特性研究与测试 摘要 光纤光锥是一种传递二维图像的新型光学元件，可以广泛用于国防、公安、航天、 医疗等领域。光纤光锥的光学特性参数包括透过率、放大率、桶形或枕形失真、鉴别率、 斑点或鸡丝面积等。目前国内外已有的设备，只能针对光纤光锥的某项参数进行检测， 因此需要研究新的综合测量技术。 针对上述需求，本课题开发了一种基于单积分球平行光管t c d 相机的光纤 光锥光学特性参数综合测量系统。其工作原理是采用c c d 相机分别对光纤光锥入射和透 射的图像进行采集，再通过数字图像处理技术对采集的图像进行处理以得到光纤光锥的 特性参数。 论文首先介绍了光纤光锥参数的测量意义，并对现有的测量方法进行了简要的介 绍；接着根据课题的特殊要求对照明系统、光路设计、c c d 相机及镜头的选取进行了详 细的论述；然后从理论上分析了影响光纤光锥透过率、鉴别率、放大率和斑点或鸡丝的 因素；最后详细的描述了光纤光锥各特性参数检测过程中的图像采集步骤、图像处理原 理和方法进行了，介绍了参数提取过程中涉及到的图像预处理方法，包括直方图均衡化、 形态学运算、图像锐化滤波等，并对e a s y a c c e s s 图像处理软件二次开发，实现了各项 参数的测量。 论文还分析了测试环境和操作步骤中所带来的测量误差。测试结果与理论分析基本 相符。实验表明新开发的系统方便实用，成本低廉，准确度高，适用于各种规格的光纤 光锥参数综合测试。 关键词：光纤光锥，c c d ，透过率，鉴别率，放大率 中北大学学位论文 r e s e a r c ho no p t i c sc h a r a c t e r i s t i co ff i b e ro p t i ct a p e r a b s t r a c t t h ef i b e r o p t i c a lt a p e r ( f o t ) i s an e wk i n do fo p t i c a ld e v i c e 打a n s m i t t i n g t w o d i m e n s i o n a li m a g e ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nn a t i o n a ld e f e n s e ，p u b l i cs e c u r i t y , a e r o s p a c e , m e d i c a li n s t r u m e n ta n d8 0o n t h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i co ff o ti n c l u d e st h ep a r a m e t e r so f t r a n s m i s s i o n , m a g n i f i c a t i o n , b u c k e t p i n c u s h i o nd i s t o r t i o n ，r e s o l u t i o na n dc h i c k e nw i r ea n d s oo n t h ec u r r e n te q u i p m e n t sa th o m ea n da b r o a dc a l lo n l ym e a s u f ec e r t a i np a r a m e t e ro f f o t ，t h e r e f o r ean e wi n t e g r a t e dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sn e e d e dt os t u d y a c c o r d i n g t ot h ea b o v er e q u i r e m e n t s ，ak i n do fi m e g r a t e dm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rf o t c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si sp r o p o s e d , w h i c hi sb a s e do ns i n g l ei n t e g r a ls p h e r e c o l l i m a t o r t u b e c c dc a i n e r a t h ew o r k i n gp r i n c i p l ei st oo b t a i ni n c i d e n ta n dt r a n s m i t t e di m a g e so f f o t r e s p e c t i v e l yu s i n gt h ec c dc o a - l l e r a ，a n dt h e nt og e tf o t c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f t h e i m a g e st h r o u g hd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h es i g n i f i c a n c eo ft h ef o tp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ti sf i r s t l yi n t r o d u c e da n dt h e e x i s t i n gp a r a m e t e rm e a s u r e m e n tm e t h o d s a r es h o w e db r i e f l y a c c o r d i n gt ot h es y s t e m r e q u i r e m e n t ，t h el i g h t i n gs y s t e m ，t h el i g h ts t r u c t u r e , t h ec c dc a m e r aa n dt h el e n ss e l e c t i o n a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e nt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gf o tt r a n s m i t t a n c e ，r e s o l u t i o n ， m a g n i f i c a t i o n , c h i c k e nw i r ea r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y f i n a l l yt h ea p p r o a c h e so fo b t a i n i n g i m a g e ，t h ep r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s i n gi nm e a s u r i n gf o tp a r a m e t e r sa r e d e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dt h ei m a g ep r e t r e a t m e n tm e t h o di n v o l v e di ng e t t i n gp a r a m e t e r sa r e i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gh i s t o g r a mo q u a l i z a t i o n ，m o d a l i t yo p e r a t i o n ，i m a g es h a r pf i l t e ra n ds o o n t h em e a s u r e m e n to fe v e r yp a r a m e t e ri sr e a l i z e db yt h ee a s y a c c e s si m a g ep r o c e s s i n g s o f t w a r et o o l k i t s t h ee f f e c to fe n v i r o n m e n to nm e a s u r e m e n tr e s u l ti sa l s oa n a l y z c d t h em e a s u r e m e n t r e s u l t sa r ei na c c o r d i n gw i mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sb a s i c a l l y t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h e 中北大学学位论文 n e ws y s t e mi sc o n v e n i e n c e ，p r a c t i c a l ，c h e a pc o s ta n dh i g ha c c u r a c y , w h i c hi ss u i t a b l ef o r m e a s u r i n g t h ef o tp a r a m e t e r so f v a r i o u ss p e c i f i c a t i o n s 。 k e y w o r d s ：f i b e ro p t i ct a p e r , c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，t r a n s m i t t a n c e ，r e s o l u t i o n , m a g n i f i c a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期：翻：! ：二二 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括； 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后 遵守此规定) 。 中北大学学位论文 第1 章绪论 1 1 光纤光锥光学特性研究的背景及意义 1 1 1 光纤光锥简介 光纤光锥是由成千上万根光学纤维经规则排列、加热、加压融合、扭转、拉锥等一 系列工艺制成，其中每一根纤维由高折射率的芯玻璃和低折射率的包皮玻璃构成，入射 光依据全反射原理从每根纤维的一端传向另一端。光纤传像元件包括光纤面板、光纤倒 像器、光纤光锥。光纤光锥是光纤面板的一种特殊形式。 图1 i 光纤面板 图1 2 光纤光锥 光纤面板如图1 1 所示，由数千万根直径为5 6l jm 的光导纤维规则排列后，加温、 加压熔合而成。它在光学上具有零厚度，有很高的集光能力和分辨率，可无失真地传递 高清晰度图像，是性能优越的光电成像和图像传输器件。主要用于微光像增强器的输入 窗或输出窗和c r t 象管的显示屏，对改善器件的像质起着无法替代的作用“2 m “”。 光纤光锥如图1 2 所示，是另一种形式的光纤面板，也是由直径为5 6pm 的光导 纤维规则排列，每根纤维均匀拉伸成锥型的图像传输器件。目前世界上最大的商用光纤 光锥直径能达2 0 0 r a m 删。 光纤光锥具有将图像放大和缩小特定倍数的作用，可以获得短的物像距。理论上， 光锥的大端和小端的直径之比可以达到4 0 ：1 ，但由于制造过程中技术的限制，实际的 光纤光锥的大端和小端直径比的范围为2 ：1 到1 0 ：1 ”1 。 中北大学学位论文 1 1 2 光纤光锥应用 目前光纤光锥的主要用途是将图像从像增强器耦合到c c d ( 电荷耦合器件) 上或作为 图像放大缩小器件。 1 ) 光纤光锥与c c d 的耦合 i c c d 图像传感器已经广泛的应用于微光夜视、目标识别及探测、激光制导、机器人 视觉以及高分辨率x 射线医学成像等领域。利用光学中继元件，将微光管光纤面板荧光 屏输出的图像耦合到c c d 的光敏面上，如图1 3 所示，实现微光摄像和高分辨率成像。 在设计或采用光学中继元件时，必须考虑尽可能的收集从增强器输出的光子能量，并且 能够以最小的像差投影到c c d 的光敏面上。像增强器和c c d 耦合的最常用的方法就是利 用成像物镜或者是采用光锥作为中继元件吲。图1 4 是一个光学中继器与c c d 耦合的示 意图，荧光屏发出的光分布于1 8 0 。半个空间，可以看作是一个朗伯源，利用物镜作为 中继元件只能传输其小部分的光子能量。如图1 4 ( a ) ，透镜与c c d 耦合的效率仅为5 ， 而高质量光锥与c c d 耦合时的耦合效率能达到7 0 c 9 1 。 图1 3 光纤光锥与c c d 耦台实物图 中北大学学位论文 p h o t c x a t h i e l u m i n e s c e n ts c r e e n r d a yo 哦i c ( a ) 透镜系统 l 三； 三 、l 三习 三j 三l 曩 一j m i 憎v n gf i b e ra 叫ct a p e r ( b ) 光纤光锥耦合系统 图1 4c c d 耦台应用 光纤光锥与c c d 祸合可制成x 射线探测器，广泛的应用于同步加速器大分子化合物 结晶学和x 射线散射实验“。但由于工艺上的原因，研制一个大面积高灵敏度的光纤光 锥与c c d 耦合的x 射线探测器还存在一定的困难m 1 。目前，c o n d o r t m - 4 8 6 ：2 0 0 超敏感 探测器是世界上商用像敏面积最大的科学级相机与直径为2 0 0 r a m 的光纤光锥耦合而成， 其c c d 有效面积达到6 0 6 0 m m 2 ，分辨率是4 k x 4 k “1 。 2 ) 像的增大与缩小 光纤光锥的放大倍率通常是光纤光锥的大端与小端的直径之比。由于任何方向的光 线进入光锥后都能够传播，所以光锥相当于一个放大镜或缩小镜。通常，利用光纤光锥 来放大或缩小数字图像。这种技术广泛的应用于x 射线结晶学、x 射线高分辨率传像、 非接触式测量( n d t ) 等各个领域“”。 此外还可以根据需要，经过严格的工艺，制成非线性放大光纤光锥，如中间放大倍 率高，边缘放大倍率低的光锥，可以用来对人眼视力进行矫正m 。 光纤光锥可以广泛应用于军事、刑侦、航天、医疗等领域的c c d 耦合、象增强器耦 合、光电倍增管耦合和医疗射线拍片，以及高清晰度电视成像和先进的办公设备图像应 用方面，是一种很有前途的光学纤维元件，不久将会在各种光学和电子光学仪器中越来 越显示出它的优越性。 1 1 3 光纤光锥光学特性研究背景及意义 鉴于光纤光锥的优越性及其广泛的用途，对光纤光锥的研究尤为重要。透过率、分 辨率、放大率和传像质量是反映光纤光锥特性的主要参数。影响透过率的因素有填充系 3 中北大学学位论文 数、光纤端面反射损失、纤芯吸收损失、光纤内全反射损失、不满足全反射的泄漏、包 层过薄的消逝波损失、纤芯与包皮接触面存在缺陷或污染物、纤芯内部气泡及结石缺陷、 工艺过程造成的芯皮问扩散现象和折射率分布改变等，这些不完善的光学绝缘性产生的 杂散光还会造成光纤间的串光，降低分辨率。影响这些特性参数的因素很多，为了改进 工艺，提高产品质量，必须对这些参数进行测量。 山西长城微光器材股份有限公司所生产的光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥产品技 术先进，应用领域广，发展潜力大，产品出口法国、日本、俄罗斯、美国、以色列等多 个国家，被业内人士认为是最大的光纤传像元件生产基地。不同的应用领域，对光纤传 像元件性能要求也不同，为了满足不同领域对光纤传像元件的需求，需要对光纤传像元 件的参数进行测量，特别是对光纤光锥光学特性的测量。 目前国内光纤传像元件的参数测试一直没有明确的规定标准，光纤面板的相关标准 已经制定，有待更新，而光纤倒像器、光纤光锥的国家标准国家有关部门正在制定。本 课题就是在这样的背景下，与山西长城微光器材股份有限公司合作研制出一套简洁方便 的光纤传像元件参数测量方案，主要是针对光纤光锥的光学特性进行测试，在理论上解 决光纤传像元件，特别是光纤光锥的光学特性参数测量的系列问题。将光纤传像元件参 数测试仪的测试结果与国外的测试结果相比对，以验证其测量的准确性。同时本课题组 还与国标制定参与单位积极联系，达成合作共识，促进光纤传像元件的参数测试标准制 定工作。 1 2 光纤光锥特性参数 光纤光锥作为一种图像耦合器件，其传像质量的好坏直接关系到整个系统成像的品 质。它的性能设计要求及生产工艺控制均十分严格。 1 ) 漫射光积分整体透过率 在要求的光谱覆盖范围( 这里可理解为白光) 的漫射光照射下，光纡光锥的出入射光 辐射通量之比，即为漫射光透过率。 2 1 漫射光光谱透过率 在某一光谱范围的漫射光照射下，光纤光锥的出入射光谱辐射通量之比，即为漫射 光光谱透过率。 4 中北大学学位论文 3 ) 局部透过率 局部透过率是指光纤光锥表面某局部区域的透过率。 4 ) 透过率相对误差 根据用户定单要求，可对特定部位( 如中心和边缘部位) 、一定大小和形状区域( 直 径为l 嘲的圆等) 的两个局部透过率( 乇和) ，按= 玉 二三蔓求得所要求的透过率 c 相对误差。 5 ) 平行( 准直) 光积分整体透过率 在要求的光谱范围( 这里可理解为白光) 的准直光照射下，光纤光锥的出入射光辐射 通量之比，即为平行( 准直) 光积分整体透过率。 6 ) 平行( 准直) 光光谱透过率 在特定的光谱范围的准直光照射下，光纤光锥的出入射光谱辐射通量之比。 刀桶枕形失真 桶形失真如图1 5 b 所示，标准图像通过光纤光锥后，画面里桶形膨胀状的失真现 象。 枕形失真如图1 5 c 所示，标准图像通过光纤光锥后，画面向中间收缩的失真现象3 。 a 标准 b 桶形失真c 枕形失真 图j r 5 桶枕形失真 8 ) 放大倍率 放大倍率一般定义为像长度与实物长度之比。光锥作为一个像放大器或缩小器，它 的放大( 或缩小) 倍率就是锥体本身大端直径与小端直径之比。 9 1 分辨率 表征元件对所传递图像细节的一种分辨能力。用单位长度内的线对数表示。主要决 定于元件的纤维尺寸及排列方式。对光纤光锥来说，由于光锥的两端纤维直径的不同， 5 中北大学学位论文 因此光锥大端与小端分辨率是不同的。 l o ) 斑点鸡丝 光纤光锥是由大量光导纤维排列压制在一起，经切、磨、抛等工艺制成，在生产过 程中不可避免会出现个别断丝现象，用均匀光照明输入端时，输出端会出现斑点、鸡丝 图案，将其称为斑点鸡丝。斑点，指那些透光低的小区域；鸡丝，指在复丝的交界处2 4 个纤维宽度的黑色纤维丝图案，而复丝是指在工艺上由芯棒和皮料管组成的复合棒拉 制形成的复合丝。斑点鸡丝是光纤光锥的具体质量指标“”“”。 1 ，3 光纤光锥参数测量方案 已有的光纤光锥参数测量方法大多只能对个别参数进行测量，下面介绍几种常规的 测试方案。 1 3 1 透过率测量 1 无扫描光谱传感器测量方案“” 如图1 6 所示，此系统是对光学器件光谱透过率进行测量，原理是利用无扫描光谱 传感器分别测量指定光谱范围内透射光强和入射光强的比值。整个测量和分析系统由光 源、光路系统、光谱测量传感器和计算机四个部分组成。 0 叫粼量i 计算机 图1 6 光学器件光谱透过率实时测量系统 光路部分采用非接触式无损测量方法。光谱测量传感器以平场全息凹面光栅为核 一t l , 、c c o 阵列为接收元件。由于待测样品的光谱测量值与环境因素( 暗光谱、光源光谱) 有关，因此在测量待测样品的光谱时，必须先测得暗光谱和光源光谱，然后根据下式进 行计算： 6 中北大学学位论文 l ：孕姿1 0 0 ( 1 1 ) 4 sz d i 式中乃为待测样品在波长九处的透过率，s m 为在波长入处样品透射光光强，以为 在波长 处暗光谱的光强，而为在波长入处光源光强。 2 双积分球滤光片方案“” 方案简图如图1 7 所示： 1 光源2 聚光镜3 滤光片转盘4 漫射光源5 平行光源6 出射光阑 7 接收光孔8 接收积分球9 光电倍增管l o 被测件 图1 7 双积分球滤光片方案简图 从图1 7 中可以看出从光源发出的光经准直、滤光后进入漫射积分球，在漫射积分 球口放置被测样品，再经过另一漫射积分球接收光线，光信号最后被接收积分球另一开 口处的探测器接收；当采用平行光照时就需要移开漫射光源4 ，这时照在样品上的就是 平行光了。样品放置或取出时需要移动接收积分球8 。 3 双积分球单色仪方案“” 中北大学学位论文 1 光源2 聚光镜3 积分球a4 被测样品5 积分球b 6 光电探测器7 放大及a d 变换器8 微机9 岸色仪 图1 8 双积分球单色仪方案 下面以光纤光锥的漫射光谱透过率为例加以说明，其装置原理如图1 8 所示。为完 成这一测量，需要获得不同波长的漫射单色光。按图中所示光源发光经聚光镜入射到单 色仪，转动波长手轮则从单色仪出口狭缝处输出不同波长的单色光，单色光经积分球a 由输出孔输出单色漫射光。测量端由积分球b 和光电探测器如光电倍增管构成。采用积 分球b 的目的是实现大孔径角的信号接收并使探测器表面光照均匀化。光纤光锥透过率 的确定要进行两次测量，一次是无光纤光锥时测定积分球a 出射光的光谱分布，第二次 是有光纤光锥时，光纤光锥出射光的光谱分布。对应波长上后者被前者除就可获得该波 长下的透过率。各波长下透过率的排列就是光纤光锥的光谱透过率分布。 4 毛玻璃光电倍增管方案1 管 图1 9 毛玻璃光电倍增管 在像增强器中，光锥和像增强器的荧光屏紧密相接，荧光屏上涂覆许多粉末颗粒， 倍增电子激发粉末颗粒产生光子，荧光屏实际就是由许多点光源组成的。光纤光锥的透 过率理论模型就是光纤光锥在实际使用中透过率的真实反映。建立图1 9 的测试装置， 在此测试装置中，先利用平行光管得到平行光，照射到毛玻璃板上，利用毛玻璃的特性， 中北大学学位论文 就可产生类似荧光屏的漫射光，可以对不同锥度比( 即放大率) 的光纤光锥透过率进行测 试。 5 单积分球方案。” 3 4 1 支架2 调节螺杆3 调节螺母4 咖 s 镜头6 待测样品7 积分球8 光调 圈 图1 1 0 单积分球方案 如图1 1 0 ，由稳流源提供2 8 5 6 k 的标准光源，经积分球后输出的是均匀的漫射光， 利用c c d 摄相机分别拍摄有无被测元件的图像，并通过同轴电缆传输到计算机；根据 检测精度的要求，计算机内的p c i 图像采集卡将图像的模拟信号转化为8 位、1 2 位或 1 6 位灰度数字量，通过对这些数字量的相应处理，便可以得到透过率分布情况。 1 3 2 分辨率测量“1 将鉴别率板图案通过2 个对接的平行光管l ：l 成像在传像束输入端，由测量显微 镜观察像束出射端的输出图像，运用抽样理论分析光纤光锥的传像机理，当输入鉴别率 板图案的线对数高于l 2 光纤光锥抽样频率时，就会产生莫尔条纹现象，两者线对数之 和为光纤光锥的抽样频率。鉴别率板图案像中线对最密的一组判定为光纤光锥分辨极 限。 1 3 3 鸡丝斑点测量” 用规定的朗伯光源与光纤光锥的一面接触并照明，用规定的放大倍数的显微镜或其 它仪器，在垂直于表面的方向上检查光纤光锥的另一面，对出现的斑点亮度进行定量测 9 中北大学学位论文 量。 b i 量诒l - - 1：1 、丽n 图1 i i 斑点鸡丝测量方案 如图1 n ，由光源发出的白光经毛玻璃板形成漫射光后照明光纤面板，由显微物镜 将光纤面板透光情况成像在c c d 上，通过图像处理求得鸡丝斑点的有效面积。 i 3 3 测试方法比较 无扫描光谱传感器测量方法能实现对光学器件进行透过率、反射率的实时测量，同 时还可对光源进行光功率、色度等自动检测工作，系统测量速度快、准确度高、功能多、 自动化程度高，可扩展性好，但是整个系统实现起来较复杂，而且只能对光谱透过率进 行测试。双积分球滤光片方案能针对漫射光透过率进行简单有效的测量，由于积分 球体积一般较大，移动不便，系统对结构的要求也比较严格，操作不方便。双积分球一 一单色仪方案能针对光谱透过率进行有效的测量，同时也存在操作不方的缺点。毛玻璃 光电倍增管方案对于实验室测试光纤光锥的透过率比较有效，但由于其装置过于简 单，不适合作为生产中使用的测试装置。单积分球方案测试效果好，并且能够将测试结 果以图像的形式保存起来，有助于信息的存储和处理，但由于系统在光路设计上综合性 不强，只能针对漫射光透过率进行测试。分辨率极限值测量主要是根据莫尔条纹现象理 论推算出分辨率的极限值。而光纤面板的鸡丝斑点面积测量中，采用毛玻璃形成漫射光 不够均匀，测量误差较大。 以上测试系统最大的不足就是都只针对漫射光透过率、光谱透过率、分辨率、鸡丝 斑点等参数中各别项进行简单有效的测量，而实际生产出的光纤光锥所需要测量的参数 较多，如果将这些参数按以上仪器进行测量，测量过程复杂，而且所需的费用也高。本 文就是在上述测量方案的基础上，开发一种综合、简洁的多参数测量系统，能够对光纤 1 0 中北大学学位论文 光锥的漫射光积分透过率、漫射光光谱透过率、准直光透过率、局部透过率、放大率、 桶枕形失真、分辨率、鸡丝斑点面积等参数进行综合测试。 1 4 论文的主要研究内容及章节安排 1 4 1 主要内容 研究光纤光锥光学特性参数的测试方法，能够对光纤光锥的如下参数进行测试 1 ) 积分整体透过率 2 ) 局部透过率 3 ) 光谱透过率 4 ) 透过率相对误差 5 ) 准直光透过率 6 ) 光纤光锥放大率 7 ) 枕，桶形失真 8 ) 分辨率 9 ) 鸡丝斑点 仪器操作简便、数据处理准确迅速、性能稳定可靠，能满足生产、科研的基本需要。 具体工作如下： n 光路设计 在c c d 图像传感器测量原理上，选用合适的光学器件，使测量能够满足整体积分 透过率、准直光透过率、光谱透过率等对光源的要求。 系统经过调试，可以真实的对光纤光锥进行图像采集。 2 ) 图像处理 通过对采集的图像进行处理，提取光纤光锥的参数信息。 1 4 2 章节安排 第一章介绍了光纤光锥参数测量的背景及意义，对现有的几种光纤光锥参数测试方 法进行了简要的说明，并比较了各种测量方法的优缺点，提出了的测试要求。 中北大学学位论文 第二章从光电仪器设计基本理论入手，提出了平行光管单积分球c c d 的测 量方案。根据课题的特殊要求对照明系统、光谱匹配、c c d 相机及镜头的选取进行了详 细的研究和分析。 第三章从理论上分析了光纤光锥的分辨率、透过率、斑点鸡丝的产生和影响因素。 第四章介绍了参数提取过程中涉及到的图像预处理方法，包括直方图均衡化、形态 学运算、图像锐化滤波等，并对图像处理软件e a s y a c c e s s 进行了二次开发，能够对透 过率进行处理。 第五章对光纤光锥各参数检测过程中的图像采集步骤、图像处理原理和方法进行了 详细的描述，得出实验结果，并对实验结果做出了分析。 最后对论文进行了总结。 2 中北大学学位论文 第二章系统设计 2 1 光电检测系统基本工作原理 光电检测系统是以光为媒介，以光电探测器件为手段，将各种待检测量转变成电量 ( 电流、电压或频率) 。光电检测系统如图2 1 所示，基本组成部分可分为：光源、光学 系统、被检测对象及光信号的形成、光电传感器、信息处理等部分。 光源广1 光学系统 凳甚掣船卜医亟) 1 匦 2 1 光电检测系统框图 光源：作为携带待测信息的物质，系统中要按需要选择一定辐射功率、一定光谱范 围和一定发光空间分布的光源。有时光源本身就是待测对象。 光学系统：通常在检测中表征待测量的光信号可以是光强的变化、脉宽或脉冲数。 光学系统主要目的就是为了更好地获得带测量的信息，以满足光电转换的需要。主要包 括：光信号的调制、变光度、光谱校正、光漫射、会聚、扩束、分束等。 被测对象及光信息的形成：光源所发出的光在通过这一环节时，利用各种光学效应， 如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形 成待检测的光信号。 光电转换：该环节是实现光电检测的核心部分。其主要作用是将光电信号转换成电 信号。 基于c c d 的光纤光锥光学特性测量系统就是一个完整的光电检测系统，其被检测对 象为光纤光锥光学特性参数，光电转换用到的是c c d 相机，即c c d 图像传感器，信息处 理显示主要是通过图像采集卡将图像采集并显示于计算机上。 中北大学学位论文 2 2 测量方案及测量原理 2 2 1 测量方案 由于要求测量的参数多，综合性强，所以把各测量参数所需的测量光路结合在一起， 组成以下系统方案图。 l 娄撂! 二泉光塑i ：澹光片赞耋4 霖式缉5 熏筒6 光阐 t 平行光首8 积分球9 相机1 0 镜头l i ，相机架。 图2 2 系统方案图 如图2 2 所示，光源1 发出的光通过聚光镜2 汇聚后投射到滤光片转盘3 上，滤光 片转盘是一个装有9 个不同中心波长的滤光片和一个空孔组成，通过转动滤光片转盘可 以选取特定波长的光，当转至空孔的位置时，即透过的为白光。从滤光片3 出射的光再 通过聚光镜4 将光汇集到平行光管的入口处。积分球放置到平行光管的输出端，其入射 口的大小与平行光管的出口口径相匹配。 相机放置于标有刻度的相机支架上，通过旋转固定相机的手轮，可以使相机在相机 支架上上下移动，并且可以读出移动的距离。 测量漫射光透过率时，首先对未放置光纤光锥时积分球出口处的光线进行图像采 集。将c c d 相机的镜头对准积分球出孔处的光斑，通过调节光圈和焦距，使系统处于最 佳状态，即显示器上显示图片为最清晰的状态，进行到底图像采集。然后将光纤光锥放 置积分球出口处，相机的焦距和积分时间保持不变，将相机升高与光纤样品相同的高度， 4 中北大学学位论文 对光纤样品进行图片采集，保存图像。通过对前后采集的两幅图像进行处理以求漫射光 透过率。 光纤光锥放大率测试时，首先将分化板放置于积分球出口处，将相机调整至最佳状 态，对分化板进行图像采集；然后用于分尺测量光纤光锥的高度，将光纤光锥小头朝下， 大头朝上放置分化板上，相机升高与光纤光锥相同的高度，不改变相机状态，进行图像 采集。通过比较前后两次分化板的尺寸，得到光纤光锥的放大率。 分辨率测试时，将光纤光锥放置积分球出口处，在光纤光锥下面放置一标准鉴别率 板，滤光片转盘旋转置空孔位置，平行光管前放置套筒，将相机调整至最佳状态，进行 图像采集。通过将采集的图像与标准分辨力靶板对比，读出其分辨率。 测量鸡丝斑点面积时，由于鸡丝尺寸仅有几根纤维的大小，用一般的物镜很难将其 准确的测量出来，需用显微物镜来代替普通的物镜。测量时，将经过计量部门计量过了 的标准分化板放置在光纤光锥下面，然后将其整体放置到积分球出口处，相机调整到最 佳状态，进行图像采集。通过图像处理软件对其标定处理，以求斑点鸡丝的面积。 最后测量平行光透过率时，首先将c c d 相机的镜头对准积分球出孔处的光斑，通过 调节光圈和焦距，使系统处于最佳状态，即显示器上显示图片最清晰的状态，进行图像 采集，保存图像。然后将光纤光锥样品放置平行光管后积分球的入口处，保持相机的状 态不变，再进行图像采集。通过对前后采集的两幅图像进行图像处理以求得平行光透过 率。 采集卡插在计算机的p c i 插槽中，数据线与相机相连。 2 2 2 系统测量原理 光电检测系统检测原理归根到底就是光电传感器的工作原理。本系统用到的是c c d 图像传感器，下面介绍一下c c d 图像传感器的工作原理。基于c c d 的光纤光锥参数测量 原理主要是c c d 工作在非饱和区时的光电转换为线性。 存储于c c d 像敏单元中的信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收，并转换成少 数载流子( 反型层电荷) 形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光转换因子y 可达到9 9 7 以上“1 。光注入电荷q 。 中北大学学位论文 q , o = 碍q n 。m 。 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，蟹为材料的量子效率；q 为电子电荷量；。为入射光的光子流速率；a 为 光敏单元的受光面积；t 为光子的注入时间。 屺= 警= 等 ( 2 z ) 式( 2 2 ) 中，d , v 。为光谱光子流速率，屯。为光谱辐射通量，h v 为波长为a 的光子能量。 当辐射源为波长范围为 。 。的复色光时，入射光的量子流速率与入射光谱辐射通量 的关系为 。=f 1 2 竺坳 也h v ( 2 3 ) 即当辐射源为复色光，当光谱分布和积分时间不变时，光注入的电荷量与入射的辐 射通量成线性关系，c c d 的光电转换是线性的。c c d 的光电转换为线性。 2 3 光源 c c i ) 应用系统可大致分为摄像和检测两种类型。不同类型对照明光源有不同要求， 应根据需要选用。 摄像是为了真实地记录景物的结构状态和颜色。而从色度学知道，景物的颜色与照 明光源的光谱功率分布有关。不同光源光谱功率分布不同，因此在它们的照射下，物体 表面呈现为不同颜色1 。人们对景物的观察一般是在日光照明下形成的，所以摄像应在 日光或近似日光照明下进行。 从色度学的实践考虑，人们不可能也没有必要在各种光源下测量颜色，而只需在约 定的某些具有代表性的光源下测定物体颜色。为此，c i e 推荐了五种标准照明体a 、b 、 c 、d 、e 啪1 。而检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物 体的某些持征参数；另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布确定被检物体的某些 特征参数。对于前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了：而对于后者， 应选用激光作为光源，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等要求汹1 。 6 中北大学学位论文 由于光纤光锥的参数测试系统是通过测量光锥的像来测量体其特征参数，所以选用 卤钨灯照明。在选择光源的时候同时还要考虑以下几个方面“”“。“： 1 ) 对光源发光光谱特性的要求 要求光源特性满足检测的需求，其中重要的要求之一，就是光源发光的光谱特性必 须满足检测系统的需求。检测任务不同，要求光谱范围亦不同，如可见光区、紫外光区、 红外光区等，有时要求连续的光谱，有时又要求几个特定的光谱段，系统对光谱范围的 要求都应在选择光源时给以满足。在光纤光锥透过率测试中，要求测试的光谱涵盖整个 可见光谱区，而卤钨灯一般发光效率为1 4 - 3 0 1 m w ，所辐射出的光谱为连续光谱，光谱 范围由可见光谱区延长至中红外区，而光纤光锥参数测试中需要的光谱范围为4 0 0 n m 9 0 0 n m ，卤钨灯满足系统对光谱的要求。 2 ) 对光源发光强度的要求 为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定 的要求。光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常检测；光源强度过高，又会 导致系统工作的非线性，有时可能损坏系统、待测物或光电探测器等，同时也导致不必 要的能源消耗而造成浪费。在本系统中，要求光源发光强度能够在c c d 相机的工作范 围内，同时又要适合不同参数测试的要求，按实际测量需要，我们备用的光源功率分别 2 0 w 、5 0 w 、7 5 w 、1 0 0 w ，根据实际测量选用不同功率的光源。 3 ) 光源的稳定性 高精度光电检测系统，对光源的稳定性就有较严格的要求。稳定光源发光的方法很 多，一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。 由于本系统用到的光源需电压为1 2 v 的电源进行供电，选用h b l 7 0 0 系列固定输出 直流稳压电源对卤钨灯进行供电。此电源有如下特点：电压电流表指示；有短路保护功 能；可靠性好；能长时间连续工作。其参数如表2 1 所示： 表2 1 电源参数 l 输入电压直流输出电压输出电流 a c 2 2 0 v _ _ _ 1 0 5 0 h z + 5 t l z 0 3 0 7 可调0 3 0 a 可调 用于光电检测系统中的光源除上述基本要求外，还有一些具体要求。如灯丝的结构 和形状、发光面积的大小和构成、灯泡玻壳的形状相均匀性、光源发光效率和空间分布 中北大学学位论文 等。这些方面均应按检测系统的要求给以满足。卤钨灯在图像传感器中应用的最多，是 一种典型的热辐射光源，在寿命期内几乎百分之百的光输出维持率，灯丝亮度高、发光 效率高、体积小、成本低。用u s b 2 0 0 0 型光纤光谱仪测得功率为1 0 0 w 的卤钨灯光谱 特性曲线如图2 3 所示，与标准照明体a 相近。 = = = 艘曼璺氇墅嘣l ! ! 鸟 2 4 光学系统 m1 0 0 v 十一， 图2 3 光源光谱特性曲线 光学系统主要是通过光路设计，产生满足测量需要的均匀漫射光和平行光，以及在 某段光谱范围内的光谱。同时，要满足光源与c c d 相机之间的光谱和照度匹配。 2 4 1 照度匹配及光谱匹配 c c d 器件是积分型器件，输出电流信号既和c c d 器件光敏面接收的照度有关，也和 两次取样的间隔时间即积分时间有关。若以i 代表其输出电流信号，e 代表光敏面的照 度，t 代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有 1 = l e t = k q ( 2 4 ) 式中：k 为比例常数；q = 毋，称为曝光量，单位为x s 。 对于既定元件，曝光量应限定在一定的范围之内，其上限为饱和曝光量q 。，对于 摄像和以光度测量为基础的c c d 应用系统，光敏面上任何光敏单元上的曝光量q 均应低 中北大学学位论文 于q 。，否则将产生画面亮度失真，或产生大的测量误差。因为q = e t ，所以可通过适 当选择c c d 器件光敏面上照度e 和两次采样间隔时间t 两个参数来达到q g 。但是， 采样间隔时间t 一般由驱动器的转移脉冲周期确定，常为一确定值。所以调节曝光 量通常是通过调节c c d 光敏面的光照度来实现。要求光敏面上任何点的照度应满足 e 逝 ( 2 5 ) f 光敏面的照度也不能太低，如果某些点的照度低于c c d 器件的灵敏阈，这些较暗部 便无法测出，从而降低画面亮度的层次而产生测量误差。最好是把光敏面上的最大照度 n 值调节为略低于兰童，以充分利用器件的动态范围。 i 对于c c d 应用系统，c c d 器件光敏面的照度就是经光学系统成像的像面照度。 有些测量系统像面或谱面照度分布不均匀，最大和最小照度之差远超过c c d 器件响 应的范围，这时，单靠调节照明和光学系统的参数不能达到目的。例如，调节光源或光 ，、 学系统孔径角使像面照度最大值点o 兰警。为了使这种情况下能够完成测量，通常采用滤光补偿法， l 滤光补偿法适合于像面或谱面照度分布有一定规律、明暗差较大的情况嘲。 光谱匹配。2 3 在这里主要是指光源的发光光谱与c c d 相机的光谱响应度相匹配，以最 大程度利用光源的功率。 2 4 2 光学系统设计 根据光学系统设计理框图如图2 4 ： 图2 4 光学系统框图 测量整体积分透过率、鸡丝斑点、放大率时，需要通过光学系统得到均匀的漫射光 对被检测器件进行照明，此时，光路中关键的光学器件是积分球。通过将滤光片转盘转 到空孔位置，由光源发出的光进入积分球，出射的即为均匀的漫射光，下文将会对此进 1 9 中北大学学位论文 行讨论，此时将被测光纤光锥样品放置积分球出口处即能满足测量的要求。 测量漫射光光谱透过率时，只需转动滤光片转盘，让不同波段的光谱通过即可。 在测量平行光透过率时，需要通过光学系统得到平行光对被检测器件进行照明。此 时，将被测的光纤光锥样品放置在积分球的入口处，积分球在此起到了将光强均匀化， c c d 相机对积分球出口的光强进行测试，来完成测试任务。 1 滤光片 在本设计中用到的滤光片均为干涉滤光片。干涉滤光片通常由多层薄膜构成，利用 干涉原理是只使特定光谱范围的光通过光学薄膜。干涉滤光片种类繁多，用途不一，常 见干涉滤光片分截止滤光片和带通滤光片两类。截止滤光片能把光谱范围分成两个区， 一个区中的光不能通过( 截止区) ，而另一区中的光能充分通过( 通带区) 。典型的截止滤 光片有低通滤光片( 只允许长波光通过) 和高通滤光片( 只允许短波光通过) ，均为多层介 质膜，具有由高折射率层和低折射率层交替构成的周期性结构。 带通滤光片只允许较窄波长范围的光通过，常见的是法布里一珀罗型滤光片，它实 质上是一个法布里珀罗标准具( 见法布里珀罗干涉仪) 。具体结构为：玻璃衬底 上涂一层半透明金属层，接着涂层氟化镁隔层，再涂一层半透明金属层，两金属层构 成了法布里珀罗标准具的两块平行板。当两极的间隔与波长同数量级时，透射光中 不同波长的干涉高峰分得很开，利用别的吸收型滤光片可把不允许透过的光滤掉，从而 得到窄通带的带通滤光片，其通频带宽度远比普通吸收型滤光片要窄。根据需要，带通 滤光片的通频带可从红外到紫外。“。 本系统根据需要，选用的带通滤光片的中心波长分别为3 9 6 n m 、4 5 9 n m 、5 1 9 n m 、 5 6 0 h m 、6 0 1 r i m 、6 6 2 n m 、7 2 8 n m 、7 8 1 n m 、8 5 0 h m 、9 4 0 h m ，半峰值带宽8 1 1 r i m 。用 光谱仪u s b 2 0 0 0 对其中的一块滤光片进行测试，光谱仪的探头紧贴滤光片，用白光对其 照明，测得的光谱如图2 5 所示，可以看出，其带通滤光片可以让中心波长为7 2 9 3 9n n l ， 半峰值带宽为1 4 r i m 的光谱通过。 中北大学学位论文 5 0 06 0 07 0 0