【单模光纤几何参数测量系统分析6000字】

单模光纤几何参数测量系统分析1.1单模光纤几何参数分析单模光纤由纤芯，包层和涂覆层三部分构成，如图1.1所示。其中纤芯位于单模光纤中心，用来传输光波。包层位于纤芯外层，将光波限制在纤芯中。纤芯和包层均采用高纯度二氧化硅制成，其中纤芯折射率比包层折射率高。涂覆层位于单模光纤最外层，由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙等组成，主要是为了保护单模光纤表面不受潮湿气体和外力擦伤，提高单模光纤的抗微弯性能。图1.1单模光纤结构示意图几何参数是单模光纤最基本的质量参数，除了影响单模光纤中光的传输和机械性能外，还对单模光纤的连接损耗大小起着非常重要的作用。单模光纤的几何参数包括芯直径、包层直径、芯不圆度、包层不圆度和芯包同心度等，其中各参数的定义如下[25]：芯直径：纤芯中心圆的直径，其表达式为：(1.1)包层直径：包层中心圆的直径，其表达式为(1.2)芯不圆度：确定纤芯容差区的两个圆的直径之差除以纤芯直径所得的值，用百分数表示，其表达式为：(1.3)包层不圆度：确定包层容差区的两个圆的直径之差除以纤芯直径所得的值，用百分数表示，其表达式为：(1.4)芯包同心度：芯层中心与包层中心的距离，其表达式为：(1.5)QUOTEδ=2(xclad根据光纤中光的传输模式不同，可将光纤分为单模光纤和多模光纤，两种类型光纤的几何参数指标以及本文研究方法的重复性指标如表1.1。表1.1单模光纤和多模光纤的几何参数及本方法测试重复性指标单模光纤多模光纤G652GI50GI61.5进口设备测试重复性本文研究方法测试重复性芯直径/μm——50±1.561.5±1.5————包层直径/μm125±0.7125±1125±1≤0.05≤0.03芯不圆度/%[0,12][0,6][0,6]≤1.0≤0.8包层不圆度/%[0,1][0,1][0,1]≤0.1≤0.08芯包同心度/μm[0,0.6][0,1.5][0,1.5]≤0.04≤0.03由于单模光纤与多模光纤的几何参数以及光纤中的缺陷存在差异，因此在检测算法上会有所不同，本文主要针对单模光纤几何参数及缺陷进行研究，下文中提到的光纤均是指单模光纤。1.2单模光纤几何参数测量系统设计单模光纤的包层几何参数通常在125μm左右，为了保证单模光纤几何参数的检测精度，需要先对单模光纤的端面图像进行放大，放大后的图像经相机捕捉后用于后续图像分析和处理。经图像处理得到图像的边缘信息后，使用合适的数学方法进行拟合即可得到光纤的几何参数。由于单模光纤的玻璃层有芯层和包层，因此本测量系统需要能够同时获得芯层和包层的图像。基于上述分析，设计的单模光纤几何参数测量系统如图1.2所示。图1.2玻璃层几何参数测量系统1）光源在机器视觉系统中，获得一张特征明显的高质量图像是项目能否成功的关键。要保证图像的清晰度，首先需要选择合适的光源。光源选型主要考虑以下三要素：a)对比度。对比度高可以保证待检测的被测物特征突出于其它背景，从而易于特征的区分。b)亮度。光源的亮度不够会导致相机的信噪比不够，减小系统的景深，同时自然光等随机光也会对系统带来较大的影响。c)鲁棒性。鲁棒性是指光源对被测物的影响大小，鲁棒性好的光源其安装方向不会影响被测物的成像质量。光源的照明方式主要分为背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明，其中背向照明能够明显突出被测物体的边缘细节，因此本系统中采用了背向照明方式照亮包层端面，如图1.2中LED2，此光源采用圆形分布的LED组，可选择波长640～650nm的LED。LED1采用前向照明的方式，保证光满注入光纤芯层，达到照亮芯层的目的，此系统中可采用波长在830nm左右的单个LED。2）相机相机是机器视觉测量系统中另一个比较关键的部分，其作用是将捕捉的光信号转换成电信号，方便后续分析。目前市面上常用的工业相机主要是CCD相机和CMOS相机，它们之间的主要差异在于传送方式的不同。表1.2列出了两种照明相机的差异性[26]。表1.2CCD相机与CMOS相机的差异性相机种类噪声耗电量分辨率灵敏度成本CCD相机低高高高高CMOS相机高低低低低从上表可以看出，为保证更高的测量精度，选择CCD相机更适合。考虑表1.1中光纤的测量指标以及测量的精度要求，本文选择分辨率为2448×2048，像素尺寸3.45μm

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3.45μm的CCD相机。综上所述，本文选择了大恒图像工业相机MER-504-10GM/C-P，该相机的具体参数如下表1.3所示。表1.3大恒工业相机MER-504-10GM/C-P型号MER-504-10GM/C-P分辨率2448(H)×2048(V)帧率10fps传感器2/3''CCD像素尺寸3.45μm

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3.45μm光谱黑白数据接口GigE镜头接口C接口3）镜头镜头是机器视觉系统中的重要组成部分，对成像起着关键性的作用，它会影响成像质量的几个关键指标，如分辨率、对比度和景深等，因此选择合适的光学镜头是非常重要的。光学镜头的成像原理是折射聚焦法，其主要作用是将物体的像进行放大，并被相机捕获，方便用于后续分析，成像模型如图1.3。图1.3光学镜头成像模型根据上图成像原理，可知镜头的放大倍数QUOTEβ=l'lβ=l'l。根据上一节CCD相机的选型，可知像尺寸l’为7.0mm，故镜头的放大倍数为56倍，同时考虑所选相机的传感器尺寸，焦距，物距以及相机接口，本文选择大恒光电GCO-2106显微物镜，其具体参数如表1.表1.4大恒光电GCO-2106显微物镜参数型号倍数数值孔径(mm)工作距离(mm)焦距(mm)齐焦距离(mm)机械筒场(mm)GCO-2106600.850.1984.234451604）图像采集卡图像采集卡的作用是将图像信号捕捉并保存到电脑上，是图像采集和处理部分的接口，它直接决定了相机的接口。图像采集卡须与所选相机配合使用，因此二者需要能够兼容。5）机械运动单元测量系统中的机械运动单元主要是Stage2部分，此部分通过三个步进电机分别在X，Y和Z方向上进行控制，目的是将光纤端面调整到视场正中心，并将端面调整到光路的准焦点位置，方便设备进行自动对焦与检测。1.3光学对焦原理在使用上述系统进行单模光纤几何参数测量前，须先对光纤的端面进行自动对焦，保证成像清晰可见，本节主要研究基于本测量系统的自动对焦方法。1.3.1光学成像原理对理想的薄透镜而言，成像光路如图1.4所示。图1.4理想透镜成像原理图理想情况下，被测物表面上的每一个点经过透镜后对应唯一的像点。当被测物距透镜的距离为l，像距l’，焦距f之间满足（1.6）所示方程时，成像系统处于聚焦状态，此时像平面成像是清晰的。若成像面偏离了原聚焦平面，此时原物平面上的一个点对应的像则是一个直径为2R的模糊圆，光学系统处于“离焦”状态，R越大，表示像离焦平面越远。

（1.6）QUOTE1l+1l’1.3.2光学系统的景深和焦深理想情况下，聚焦良好时物平面上的一个点对应像平面上一个点，但由于光学系统存在各种误差，物平面上的一个点所成的像并不是一个点，而是一个小于像元尺寸的弥散斑，此时我们仍认为物平面成像聚焦状态良好，即成像清晰可见。保持相机的位置不变，移动物平面的位置，当物平面在一定范围内移动时，成像仍清晰可见，这个范围称为景深[27]。当物体距成像单元足够远仍能清晰成像，超过此距离却无法清晰成像的平面称为远景平面，当物体距成像单元足够近仍能清晰成像，小于此距离却无法清晰成像的平面称为近景平面。当物体位置不变时，移动像的位置，成像清晰可见的范围称为焦深[28]。在工程应用中，通过计算光学系统的焦深和景深，可以为对焦的步长寻找提供参考[29]。1.4自动对焦方法自动对焦是指利用某种技术手段进行物体成像清晰度的检测，并自动调整物平面或镜头直至成像清晰可见。自动对焦技术经过多年发展，已广泛应用于各种光学成像系统。从对焦工作原理划分，自动对焦可分为基于距离测量的测距自动对焦和基于成像清晰度的聚焦检查自动对焦[30]。测距自动对焦包括红外线测距法和超声波测距法，利用相机上的红外线发生器或超声波发生器发出红外光或超声波到被摄体，接受器根据反射回来的红外光或超声波来计算确定对焦距离，从而进行对焦。聚焦检查自动对焦包括对比度法和相位法。对比度法是通过检测图像边缘的清晰度实现自动对焦。图像边缘越清晰，边缘处景物和背景之间的对比度则越大，聚焦就越好。反之，边缘处景物和背景之间的对比度就越小，我们称之为“失焦”。失焦越远，对比度越低。相位法是指通过寻找像差最小的点来进行对焦，其工作原理是在感光元件上预留一些遮蔽像素点专门用来检测相位，通过不同像素的距离变化来寻找对焦的方向和步长，实现对焦。由于以上两种方法在实际应用中各有局限，人们便对第二种方法进行了改进，提出了一种基于图像处理的自动对焦方法。该方法通过图像的梯度信息或频谱信息判断图像的清晰度，从而判定对焦情况，主要包括对焦深度法和离焦深度法。对焦深度法是一种基于搜索的调焦法[31]。此方法是指在对焦过程中采集数幅不同清晰度的图像，并建立合适的对焦评价函数，根据对焦评价函数移动镜头，直到镜头移动到最佳对焦位置，即完成了对焦，其中对焦评价函数是此方法中的一个关键因素。图1.5是一种基于对焦深度法的对焦系统，此系统工作原理为：被测物经光学系统成像后的图像信息被相机单元捕获，并被传送到计算机进行图像分析和处理，以确定目标物是否处于最佳对焦位置，若图像清晰可见，保存并输出图像信息，若图像不清晰，则驱动光学单元移动到下一位置，重新进行图像信息的采集和分析，如此往复直至寻找到最佳对焦位置。这种对焦方法可使用1.2节设计的单模光纤几何参数测量系统进行对焦，结构简单，可实现实时对焦，且对焦精度高。图1.5基于对焦深度法的自动对焦系统示意图离焦深度法是指利用从离焦图像中获取的目标深度信息驱动镜头或成像面移动到聚焦位置完成自动对焦[32]。此方法要求根据成像系统建立合适的数学模型，并能校准系统参数。离焦深度法包括基于图像恢复的方法和基于离焦量估计的方法。前一种方法根据图像的某些特征信息近似估算成像系统的点扩散函数，利用图像退化模型，对模糊图像进行恢复还原。后一种方法需要先采集2～3幅不同参数条件下拍摄的图像，这些图像的模糊程度需存在差异，然后通过对图像的局部区域进行分析和处理确定其弥散斑尺寸，并根据弥散斑大小完成自动对焦。总的来说，离焦法所需图像数量较少，大大减少了驱动电机移动的次数和时间，对焦速度较快[33]，但对焦精度较对焦深度法低。基于以上分析可知，对焦深度法在自动对焦过程中具有稳定性好、对焦精度高和适用范围广等优点，是一种使用价值较高的自动对焦方法，因此本文采用对焦深度法进行自动对焦。1.5对焦评价函数使用对焦深度法进行自动对焦，最关键在于确定系统的对焦评价函数，对焦评价函数对对焦的精度和速度起着决定性作用。理想的对焦评价函数应具备单峰性、无偏性、对噪声敏感度低、计算量小以及实时等特点[34]。常用的对焦评价函数包括空域函数，频域函数和信息熵函数[35]。空域函数基于图像的灰度值变化来判断图像清晰度，频域函数基于图像的高频和低频信息来判断图像清晰度，信息熵函数基于清晰度不同的图像拥有不同的信息熵来判断图像清晰度。1.5.1空域函数常用的空域函数包括梯度平方函数，灰度差分函数，Brenner函数，Roberts函数，Tenengrad函数和Laplace函数[36-38]。梯度平方函数利用图像相邻点灰度差的平方和做为对焦函数评价值，其表达式为：（2-7）灰度差分函数利用相邻像素点的灰度差做为对焦函数评价值，其表达式为：

（2-8）Brenner函数使用相差两个单位像素灰度差的平方和做为评价值，其表达式为：（2-9）Roberts函数使用相邻像素点交叉相减，平方求和做为评价值的，其表达式为：（2-10）Tenengrad函数使用Sobel算子来计算函数的对焦评价值，其表达式为：（2-11）Laplace函数利用Laplace算子计算图像的二阶微分，将微分求和做为评价值，其表达式为：

（2-12）1.5.2频域函数频域函数法以傅里叶变换为基础。在频域中，图像的边缘和轮廓反映的是图像的高频信息，清晰度越高的图像拥有越多的高频分量，离焦图像在频域上则体现为高频分量的衰减，因此频域函数主要是基于图像中的高频信息进行判断。常用的频域对焦评价函数包括阈值积分函数法、小波变换法和高频分量法[39]。频域评价函数由于需要对图像进行二维傅里叶变换，计算量大且复杂，执行时间长，因此并不适用有实时性要求的在线对焦。1.5.3信息熵函数信息熵函数基于图像中像素灰度值的分布特征，使用熵表示图像的信息量[40]。假设图像各处灰度是独立的，在不考虑像素的几何位置时，图像信息熵可用下式表达：（2-13）式中Pi为某像素灰度值表征信息出现的概率，b可取2bit。信息熵函数法容易受图像灰度分级的影响，因此对本文所要研究的对焦系统并不适用。从以上分析可知，频域函数和信息熵函数并不适用于本系统，空域函数由于计算简单，使用效率高，抗噪能力强，能够用于本系统的自动对焦。空域函数种类较多，各函数具有自身的优缺点，其中Tenengrad函数使用Sobel算子能同时提取水平和垂直方向的梯度值，对焦精度高，能够很好的适用于本系统。1.6自动对焦系统设计1.6.1自动对焦系统自动对焦系统一般都是驱动光学单元进行对焦，但对于需频繁对焦的测量对象，不仅效率低，而且长期频繁移动光学单元容易使光路同轴度出现偏差，因此对于某些系统而言，驱动光学单元进行对焦并不是最佳选择。本文所测量的单模光纤几何参数在工厂的检测是连续进行的，考虑到上述影响，本系统设计驱动被测对象进行对焦，本系统设计的对焦系统框架图如图1.6所示。系统工作流程为：单模光纤被光纤夹夹持放入移动平台，光纤端面经光学系统成像，成像后的图像被CCD相机捕获，并被转化成数字信号传递给计算机，计算机的数据处理单元会对图像进行处理并使用对焦函数对每帧图像进行实时判断，若图像不清晰，则依据搜索方法驱动移动平台朝图像清晰的方向移动，如此反复，直至找到图像清晰的位置，即完成对焦。图1.6自动对焦系统框架图1.6.2对焦搜索方法自动对焦的目的是找到对焦评价函数的最大值，然后移动驱动单元完成对焦，其实质上是对一维函数求解极值。在此算法中，对焦搜索的精度会对算法有较大的影响，因此选择合理的对焦搜索方法是非常重要的。目前较常用的搜索算法有函数逼近法，Fibonacci搜索法和爬山搜索法[41]。函数逼近法是选取合适的拟合函