本发明涉及光纤自动放置技术领域，特别是在采用将光纤放置在铌酸锂基片凹槽的方法实现保偏光纤与其他光学器件直接对轴领域。
背景技术：
光纤陀螺由于其无运动部件、检测灵敏度与分辨率极高、动态范围大、瞬时启动、尺寸小重量轻等优点，已成为惯性技术领域重点发展的关键技术之一。如今，光纤陀螺的大部分关键技术问题已经得到很好的解决，灵敏度、动态范围、标度因素等技术指标已得到很大的改善，角速度探测精度已经达到0.0003°/h(相当于150年转一圈的转速)。关键技术问题的解决和光纤陀螺独有优势有力地推动了光纤陀螺的产业化。如今全球每年生产的光纤陀螺单元已达到十万个左右。典型的光纤陀螺面积为10cm2数量级，精度0.1°/h～0.02°/h，能在强震动、温度-50℃～100℃的环境中全区间工作，广泛应用于航天航空，机器人系统，机车导航，天线与望远镜平台，深海导航，矿物勘采甚至是地震探测技术领域。
光纤环作为光纤陀螺的核心敏感元件，对它的基本要求之一是偏振特性好。保偏光纤由于具有对线偏光较强的偏振保持能力和对一般单模光纤极好的兼容性，使其在干涉传感(如光纤陀螺)和相干光通信中得到了越来越广泛深入的研究与应用。
由光纤陀螺原理可知，其中一环节涉及Y波导与光纤环的连接，传统的方法采用熔接的方式，引入了两个熔点，带来偏振串扰、背向衍射，使光纤陀螺性能可靠性都有所减低。当今主流方法是直接对轴+端面研磨方式，但是，光纤直接研磨与对轴都有一定的难度，所以我们采用将光纤放置在铌酸锂基片凹槽中，通过对接铌酸锂基片间接实现光纤的对轴，从而简化光纤对轴难度，便于光纤端面的研磨。
如图2所示，光纤在铌酸锂基片凹槽中往往是图中三种情形，出现如图中第2、3幅图中的左右、上下偏摆情况。光纤在铌酸锂基片的放置情况直接影响光纤对轴和光纤端面研磨的效果，所以必须把光纤调整为图中第1幅所示的放置情形。但是欲实现光纤在铌酸锂基片的精确的放置十分困难，目前采用人工放置的方式，不仅是人力与时间的浪费，而且放置位置不理想，调整过程还容易损伤光纤，容易使光纤端面受到污染，可能对后续光纤的处理带来负面的影响。如基于端面成像法的保偏光纤自动定轴，如果手动放置过程不慎污染了光纤端面，往往对光纤端面图像的显示与处理带来困难，降低检测精度，所以需要一种光纤自动放置技术。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述问题，克服人工放置带来的不足，提出一种光纤自动定位与放置方法，通过铌酸锂基片位置与姿态的精确测量与调整，实现光纤的自动放置，减少人力、时间的同时，保护了光纤。
一种光纤自动定位与放置装置，包括PC机、多轴精密驱动板、四维电动调整台、光纤旋转器、保偏光纤、铌酸锂基片、光源、显微摄像头、显微物镜、镜筒、CCD相机、一维电动位移台、CMOS相机；
保偏光纤固定在光纤旋转器上，光源照射剥除涂覆层的保偏光纤，保偏光纤与显微物镜同轴，铌酸锂基片固定在四维电动调整台上，保偏光纤位于铌酸锂基片内；
CCD相机通过镜筒与显微物镜相连，显微摄像头连接CMOS相机，显微摄像头位于保偏光纤上方，CCD相机、CMOS相机连接PC机，镜筒固定在一维电动位移台上，多轴精密驱动板控制一维电动位移台沿镜筒轴向移动；
多轴精密驱动电路板与PC机连接，多轴精密驱动电路板接受PC机发送的指令，分别驱动四维电动调整台、一维电动位移台、光纤旋转器，实现保偏光纤的自动放置、自动对焦与自动定轴。
一种光纤自动定位与放置方法，包括以下几个步骤：
步骤一：光纤放入凹槽前
铌酸锂基片放置在四维电动调整台上，光纤由光纤旋转器夹持，放置在四维电动调整台左侧，高度与铌酸锂基片齐平，光纤不在铌酸锂基片凹槽中，且与铌酸锂基片凹槽边线不平行，将光纤放置到铌酸锂基片凹槽中；
步骤二：光纤放入凹槽后
光纤成功放置在铌酸锂基片凹槽后，在四维调整台右侧放置由显微物镜、镜筒、CCD相机，调整显微物镜高度与铌酸锂基片以及光纤端面齐平，调整一维电动位移台将光纤端面调整在焦平面，光源产生非相干平行光，在光纤上侧照射光纤，光耦合进光纤，通过显微物镜以及CCD相机采集图像，上传图像至PC机显示与处理。
本发明的优点在于：
本发明可以替代现有人工放置方法，避免现有方法费时、费力、放置误差大等缺点，实现光纤的自动精确放置。通过基于MFC对话框程序的编写即可直观的看到铌酸锂基片位置与姿态的调整，实时观测光纤的精确放置的过程，整个放置过程简单、直观、自动化程度高。
本发明通过铌酸锂基片位置与姿态的精确测量与调整，实现光纤的自动放置，减少人力、时间的同时，保护了光纤，让光纤放置过程中不受污染或损伤。
附图说明
图1光纤自动放置与定轴装置框图
图2光纤在铌酸锂基片典型的放置情况
图3成像装置采集的光纤与铌酸锂基片相对位置示意图
图4基于图像处理的铌酸锂基片与光纤的位置姿态调整流程
图5铌酸锂基片外光纤调整放置过程示意图
图6光纤放置在铌酸锂基片后典型情况
图7基于端面图像法的光纤端面成像系统
图8基于端面图像法的铌酸锂基片姿态调整流程
图中：
1-PC机2-多轴精密驱动板3-四维电动调整台
4-光纤旋转器5-保偏光纤6-铌酸锂基片
7-光源8-显微摄像头9-显微物镜
10-镜筒11-CCD相机12-一维电动位移台
13-鼠标14-CMOS相机
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种光纤自动定位与放置装置，如图1所示，包括PC机1、多轴精密驱动板2、四维电动调整台3、光纤旋转器4、保偏光纤5、铌酸锂基片6、光源7、显微摄像头8、显微物镜9、镜筒10、CCD相机11、一维电动位移台12、鼠标13、CMOS相机14；
图像处理与控制单元主要指PC机，通过两个USB口分别与CCD相机11和CMOS相机14连接，通过RS232串口与多轴精密驱动板2连接，通过一个USB口与鼠标13连接。
图像采集模块包括光源7、显微摄像头8、显微物镜9、镜筒10、CCD相机11、CMOS相机14。
运动控制模块包括光纤旋转器4、四维电动调整台3、一维电动位移台12、铌酸锂基片6、多轴精密驱动板2。
人机交互模块包括PC机和鼠标13。
保偏光纤5固定在光纤旋转器4上，光源7以45°斜向前照射剥除涂覆层的保偏光纤5，保偏光纤5与显微物镜9同轴，铌酸锂基片6固定在四维电动调整台3上，保偏光纤5位于铌酸锂基片6内；
CCD相机11通过镜筒10与显微物镜9相连，显微摄像头8连接CMOS相机14，显微摄像头8固定在保偏光纤5上方，CCD相机11、CMOS相机14通过USB口连接PC机1；镜筒10固定在一维电动位移台12上，通过向多轴精密驱动板2发送指令控制一维电动位移台12沿镜筒10轴向移动，从而移动镜筒10、显微物镜9和CCD相机11，实现保偏光纤5端面图像的对焦与定轴；
多轴精密驱动电路板2与PC机1通过RS232串口连接，多轴精密驱动电路板2接受PC机1发送的指令，驱动四维电动调整台3、一维电动位移台12、光纤旋转器4实现保偏光纤5的自动放置、自动对焦与自动定轴。
PC机1内开发基于MFC对话框的保偏光纤全自动定轴装置人机交互界面，由鼠标13点击相应的按钮实现相应的功能，PC机1与鼠标13通过USB口连接。
本发明工作原理是根据图像采集模块和图像处理的检测结果，通过PC端串口发送实时控制指令给多轴精密驱动板2，去调整与控制四维电动调整台3，实现铌酸锂基片6位置与姿态的调整，从而实现保偏光纤5的精确放置。
本发明是一种光纤自动定位与放置方法，流程如图4所示，包括以下几个步骤：
步骤一：光纤放入凹槽前
铌酸锂基片放置在四维电动调整台上，光纤由光纤旋转器夹持，放置在四维电动调整台左侧，高度与铌酸锂基片基本齐平，图3是显微摄像头在它们上方采集的示意图。由示意图可知，光纤并不在铌酸锂基片凹槽中，且与铌酸锂基片凹槽边线不平行，这是光纤放置前的常见情形，需要根据图2提供的系统框图进行调整，将光纤放置到铌酸锂基片凹槽中。具体操作流程如下：
1)首先是打开由显微摄像头8(MML1.5-HR65D)和CMOS相机14组成的成像装置，将铌酸锂基片与光纤图像调整在视场中间；
2)开始对光纤与铌酸锂基片相对位置与姿态图像进行采集，该图像采集由放大倍率1.5倍的显微摄像头8MML1.5-HR65D，分辨率2048x1536、帧率13fps的CMOS相机实现，通过USB2.0接口上传至PC机；
3)如图4所示，运用OpenCV的图像处理库，对铌酸锂基片与光纤的位置姿态信息进行图像处理。具体流程如下：
A、由于CCD自身成像过程以及数据传输过程都会引入噪声，所以首先进行图像预处理，对采集到的图像进行高斯滤波；
B、高斯滤波后用canny边缘检测对图像进行边缘检测，找出光纤与铌酸锂基片的两条凹槽线；
C、用最小二乘法对光纤与铌酸锂基片的两条凹槽线进行直线拟合，并计算光纤与铌酸锂基片凹槽线夹角的角度；
D、根据检测结果通过串口发送实时控制命令驱动四维调整台，实时调整铌酸锂基片X方向的偏摆，当光纤与铌酸锂基片凹槽线夹角角度小于某个阈值时，停止调整；
E、判断光纤是否在凹槽中间，若在，则整个调整过程结束；若不在，驱动四维调整台实现铌酸锂基片Y方向的平移；
F、重复C—F操作，直至光纤在铌酸锂基片凹槽中间且与之边线夹角小于某个阈值；
如图5所示，通过A-F步骤即可实现图5中的调整过程，将光纤放置在铌酸锂基片凹槽中。
步骤二：光纤放入凹槽后
光纤成功放置在铌酸锂基片凹槽后，并没有完成光纤的精确放置，依然会出现如图6中的上下偏摆情形，仍然需要通过铌酸锂基片姿态的调整对图6中情形继续进行调整，达到光纤的理想放置，这才是光纤完整的自动放置过程。这一过程采用基于端面图像的处理方法，在四维调整台右侧放置由显微物镜、镜筒、CCD相机组成的光纤端面采集模块，调整该模块高度与铌酸锂基片以及光纤端面基本齐平，并通过调整一维电动位移台将光纤端面调整在焦平面，实现对光纤端面图像的采集。
参阅图7。选用LED冷光源LG101103，产生非相干平行光，在光纤上侧照射光纤，光耦合进光纤，通过显微物镜9以及CCD相机11采集图像，通过USB2.0上传图像至PC机显示与处理。
参阅图8，具体操作流程如下：
1、首先是打开由微显微物镜9、镜筒10以及CCD相机11组成的成像装置，将光纤端面图像调整在视场中间
2、开始对光纤端面图像进行采集，该图像采集由分辨率1292x964、帧率30fps的成像CCD相机11实现，通过USB2.0接口上传至PC机
3、参阅图8。运用OpenCV的图像处理库，对光纤端面信息进行图像处理。
A、由于CCD自身成像过程以及数据传输过程都会引入噪声，所以首先进行图像预处理，对采集到的图像进行高斯滤波
B、高斯滤波自后用canny边缘检测对图像进行边缘检测，找出光纤端面轮廓曲线
C、用最小二乘和迭代的方法对光纤端面轮廓进行椭圆拟合，并根据算法计算光纤端面轮廓曲线的椭圆度
D、如果光纤端面轮廓曲线的椭圆度小于某个阈值△，则调整完成，反之根据检测结果通过串口发送实时控制命令驱动四维调整台，实时调整铌酸锂基片Y方向的偏摆，直到光纤端面轮廓曲线的椭圆度小于△，停止调整。
至此，完成整个光纤的自动放置过程。本发明无需借助外界信息，仅需要操作者鼠标按钮的点击就可以自动、快速、精确地进行图像采集、显示、数据处理以及实时调整铌酸锂基片的位置与姿态，从而完成光纤自动放置。
本发明中：
图像处理模块主要指PC机，用于图像的显示与数据处理，是实现人机交互的平台。
图像采集模块主要有两套装置，一套由显微摄像头8MML1.5-HR65D和成像CMOS相机14组成，用于对光纤与铌酸锂基片相对位置与姿态的采集，另一套由显微物镜9、镜筒10以及CCD相机11组成，用于光纤端面图像的采集。
运动控制模块主要由多轴精密驱动电路板和四维调整台组成，根据图像采集模块和图像处理的检测结果，通过PC端串口发送实时控制指令，去调整与控制四维调整台，实现铌酸锂基片位置与姿态的调整，从而实现光纤的精确放置。
人机交互模块主要指在PC端开发基于MFC对话框的采集、显示与控制程序，让操作者通过PC端的界面就可以直观的感受到控制过程，仅通过PC端界面的按钮点击就可以实现指定的操作。