一种侧边抛磨光纤剩余包层厚度检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及厚度检测方法。
【背景技术】
[0002] 近年来全光纤器件正越来越多地被研究和使用。通常，全光纤器件被广泛使用于 光纤传感与光通信等方面，其具有集成度高、容易与光纤烙接等优点。侧边抛磨光纤是用来 制作全光纤器件的常见光纤元件。
[0003] 侧边抛磨光纤的光传输特性与其包层剩余厚度（即光纤纤巧表面与抛磨面之间 距离）有着密切的联系。研究表明，在包层剩余厚度小于5微米时，光纤损耗明显增大。侧 边抛磨光纤的包层剩余厚度越小，其光传输特性对外界环境变化越敏感，因此测量侧边抛 磨光纤的包层剩余厚度对于侧边抛磨光纤的应用来说有着重要的意义。
[0004] 数字全息成像技术利用瑞利-索末菲衍射积分公式，可W同时重建物场的强度和 相位分布。而相对于传统的光学全息。数字记录和数值重建使数字全息术同时具备了光学 全息和数字技术的优点；包括全视场、非接触、=维成像和数字处理的灵活性、方便性等。近 年来，数字全息技术已经在许多不同领域得到了快速的发展。如显微成像、形变测量、=维 形貌测量、颗粒大小和位置测量等。
[0005]目前，用于测量侧边抛磨光纤的包层剩余厚度的方法主要有显微镜测量法、扫描 电子显微镜检测法、功率测量法。
[0006] 显微镜测量法是利用光学显微镜对侧边抛磨光纤进行成像测量，该方法利用光 学成像法进行测量，通过测量侧边抛磨光纤的截面厚度，然后减去光纤理论半径（通常是 62. 5ym)与纤巧半径（通常是4ym)之和从而得到包层剩余厚度，是一种间接测量法，能实 现对光纤的无接触测量。由于侧边抛磨光纤的抛磨面衍射严重，该方法无法克服边缘衍射 带来的测量误差。而且由于光纤本身存在个体差异，光纤半径及纤巧半径并不是一个定值， 并且纤巧可能稍微偏离光纤中屯、位置，因此该方法无法得到准确的纤巧与抛磨面之间的距 离。
[0007] 扫描电子显微镜（Scanningelectronmicroscope,SEM)检测法。沈M检测法需 要把侧边抛磨光纤截断粘贴在特制的平台上并且喷上导电颗粒，然后使用电子扫描成像的 方式得到侧边抛磨光纤的二次电子像。该方法精确度可W达到纳米量级，但此方法也不能 得到纤巧的准确位置，而且该是一种有损测量方法，需要破坏侧边抛磨光纤结构，因此无法 用于光纤的无损、在线测量。
[0008] 功率测量法是通过测量侧边抛磨光纤透过光功率与未抛磨光纤透过的光功率之 间的比值从而间接测量剩余抛磨厚度的方法。功率测量法受外界环境折射率、温度W及光 纤所受应力等影响大，功率随包层剩余厚度变化曲线不是单调变化，且曲线线性度差。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有技术的不足，提供一种侧边抛磨光纤剩余包层厚度检测方法，该 方法基于数字全息技术，实现精确的无损测量。
[0010] 本发明的技术方案如下：
[0011] 一种侧边抛磨光纤剩余包层厚度检测方法，其特征在于具体步骤如下：
[0012] (1)采用马赫曾德型透射式离轴全息成像系统，拍摄包括抛磨光纤结构信息的离 轴全息图；所述马赫曾德型透射式离轴全息成像实验系统包括激光器，激光器出射的激光 经扩束准直后由光分束器分成两束，第一束经由第一平面反射镜到光合束器，第二束经由 第二平面反射镜、样品池到光合束器，光合束器将两束光合并后入射到CCD摄像机，CCD摄 像机与图像处理装置相连；侧边抛磨光纤置于填充有折射率匹配液的样品池中，旋转抛磨 光纤使得抛磨面与射到抛磨光纤上的激光平行；
[0013] (2)对离轴全息图进行相位重构；
[0014] (3)对重构后的相位进行解包裹得到相位图；
[001引（4)相对于步骤（1)中，移除抛磨光纤，拍摄背景全息图，并依照步骤似和做进 行相位重构和解包裹，得到背景相位图；
[001引 妨用步骤（4)得到的背景相位图对步骤（3)得到的相位图进行补偿此消除相位 倾斜，得到抛磨光纤的相位图；
[0017] (6)在抛磨光纤的相位图中提取结构信息，得到抛磨面与纤巧的距离，即剩余包层 厚度。
[001引进一步的，步骤（1)中，所述马赫曾德型透射式离轴全息成像系统中，第一平面反 射镜与光合束器之间设置有第一显微物镜，样品池与光合束器之间设置有第二显微物镜， 第一显微物镜与第二显微物镜的规格相同，且与光合束器的距离相等。
[0019] 进一步的，步骤（1)中，光路中有4个光孔，分别设置于光分束器与第一平面反射 镜之间、第一平面反射镜与光合束器之间、光分束器与第二平面反射镜之间W及第二平面 反射镜与光合束器之间。
[0020] 进一步的，步骤（2)中，采用角谱重构法进行相位重构，具体分为S步：
[0021] A.对离轴全息图进行二维傅里叶变换，选取其中的重构项频谱，将零级频谱与共 辆频谱消除；
[0022] B.将重构项频谱平移到中屯、位置，即原零级频谱所在位置；
[0023] C.对重构项频谱进行傅里叶逆变换，得到相位分布。
[0024] 进一步的，步骤（3)中，采用精确最小二乘法解包裹。精确最小二乘法解包裹来源 于参考文献【钱晓凡，饶帆，李兴华，林超，李斌.精确最小二乘相位解包裹算法[J].中国激 光，2012, 39(2) ;1-5.】。
[00巧]进一步的，精确最小二乘法解包裹的具体过程如下：
[002引步骤（2)中重构的相位图为二维矩阵NXM，设二维包裹相位值为g(n，m)，口("，/") 为对应的实际连续相位值，1《n《N，1《m《M，则解包裹相位表示为
[0027] (p{n,m) = g(n'm) + 2k(n,m)7T (1 )
[0028] 式中k(n，m)为整数，由下面方法求得；
[0029] (3. 1)采用最小二乘算法得到解包裹相位杯("，"?.），相位解包裹的最小二乘算法， 在数学上等于求解具有Neumann边界条件的离散泊松方程，用离散余弦变换或傅里叶变换 求解该离散泊松方程；
[0030] (3.。计算k'（n,m);
[0031]
(2)
[003引式中INTW为取整运算，
[0033] (3. 3)判断k'（n,m)是否就是待求的k(n,m);
[0034]
C3)
[003引当疗'机《^)中某点的相位与其近邻的四个点的相位的平均值相比，其相位差绝 对值小于2n，则该点是连续的，否则为不连续点，如果矿的的中所有点是连续的，贝U k'（n，m) = k(n，m)，护如m)就是待求的精确解包裹相位；如果扭'机W)在大部分区域是 连续的，但是有一些离散点和/或部分区域不连续，则在该些不连续离散点或不连续区域k'（n,m)声k(n,m)，需要进一步处理，
[0036] (3. 4)处理不连续离散点和/或不连续区域边缘，作如下运算
[0037]
[0040] (4)式中MEDFILT2I：}为中值滤波，窗口的大小取3X3、5X5或9X9,（4)式对 口做中值滤波，用于平滑离散的不连续点，结果用护的m)表示，妨式计算出该些 点处k'（n，m)的值，结果用巧品巧表示，最终的解包裹相位用做式计算，并用口…的崎表 示；经过（4)-化）式的运算，原来相位连续的点依然连续，而不连续的离散点会变得连续， 同时，不连续区域的边缘会变得平滑，范围也会缩小，该个过程需要重复2-5次；
[0041] (3. 5)最后用下面的算法处理少数遗留下来的不连续区域，作运算
[0042] SS =EDGE{(p"'(njn)\ (7)
[0043] 式中邸GEW为查找边缘运算，SS为查找的结果，是一个NXM的0、±1矩阵，当被 查找的点的相位与其近邻的四个点的相位的平均值相比，其相位差绝对值小于2JT，则该区 域是连续区域，SS的值记为0,当被查找点的相位大于近邻的四个点的相位的平均值，且相 位差绝对值大于或等于2JT，SS记为-1，当被查找点的相位小于近邻四个点的相位的平均 值，且相位差的绝对值大于或等于2 31，SS记为1 ;
[0044] 利用SS矩阵，使用数字图像处理中的填充算法，对沪'("，"〇进行处理，值为0的点 相位不做处理；值为-1的点，相位作-2 31处理，值为1的点，作+2 31处理，即对相应点的 巧^作+1或一1运算，使之等于待求的k(n，m)，最终得到精确的解包裹相位，（2) - (7) 式中的函数为matlab程序语言中所使用的库函数。
[0045] 进一步的，步骤巧）中，补偿方式是步骤（3)的相位图直接与步骤（4)得到的背景 相位图相减。
[0046] 进一步的，步骤巧）中，补偿方式是先将步骤（4)得到的背景相位图进行线性拟 合，然后再将步骤（3)的相位图与线性拟合后的背景相位图相减。
[0047]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[004引1、保证了侧边抛磨光纤的在线、无损测量。本方法不受外界环境折射率、温度W及 光纤所受应力等的影响，抗干扰能力强。
[0049] 2、数字全息技术测量消除了边缘轮廓衍射造成测量误差，不受光纤个体直径差异 及纤巧偏离光纤中屯、的影响，能直接测量纤巧与抛磨面之间的距离。
【附图说明】
[0050]图1是马赫曾德型透射式离轴全息成像系统示意图。
[0051] 图2是样品池示意图。
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