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[011引步骤巧）；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；取图11中一行的相位空间分布图如图12所示，将其 拟合成一条直线，用原始相位减去背景相位的拟合值，可W将相位倾斜消除，结果如图13 所示。
[0113] W标准工具对所拍摄的图像进行定标：将图1处样品池8换成显微镜测微尺，对准 焦距后，用CCD摄像机12拍摄标尺图，该标尺图的像素与标准长度之间的对应关系即为CCD 焦点处的图像像素与实际标准长度之间的对应关系，本实施例中为551像素对应于200微 米。W下的数据分析中，使用该对应关系。
[0114] 用光程计算模拟方法对完整单模光纤（图16)和侧边抛磨光纤（图5)的相位空 间分布图进行了模拟，结果分别如图17和图22所示，并采用本实验系统对完整单模光纤的 厚度进行了测量，并与SEM测量方法进行了对比。
[0115] 如图14及图22所示，相位空间分布图与模拟计算结果相符，图中相位最高点C，该 点是纤巧的中屯、位置所在。B、D两点之间的凸起为纤巧部分。相位在两边分别有一个跳变 A点与E点，是光纤边缘位置。
[0116] 图14中，AB之间距离26像素，即侧边抛磨光纤的包层剩余厚度是9. 43um;AC之 间距离36像素，即纤巧中央到抛磨面的距离是13.lum;抓之间距离是24像素，既纤巧部 分直径为8. 71um;AE之间距离208像素，即侧边抛磨光纤的抛磨面到光纤边缘之间距离是 75. 5um。
[0117] 将侧边抛磨光纤的端面打磨抛光后，用电镜SEM观察其截面，由于SEM图不能反映 光纤纤巧位置，因此用光纤抛磨面到光纤边缘之间距离来验证数字全息测量法的精度，如 图15所示，根据沈M给出的标尺，光纤抛磨面到光纤边缘之间距离是75.Sum。数字全息成 像技术测量出的光纤抛磨面到光纤边缘之间距离与沈M测量相比，其绝对误差为0.3um，相 对误差为0. 39%。
[0118] 为了进一步验证本方法的精确度，将被测物体换为完整的单模光纤，其全息图如 图18所示，相位重构、解包裹、消倾斜后相位分布图如19所示，其中一行的相位空间分布图 如图20所示。其中C点为相位最高点，是纤巧中屯、所在位置；B、D之间为纤巧部分；A点与 E点是光纤的边缘。
[0119] 图20中，抓之间距离是25像素，即纤巧部分直径为9. 07um，纤巧直径与侧边抛磨 光纤测量直径不同，该是由于不同光纤纤巧直径的个体差异造成的；AE之间距离350像素， 即单模光纤截面直径是127.Oum。
[0120] 用电镜观察完整单模光纤截面，如图21所示，根据电镜的标尺，测量得到光纤的 直径是127. 6um，与用数字全息方法测量的光纤直径差距为0. 6um。结果证明，使用数字全 息成像技术不仅能够重建出侧边抛磨光纤与单模光纤的折射率分布，而且能够正确反映它 们的结构尺寸，与用沈M测量方法测量出的结果相比，测量相对误差为0. 47%，适合用于侧 边抛磨光纤的包层剩余厚度W及光纤抛磨面到光纤边缘之间距离的测量。
[0121] 图24为全息图处理流程，全息图经相位重构、解包裹、消倾斜后，即可得到被测物 体相位图。本发明方法基于数字全息技术，可实现在线、无损测量，并能直接测量纤巧与抛 磨面之间的距离。
【主权项】
1. 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： (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； (2) 对离轴全息图进行相位重构； (3) 对重构后的相位进行解包裹得到相位图； (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（2)和（3)进行相 位重构和解包裹，得到背景相位图； (5) 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以消除相位倾斜， 得到抛磨光纤的相位图； (6) 在抛磨光纤的相位图中提取结构信息，得到抛磨面与纤芯的距离，即剩余包层厚 度。2. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于： 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，且与光合束器距离相同。3. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于： 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以及第二平面反射镜与光合束 器之间。4. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于： 步骤（2)中，采用角谱重构法进行相位重构，具体分为三步： 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，将零级频谱与共轭频 谱消除； B. 将重构项频谱平移到中心位置，即原零级频谱所在位置； C. 对重构项频谱进行傅里叶逆变换，得到相位分布。5. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于： 步骤（3)中，米用精确最小二乘法解包裹。6. 根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：精确最小二乘法解包裹的具体过程 如下： 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)，如为对 应的实际连续相位值，I < η < N，I < m < M，则解包裹相位表示为式中k(n，m)为整数，由下面方法求得； (3. 1)采用最小二乘算法得到解包裹相位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； (3. 2)计算 k'（n, m):式中INT{}为取整运算， (3. 3)判断k'（n, m)是否就是待求的k(n, m):当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2 π，则该点是连续的，否则为不连续点；如果〇，"0中所有点是连续的，则k'（n，m) =k (n，m)，〇, w)就是待求的精确解包裹相位；如果m)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，则在这些不连续离散点或不连续区域 k'（n, m)辛k (n, m)，需要进一步处理； (3. 4)处理不连续离散点和/或不连续区域边缘，作如下运算(4)式中MEDFILT2H为中值滤波，窗口的大小取3X3、5X5或9X9,⑷式对Wm") 做中值滤波，用于平滑离散的不连续点，结果用<(?,/?)表示，(5)式计算出这些点处 k'（n, m)的值，结果用表示，最终的解包裹相位用（6)式计算，并用表示； 经过（4)-(6)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，这个过程需要重复2-5次； (3.5)最后处理少数遗留下来的不连续区域，作运算式中EDGE {}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2 π，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2 π，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 π，ss记为1 ; 利用ss矩阵，对0,0进行处理，值为〇的点相位不做处理；值为-1的点，相位 作-2 π处理，值为1的点，作+2 π处理，即对相应点的k\njn)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。7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤（5)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。8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤（5)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。
【专利摘要】本发明公开了一种侧边抛磨光纤剩余包层厚度检测方法，其特征在于具备步骤如下：（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；（2）对离轴全息图进行相位重构；（3）对重构后的相位进行解包裹得到相位图；（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（2）和（3）进行相位重构和解包裹，得到背景相位图；（5）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以消除相位倾斜，得到抛磨光纤的相位图；（6）在抛磨光纤的相位图中提取结构信息，得到抛磨面与纤芯的距离，即剩余包层厚度。本发明方法可实现在线、无损测量，并能直接测量纤芯与抛磨面之间的距离。
【IPC分类】G01B11/06
【公开号】CN104976958
【申请号】CN201510379682
【发明人】钟永春, 陈哲, 汪峰, 罗瑛
【申请人】暨南大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月30日