一种光纤阵列纤芯距精密测量方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种光纤阵列纤芯距精密测量方法和系统，其中，所述方法包括：利用预设的标定模板进行标定，获得误差；通过预设的测量模板，采集所述被测光纤阵列端面图像，所述测量模板与所述被测光纤阵列端面对应固定在可移动的工作台上，所述光纤阵列的光纤中有光源光线在传导；根据所述测量模板，按照预设的算法，将采集的多幅图像按顺序进行拼接复原，并对其进行处理，得到处理后的图像，根据所述处理后的图像和所述误差，计算纤芯位置。本发明能够在不提高成本的情况下，有效提高光纤阵列纤芯距测量的精度。
【专利说明】一种光纤阵列纤芯距精密测量方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及测量【技术领域】，尤其涉及一种光纤阵列纤芯距精密测量方法和系统。【背景技术】
[0002]光纤阵列是光纤通信系统中光学器件与光纤之间连接应用最广泛的器件，主要应用在平面光波导器件、LD/PD阵列光纤器件、阵列波导光栅光通信网、密集波分复用以及多通道微光学模块中，具有柔性传像、使用空间自由度大、易实现细长结构、重量轻等特点。光纤阵列有125 μ m、127 μ m、250 μ m三种类型的纤芯距，通道数有1,2,4, 8，16，32，64等，最多可达128通道数。由于制造和装配误差，会导致光纤放在V型槽内排列不是严格的等间距。对应用于各领域中能够实现光纤阵列与光学元件的精确连接，光纤阵列的纤芯位置误差是造成耦合损耗的关键因素。因此，为了能够实现光纤阵列与光学元件的精确连接，最大限度的减少耦合损耗，提高耦合过程中的对准精度，对光纤阵列纤芯位置的精密检测非常必要。
[0003]目前，用于进行光纤阵列纤芯位置测量的方法和系统大致有以下几种。
[0004]一种测量方式是人工测量，也就是说，人工观察显微镜，移动夹持有光纤阵列的工作台，使纤芯与标靶中心对齐，再通过工作台光栅尺的反馈数据读出纤芯间的实际相对数值。但这种测量方法效率低，测量结果受人为影响比较严重，为了满足量产化的需要，降低成本并提高生产效率，需要研制出非接触、高精度的自动化光纤阵列间距测量设备。
[0005]另外几种测量方法的测量精度比较高，一种是相对测量法，具体过程是，固定在压电调节器上的标准光纤阵列做高速的旋转运动，与被测样本阵列纤芯重叠耦合，测量出旋转运动产生的光纤耦合参数，从而获得光纤阵列纤芯的偏移距离和偏移方向。另一种是，通过白光源透射到光纤阵列(FA)，近场模式(NFP)光学轮廓仪可以观测到FA的中心，NFP光学轮廓仪将通过监视过程来查找每个光纤中心坐标的集合中心。该几种方法测量精度高，耗时短，但它们都有一个共同的缺点，就是测量设备十分昂贵，对于许多科研单位、机构院校及一些企业，要想购买一套测量设备进行相关的测量研究，是一件十分困难的事情。
[0006]还有一种方法是，使用一个精确的光纤阵列模板作参考，经过图像识别与处理得到光纤阵列的纤芯坐标值以及V型槽的顶点坐标，通过计算机计算得到光纤阵列的纤芯位置分布图以及V型槽的顶点分布图。该方法不需要亚微米级高精度线性传送平台，相对而言，该测量系统更为紧凑，价格也比较低廉，但由于该方法没有对其测量系统进行标定，且测量方法中也没有对多幅图像进行拼接复原的步骤，测量模板中也确实辅助拼接的相关设置，因此其测量精度偏低。
[0007]综上所述，现有的测量方法和系统，有的测量技术精度偏低，而精度高的测量技术又系统复杂，且价格昂贵。因此，现在急需研究出精简、经济、高精度的测量光纤阵列纤芯位置的方法和系统。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明提供一种光纤阵列纤芯距精密测量方法，所述方法包括:[0009]步骤A，利用预设的标定模板进行标定，从而获得系统误差；
[0010]步骤B，通过预设的测量模板，采集所述被测光纤阵列端面图像，所述测量模板与所述被测光纤阵列端面对应固定在可移动的工作台上，所述光纤阵列的光纤中有光源光线在传导，首次采集的图像包括至少两个纤芯，移动工作台，再采集所述被测光纤阵列端面图像，再次采集的图像包括至少两个纤芯，且至少有一个纤芯为上一次所采集的图像中的纤芯之一，继续按同方向移动工作台，重复采集图像的过程，直至整个所述被测光纤阵列端面被采集完毕；
[0011]步骤C，根据所述测量模板，按照预设的算法，将采集的多幅图像按顺序进行拼接复原，并对其进行处理，得到处理后的图像，根据所述处理后的图像和所述系统误差，计算纤芯位置。。
[0012]本发明还提供一种光纤阵列纤芯距精密测量系统，所述系统包括:
[0013]标定模板，用于标定系统中显微放大模块的误差；
[0014]测量模板，用于置于与被测光纤阵列端面相对应的位置上；
[0015]工作台，用于固定放置被测光纤阵列，并能带动被测光纤阵列进行移动；
[0016]图像采集模块，用于通过光源，采集叠加了测量模板的所述被测光纤阵列端面图像，首次采集的图像包括至少两个纤芯，在移动工作台后，再次采集所述被测光纤阵列端面图像，再次采集的图像包括至少两个纤芯，且至少有一个纤芯为上一次所采集的图像中的纤芯之一，在继续按同一方向移动工作台后，重复所述图像采集的过程，直至整个所述被测光纤阵列端面被采集完毕；
[0017]图像处理模块，用于根据所述测量模板，按照预设的算法，将采集的多幅图像按顺序进行拼接复原，并对其进行处理，计算纤芯位置。
[0018]本发明提供的技术方案，能够有效的降低光纤阵列纤芯距的测量成本，同时还能保证其较高的测量精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明提供的一种光纤阵列纤芯距精密测量方法的流程图。
[0020]图2是本发明提供的一种标定模板的结构示意图。
[0021]图3是本发明提供的一种利用标定模板对图像采集设备进行标定的流程图。
[0022]图4是本发明提供的一种测量模板结构示意图。
[0023]图5A是本发明提供的一种前后两幅图像位置发生偏差时的示意图。
[0024]图5B是本发明提供的一种前后两幅图像位置无偏差时的示意图。
[0025]图6是本发明提供的另一种测量模板结构示意图。
[0026]图7是本发明提供的一种光纤阵列纤芯距精密测量装置的示意图。
[0027]图8A是本发明提供的一种两幅图像位置错误的示意图。
[0028]图8B是本发明提供的一种两幅图像位置正确的示意图。
[0029]图9是现有技术提供的一种测量模板的结构示意图。
[0030]图10是本发明提供的一种计算纤芯距的图像处理算法的流程图。
[0031]图11是本发明提供的一种经过处理的光纤阵列端面显微放大图像。
图12是本发明提供的一种光纤阵列纤芯距精密测量系统示意图。【具体实施方式】
[0032]为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0033]方法实施例:
[0034]请参考图1，该图示出了本发明进行光纤阵列纤芯距测量的方法实施例的流程，本实施例可以包括以下步骤。
[0035]步骤101，利用预设的标定模板进行标定，从而获得误差。
[0036]所述标定模块，为用于标定的特制模板，之所以要使用标定模板，得先从标定开始说起。
[0037]标定一般是指，对所使用仪器的准确度(精度)进行检测，从而确定仪器或测量系统的输入一输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或系统的精确度。因此，在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。由于本发明提供的技术方案需利用对被测光纤阵列端面进行放大，再采集放大的图像，所以在进行测量之前，需先对进行显微放大的装置进行标定，而标定模板就是为标定而特制的一种器件，如图2所示。
[0038]请参考图3，利用标定模板进行标定的过程，可以包括以下步骤:
[0039]步骤201，将标定 模板放置于图像采集设备前。
[0040]通常情况下，标定模板会放置于图像采集设备前，使得标定模板上的几何图形可以被清楚的显示在所采集到的图像上。
[0041]步骤202，采集标定模板的图像。
[0042]为了能够获取该测量系统的相关误差参数，需采集标定模板的图像，通过对所采集的图像上的几何图形与实际的标定圆点的差异来确定误差参数，具体的确定误差参数的过程，在后续步骤中，会进一步进行说明。
[0043]步骤203，检测出图像中的几何图形。
[0044]采集完标定模板的图像之后，需对所采集的图像进行进一步的分析检测，获取到图像中各几何图像的尺寸及位置信息。该获取标定圆点相关信息的过程，在后续步骤中会进行详细说明。
[0045]步骤204，计算出显微放大设备的相关参数。
[0046]根据步骤203所获取到的信息，计算出相关参数，例如，所述标定模板上的几何图像为标定圆点，且该标定圆点的实际直径和间距是已知的，那么将图像中某一标定圆点的直径Φ1，与该标定圆点的实际直径Φ2相比，也就是Φ1/Φ2，从而计算出放大倍数。与此相似的，可以根据其他信息，计算出系统误差、像差等参数。
[0047]在现有技术中，通常都没有针对光纤阵列测量的专用标定模板，所以其测量精度往往不够理想。但本发明提供了一种专门针对该测量光纤阵列纤芯位置的技术方案的标定丰旲板，可以有效提闻测量精度。
[0048]步骤102，通过预设的测量模板，采集所述被测光纤阵列端面图像，首次采集的图像包括至少两个纤芯，移动工作台，再采集所述被测光纤阵列端面图像，再次采集的图像包括至少两个纤芯，且至少有一个纤芯为上一次所采集的图像中的纤芯之一，继续按同方向移动工作台，重复采集图像的过程，直至整个所述被测光纤阵列端面被采集完毕。[0049]该步骤中的测量模板与步骤101中的标定模板是两种不同的模板:测量模板是在对被测光纤阵列进行实际测量的时候使用；标定模板则是在进行标定时使用。二者的用途虽然不同，但其制作材料及工艺则基本相同，模板的制作材料通常为较透明，厚度小，强度好，热胀系数低的材质，例如光学玻璃，然后将该材质通过微纳米光刻工艺进行加工，制成所需模板，其结构如图4所示。由图4可以看出，测量模板通常包括图像编码信息，该图像编码信息可以设置成如图4所示的测量模板，在该测量模板的中间设置一条较长的主线，以及在主线上还设置有短线，所说的主线和短线就是图像编码信息，当然图像编码信息也不仅仅局限与主线和短线，也可以设置成其他可以进行图像编码的几何图形。在说明测量模板上设置主线和短线的原因之前，先要对测量光纤阵列纤芯的技术难点进行说明。
[0050]由于光纤阵列纤芯的测量属于高精度测量，其测量基本都是在纳米级，一根光纤的纤芯直径通常最多只有几十微米，要想较为准确的对光纤阵列的纤芯进行相关测量，就必须使用高精度的测量设备。在进行此类测量时，对光纤阵列测量端面图像进行放大是必不可少的步骤之一，由于进行显微放大的设备的视场面积有限，那么在进行高精度测量时，被测光纤阵列的纤芯将被放大许多倍，这样一来，视场中往往只能包含I至2个纤芯，而一个被测端面通常会包含多个纤芯，如果想要知道每个纤芯的位置，那么就要获取到整个被测端面上所有纤芯的位置信息。这也是在进行光纤阵列纤芯位置测量中必需解决的技术难点之一。所以，现有技术通常是一次只获取一个纤芯的位置信息，再将多次获取到的信息进行综合处理，最后得到需要的结果。因此，在实际应用过程中，为了能够获取到所有纤芯的位置信息，需要对光纤阵列会进行移动，这也就是为什么要将光纤阵列放置在可移动工作台上的原因，因为这样光纤阵列就可以随工作台的移动而移动了。而且一般可移动工作台是三维可以移动工作台，可以进行对其移动距离进行准确控制。然而在移动过程中，光纤阵列的位置可能会发生微小的偏移，为了能够发现并校正这微小的偏差，而现有的一些技术方案在进行测量时，由于技术的局限，无法很好的克服这些偏差，而导致测量的准确性不够闻。
[0051]由于在本发明中，所述测量模板上一般设置有一条较长的主线，该主线提供辅助校准信息。例如，请参看图5A和图5B，图中直线为主线，圆形为纤芯。当采集到的前一幅图像a和后一幅图像b的位置关系发生偏差时，其主线就不在一条直线上，需进行校正，校正后，图像a与图像b上的主线就在一条直线上。这里需要说明的是，由于主线的宽度过宽，会影响测量的准确性，但宽度过窄，不利于后期图像处理，所以主线宽度的设置需根据实际测量需要选择适宜的宽度。经过反复试验，可以清楚的知道，主线的线宽最好在I μ m~5 μ m之间。
[0052]除了主线，所述测量模板上还可以设置若干条短线，该短线是用于对光纤阵列端面图像中的纤芯进行编码，短线的编码规则一般是每一根纤芯进行一次编码，所以短线之间的距离就是光纤阵列标准纤芯距。以32通道光纤阵列为例，标准纤芯距为127μπι，所以模板上短线之间的距离为127 μ m，那么该模板可用于通道数小于32，标准纤芯距为127 μ m的光纤阵列纤芯距的测量。而且，短线可以如图2所示与主线成一定夹角，还可以与主线垂直(如图6所示)。由于在进行多次图像采集时，可以利用该短线对图像进行标记，防止在对多幅图像进行拼接时，发生拼接错误，所以短线的设置方式并不局限于图4和图6所示方式，只有可以起到标记识别的作用即可。[0053]这里需要说明的是，上文所述光纤阵列的通道数，即光纤阵列包含的光纤数量，而光纤阵列端面上的纤芯即光纤的端面。也就是说，有I个通道的光纤阵列包含有I根光纤，光纤阵列端面上有I个纤芯；有32个通道的光纤阵列就包含有32根光纤，光纤阵列端面上就有32个纤芯。
[0054]另外，上述标定模板和测量模板通常情况下其制作材质和加工工艺基本相同，尺寸大小也基本一致。因此，可以将二者制作成一块模板，也就是说，一块模板上，一部分是标定模板，另一部分是测量模板，这样使用起来更加方便，使更换模板的工序变得更加简单。
[0055]为了能够准确测量，被测光纤阵列通常会被固定在一个用于测量的工作台上，且该工作台为可移动的平台，工作台上设置有夹具，用于将光纤阵列以及覆盖在其测量端面上的模板固定住，防止其移位而影响测量。工作台内部一般设有高精控制装置，用于控制工作台的台面在水平或垂直方向上，根据需要进行精确移动。由于光纤阵列和模板固定在了工作台上，所以当工作台的台面移动时，光纤阵列和模板也会随之移动。
[0056]这里需要进行说明的是，由于一般光纤阵列的端面会有一个8°的倾斜面，如图7所示，如果将光纤阵列放置在普通水平的夹具上，那么其被测端面会与垂直平面有8°的夹角，在进行图像采集时，获取到的图像会因为该夹角而失真。为了解决这个问题，本发明会特制夹具1，该夹具I会相应的设置一个8°的倾斜角，当光纤阵列放置于该夹具I上时，被测端面与工作台平面垂直，这样就很好的克服了图像采集时失真的问题。同时为了更好的固定被测光纤阵列，夹具I上通常还设置有挡板2，用于防止光纤阵列插入夹具时，插入过度；以及设置有卡压部件3，用于将光纤阵列固定在夹具I上，以防止光纤阵列从夹具I上脱落。由于该夹具I的其他零部件，与一般夹具相类似，故此处不再做详细说明。这里需要说明的是，图7所示夹具I仅仅只是一个示例性的设计方式，在实际应用过程中，只要夹具能够使被测端面与工作台平面垂直，且固定在工作台上即可。
[0057]通常情况下，可以使用摄像头拍摄被模板覆盖的被测光纤阵列的端面。为了便于后期的处理，一般还会使用图像采集卡获取数字化视频图像信息，并将其存储和播放出来的硬件设备。采集测量端面图像的具体过程是，摄像头会通过模板拍摄被测光纤阵列的测量端面，而图像采集卡会通过拍摄的图像，获取图像信息，然后将图像信息保存起来，以供日后进行输出调用。
[0058]另外，根据前文的描述，可以清楚的知道在一次图像采集过程中，通常无法获取到全部纤芯的图像信息，这也是光纤阵列纤芯测量的技术难点之一。现有技术一般是，一次只获取一个纤芯的图像信息，进行多次采集，再将多次获取到的信息进行综合处理，最后得到需要的结果，但所得到的结果不是太准确。而本发明每次采集的图像通常包括两个纤芯，其采集过程一般是，第一次采集第I个纤芯和第2个纤芯的图像，然后通过移动工作台来移动被测光纤阵列，直至将其移动到适合摄像头拍摄的位置，然后再进行第二次采集，获得第2个纤芯和第3个纤芯的图像，本次采集接收后，继续移动工作台，再进行采集，如此反复，直至整个测量端面的所有纤芯被采集完毕，则整个图像采集完成。
[0059]例如，现有4通道的光纤阵列，即测量端面有4个纤芯，将模板覆盖在光纤阵列的端面上后，移动光纤阵列至适合摄像头拍摄的位置，使摄像头正好可以拍摄到第I个和第2个纤芯，在拍摄结束后，继续移动光纤阵列，使摄像头可以拍摄到第2个和第3个纤芯，在拍摄结束后，继续移动光纤阵列，使摄像头可以拍摄到第3个和第4个纤芯，则整个测量端面图像采集完毕。除了上述拍摄方式外，还可以采用其他拍摄方式，例如第一次拍摄第I个和第2个纤芯，第二次拍摄第3个和第4个纤芯。当然，在实际操作过程中，也可以根据需要采用不同的拍摄方式。
[0060]步骤105，根据所述测量模板，按照预设的算法，将采集的多幅图像按顺序进行拼接复原，并对其进行处理，得到处理后的图像，根据所述处理后的图像和所述误差，计算纤芯位置。
[0061]由步骤102可知，为了能够获取整个光纤阵列测量端面的图像，通常会进行多次图像采集，从而得到多幅图像。为了便于处理，通常会将采集的多幅图像按顺序进行拼接，将其复原为整幅光纤阵列测量端面的图像。这里需要注意的是，由于覆盖在测量端面上的测量模板上设置有图像编码信息，因此在进行图像拼接时，可以根据该图像编码信息判断出所采集的图像是否出现错误。例如，如果采用的拍摄方式是，第I次拍摄第I个和第2个纤芯，第2次拍摄第2个和第3个纤芯，那么如图8A所示，其采集的图像的顺序正确，但如果如图SB所示，那说明所采集的图像排列顺序错误，或者是拍摄时漏拍了纤芯。从而可以判断出所采集的图像是否出现错误。出错的原因可以是图像采集的时间十分迅速，通常是拍摄完第一幅图像后，工作台立刻移动，再拍摄下一幅图像，在此过程中，有可能因为工作台移动速度没有跟上采集图像的速度而出现错误；又或者在进行图像排列时，出现前后两幅图像顺序颠倒，等等。而与此同时，测量模板上还设置有图像编码信息，例如测量模板中间的主线，在将所采集好的图像按顺序进行排列后，即可根据主线对图像中纤芯的偏移进行校正，由于前文已做说明，此处不再赘述。测量模板上设置的类似主线和短线这样的图像编码信息，进一步提高了本发明所提供的技术方案的准确性和可靠性。但在一些现有的技术方案中，提供的测量模板通常是一个个连续的方形框，如图9所示，该方形框不具备本发明提供的测量模板的校正和辅助拼接的功能，从而影响测量精度，所以本发明提供的技术方案相对现有技术中使用测量模板的方案测量精度更高。
[0062]由于在实际应用中，为了能够使采集的图像更加清晰，易于辨识，通常会设置光源，将该光源发出的光经过准直透镜后进入光纤传导，使得所采集的图像上光纤纤芯为一个高亮光点，这样更利于后期按照预设的算法对图像拼接复原，进行处理，进而使得根据图像处理计算出的结果更加精确，提高了本发明技术方案的测量精度。
[0063]请参考图10，对采集的图像进行处理的过程可以包括以下步骤:
[0064]步骤301，读取采集的光纤阵列端面图像，并进行平滑滤波预处理。
[0065]这里值得注意的是，由于在实际应用过程中，所采集到的图像可能由于图像采集设备或者外界条件的影响而不是十分理想，为了能够从图像中更好的获取到所需的信息，通常会对图片进行平滑滤波预处理。当然，这并不是必须步骤，如果采集到的图像十分清晰，完全符合预定要求，那么该步骤可以省略。
[0066]步骤302，提取定位光纤的成像区域，即感兴趣区域。
[0067]由前述内容可知，由于设置的光源发出的可见光进入光纤进行传导，使得光纤阵列测量端面上的纤芯呈现高亮，这样就可以提取出光纤纤芯的成像区域。
[0068]步骤303，对感兴趣区域进行亚像素级的边缘提取并定位圆心。
[0069]这里可以采用二项式插值算法等算法对感兴趣区域进行边缘提取，然后利用最小二乘拟合法或对称拟合法确定圆心。[0070]步骤304，计算出两个纤芯中心的实际距离。
[0071]在采集完图像后，根据图像采集模块的设置参数及所选用的显微放大模块的放大倍率计算出纤芯中心的实际距离。
[0072]例如，图像处理模块对图像采集模块采集到的图像进行上述处理后，得到如图11所示图像，那么图中黑色实线圆为纤芯，黑色虚线框是提取出的两个感兴趣区域，黑色直线就是要计算的纤芯距。
[0073]由于上文所提到的平滑滤波预处理、提取定位光纤的成像区域、二项式插值算法以及最小二乘拟合法属于现有技术，则此处不再赘述。
[0074]由于在现有技术中，没有最后的拼接还原步骤，其获取到的只是单个纤芯相对于标准量的位置关系。而本发明提供的技术方案，可以通过对采集图像的拼接还原，获取到整个测量端面的组合图像，进而更为准确的获知测量端面上每个纤芯的位置关系，进一步的提高了该技术方案的测量精度。
[0075]装置实施例:
[0076]请参考图12，该图示出了本发明提供的一种测量光纤阵列纤芯距的系统结构图。该系统包括标定光源、标定模板(图12中未示出)、测量模板、工作台、图像采集模块以及图像处理模块。
[0077]其中，所述标定模板是用于标定系统误差的一种特质的模板，该标定模板的结构一般如图2所示，标定模板中通常会设置多个几何图形，各图形按照设计要求排列，所述几何图形的大小与相对位置都是已知的，在优选的实施方式中，该几何图形通常为圆形，即标定圆点，各标定圆点的直径相同，标定圆点之间的间距也相同，但在实际应用中，可以根据需要，设计直径或间距不同的标定圆点，且标定点也不局限于圆形，也可是方形等其他形状。
[0078]另外，标定模板上的几何图形，通常尺寸较小，这是由于光纤阵列纤芯的测量通常是纳米级的，所以用于采集图像的设备的放大倍数一般都比较大，如果几何图形的尺寸过大，在采集的图像时，很可能整个图像只有一个几何图形或者只有几何图形的部分，也就无法获取几何图形的信息，进而无法计算出相关参数，直径影响测量精度。所以，在标定模板的制作过程中，需根据实际情况设计几何图形的大小和间距等。
[0079]在制作好标定模板后，可以按照以下步骤进行标定，其具体流程如图3所示。
[0080]步骤201，将标定模板放置于图像采集设备前；
[0081]步骤202，采集标定模板的图像；
[0082]步骤203，检测出图像中的标定圆点；
[0083]步骤204，计算出图像采集设备的相关参数。
[0084]在现有技术中，通常都没有针对光纤阵列测量的专用标定模板，所以其测量精度往往不够理想。但本发明提供了一种专门针对该测量光纤阵列纤芯位置的技术方案的标定丰旲板，可以有效提闻测量精度。
[0085]在进行完标定后，即可进入对光纤阵列的实际测量过程中。在实测时，需先将标定模板撤换为测量模板，才能进行后续步骤。
[0086]这里所说的测量模板，用于置于与被测光纤阵列端面相对应的位置上，优选的实施方式是覆盖在被测光纤阵列的测量端面上，该测量模板与之前所描述的标定模板是两种不同的模板:测量模板是在对被测光纤阵列进行实际测量的时候使用；标定模板则是在进行标定时使用。二者的用途虽然不同，但其制作材料及工艺则基本相同，模板的制作材料通常为较透明，厚度小，强度好，热胀系数低的材质，例如光学玻璃、石英玻璃、工程塑料等。然后将该材质通过微纳米光刻、或者半导体加工等工艺进行加工，制成所需模板，其结构如图4所示。所述测量模板包括图像编码信息，由图4可以看出，测量模板的中间通常会设置一条较粗的主线，在主线上还设置有短线，这里的主线和短线就是图像编码信息。测量模板上设置的类似主线和短线这样的编码信息通常是使用高精度的加工设备进行加工得到的，例如高精度干涉仪等，这样就确保测量模板的精度，从而保证了整个测量系统的测量精度。
[0087]另外，上述标定模板和测量模板通常情况下其制作材质和加工工艺基本相同，长度也基本一致。因此，可以将二者制作成一块模板，也就是说，一块模板上，一部分是标定模板，另一部分是测量模板，这样使用起来更加方便，使更换模板的工序变得更加简单。
[0088]制作好的测量模板在使用时，被固定在可移动的工作台上。该工作台除了用于固定测量模板，还用于固定放置被测光纤阵列，并能带动被测光纤阵列进行移动。
[0089]所述工作台通常包括一个三维移动平台，可实现三个维度的移动。在工作台的内部一般设置有控制装置，由于控制工作台的台面在水平或垂直方向上进行精确移动，不同型号的工作台，其移动精度不同，也会对整个测量系统的测量精度产生影响，因此在选择工作台时，要根据所需的测量精度来进行选择。由于工作台是由控制装置来控制移动的，基本不需要人工干预，因此其移动的准确性很高，移动速度也很快，从而使得整个测量系统的精度和速度都比较高。
[0090]需要说明的是，由于一般光纤阵列的端面会有一个8°的倾斜面，如图7所示，如果将光纤阵列放置在普通水平的夹具上，那么其被测端面会与垂直平面有8°的夹角，在进行图像采集时，获取到的图像会因为该夹角而失真。为了解决这个问题，本发明会特制夹具1，该夹具I会相应的设置一个8°的倾斜角，当光纤阵列放置于该夹具I上时，被测端面与工作台平面垂直，这样就很好的克服了图像采集时失真的问题。同时为了更好的固定被测光纤阵列，夹具I上通常还设置有挡板2，用于防止光纤阵列插入夹具I时，插入过度；以及设置有卡压部件3，用于将光纤阵列固定在夹具I上，以防止光纤阵列从夹具I上脱落。由于该夹具的其他零部件，与一般夹具相类似，故此处不再做详细说明。
[0091]在固定好光纤阵列后，就可以用图像采集模块对光纤阵列的测量端面进行图像采集。所述图像采集模块通常会包括摄像头，用于拍摄被模板覆盖的被测光纤阵列的端面。为了便于后期的处理，图像采集模块一般还包括图像采集卡，它是一种可以获取数字化视频图像信息，并将其存储和播放出来的硬件设备。通常情况下，图像采集模块采集测量端面图像的具体过程是，摄像头会通过模板拍摄被测光纤阵列的测量端面，而图像采集卡会通过拍摄的图像，获取图像信息，然后将图像信息保存起来，以供日后进行输出调用。
[0092]另外，通常情况下，用于图像采集设备通常会标有图像放大倍数等参数，但在实际应用中，由于其制造过程及使用过程中，出现的加工误差或使用磨损都有可能使得图像采集设备的实际放大倍数等参数不是其所标示出的数值。所以在实际测量过程中，通常会利用标定模板对图像采集设备以及整个测量系统的误差进行标定。另外，这里可以使用CXD摄像头，也可以是CMOS摄像头，又或者是其他可用于进行图像采集的摄像装置。
[0093]需要说明的是，所述图像采集模块所采集的测量端面图像是经过放大处理的图像。由于一般多模光纤阵列中的纤芯直径为62.5 μ m,单模光纤阵列的纤芯直径为8~10 μ m,人眼根本无法识别，因此本发明提供的测量光纤阵列中纤芯距的系统还包括显微放大模块，用于放大测量端面，从而得到放大的测量端面图像。其中，显微放大模块可以是光学显微镜，也可以是其可以对测量端面进行放大的设备。因此，在优选的实施方式用，图像采集模块中的摄像头透过光学显微镜对光纤阵列的测量端面进行拍摄。而且，在选择显微放大设备作为显微放大模块时，应保证满足图像分辨率要求，使得显微视场包括至少相邻两根线芯。
[0094]由于在实际应用中，为了能够使采集的图像更加清晰，易于辨识，通常会设置光源，将该光源发出的光经过准直透镜后进入光纤传导，使得所采集的图像上光纤纤芯为一个高亮光点，这样更利于后期图像的处理，进而使得根据图像处理计算出的结果更加精确，提高了本发明技术方案的测量精度。这里需要说明的是，所述光源可以是白光光源，也可以是LED光源，也可以是激光光源，只要是可以提高足够光强的光源均可，而光源光强是根据系统放大倍数、对图像分辨率的要求等条件进行设置。通常来说，图像分辨率要求越高，系统放大倍数越大，其光源需要的强度也越强。
[0095]在图像采集模块采集完图像之后，就需要用图像处理模块对所采集的图像进行处理。由前述内容可知，了能够获取整个光纤阵列测量端面的图像，通常会进行多次图像采集，从而得到多幅图像，因此图像处理模块会将采集的多幅图像按顺序进行拼接复原，并对其进行处理，根据所述模板计算纤芯位置。 [0096]请参考图10，对采集的图像进行处理的过程可以包括以下步骤:
[0097]步骤301，读取采集的光纤阵列端面图像，并进行平滑滤波预处理；
[0098]步骤302，提取定位光纤的成像区域，即感兴趣区域；
[0099]步骤303，采用二项式插值算法对该区域进行亚像素级的边缘提取并利用最小二乘拟合法定位圆心；
[0100]步骤304，根据图像采集模块的设置参数及所选用的显微放大模块的放大倍率计算出两个纤芯中心的实际距离。
[0101]由于上文所提到的平滑滤波预处理、提取定位光纤的成像区域、二项式插值算法以及最小二乘拟合法属于现有技术，则此处不再赘述。
[0102]由于在现有技术中，没有最后的拼接还原步骤，其获取到的只是单个纤芯相对于标准量的位置关系。而本发明提供的技术方案，可以通过对采集图像的拼接还原，获取到整个测量端面的组合图像，进而更为准确的获知测量端面上每个纤芯的位置关系，进一步的提高了该技术方案的测量精度。
[0103]同时，本发明提供的测量系统无需复杂的高精度宏微双驱动亚微米级的定位平台或者精密光栅，仅需通过图像拼接与模式识别提取出测量结果，即可实现光纤阵列高精度、自动化的精密测量，较现有的大型测量设备，具有设备紧凑、成本低廉的优点。
[0104]对于本发明的装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0105]以上对本发明提供的测量光纤阵列纤芯位置的方法及系统进行了详细说明。本发明提供的技术方案利用专门设计的标定模板对测量系统进行标定，再将测量模板覆盖整个光纤阵列的测量端面，然后采用精密微动工作台移动被测光纤阵列，同时连续拍摄经过显微放大的纤芯端面图像，利用专门设计的测量模板校正相邻两根光纤在移动过程中偏移扭转的角度，并作为连续拍摄的显微图像拼接的辅助参数。对拍摄的多幅显微图像进行拼接复原后，再对复原后的显微图像进行亚像素精度级的目标识别与信息提取，然后根据显微模块的设计参数计算纤芯位置。
[0106]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
【权利要求】
1.一种光纤阵列纤芯距精密测量方法，其特征在于，所述方法包括: 步骤A，利用预设的标定模板进行标定，从而获得误差； 步骤B，通过预设的测量模板，采集所述被测光纤阵列端面图像，所述测量模板与所述被测光纤阵列端面对应固定在可移动的工作台上，所述光纤阵列的光纤中有光源光线在传导，首次采集的图像包括至少两个纤芯，移动工作台后，再采集所述被测光纤阵列端面图像，再次采集的图像包括至少两个纤芯，且至少有一个纤芯为上一次所采集的图像中的纤芯之一，继续按同方向移动工作台，重复采集图像的过程，直至整个所述被测光纤阵列端面被采集完毕； 步骤C，根据所述测量模板，按照预设的算法，将采集的多幅图像按顺序进行拼接复原，并对其进行处理，得到处理后的图像，根据所述处理后的图像和所述误差，计算纤芯位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量模板包括图像编码信息，用于提供图像拼接的辅助特征，以及作为测量标准量；所述标定模板包括若干大小与相对位置已知的几何图形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像为经过显微放大的测量端面图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C还包括:将光纤阵列置于可移动工作台的特制夹具上。
5.根据权利要求1所 述的方法，其特征在于，所述步骤D还包括:在采集测量端面图像前，将光源通过光纤传导，使纤芯呈现高亮。
6.一种光纤阵列纤芯距精密测量系统，其特征在于，所述系统包括: 标定模板，用于标定系统中显微放大模块的误差； 测量模板，用于置于与被测光纤阵列端面相对应的位置上； 工作台，用于固定放置被测光纤阵列，并能带动被测光纤阵列进行移动； 图像采集模块，用于通过光源，采集叠加了测量模板的所述被测光纤阵列端面图像，首次采集的图像包括至少两个纤芯，在移动工作台后，再次采集所述被测光纤阵列端面图像，再次采集的图像包括至少两个纤芯，且至少有一个纤芯为上一次所采集的图像中的纤芯之一，在继续按同一方向移动工作台后，重复所述图像采集的过程，直至整个所述被测光纤阵列端面被采集完毕； 图像处理模块，用于根据所述测量模板，按照预设的算法，将采集的多幅图像按顺序进行拼接复原，并对其进行处理，计算纤芯位置。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述测量模板包括图像编码信息，用于提供图像拼接的辅助特征，以及作为测量标准量；所述标定模板包括若干大小与相对位置已知的几何图形。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述显微放大模块，用于放大测量端面，从而得到放大的测量端面图像；所述显微放大模块的放大倍率至少使采集的图像中包括两个纤芯。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括夹具，用于将光纤阵列置于可移动工作台上。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括光源，用于通过光纤传导，使纤芯呈现1?壳 。
【文档编号】G01B11/14GK104019757SQ201410230896
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】陈青山, 吕勇, 刘力双, 牛春辉, 李小英, 耿蕊, 李响, 王润兰, 薛媛 申请人:北京信息科技大学, 陈青山