【單模光纖幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)分析6000字】

單模光纖幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)分析1.1單模光纖幾何參數(shù)分析單模光纖由纖芯，包層和涂覆層三部分構(gòu)成，如圖1.1所示。其中纖芯位于單模光纖中心，用來傳輸光波。包層位于纖芯外層，將光波限制在纖芯中。纖芯和包層均采用高純度二氧化硅制成，其中纖芯折射率比包層折射率高。涂覆層位于單模光纖最外層，由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍等組成，主要是為了保護(hù)單模光纖表面不受潮濕氣體和外力擦傷，提高單模光纖的抗微彎性能。圖1.1單模光纖結(jié)構(gòu)示意圖幾何參數(shù)是單模光纖最基本的質(zhì)量參數(shù)，除了影響單模光纖中光的傳輸和機(jī)械性能外，還對(duì)單模光纖的連接損耗大小起著非常重要的作用。單模光纖的幾何參數(shù)包括芯直徑、包層直徑、芯不圓度、包層不圓度和芯包同心度等，其中各參數(shù)的定義如下[25]：芯直徑：纖芯中心圓的直徑，其表達(dá)式為：(1.1)包層直徑：包層中心圓的直徑，其表達(dá)式為(1.2)芯不圓度：確定纖芯容差區(qū)的兩個(gè)圓的直徑之差除以纖芯直徑所得的值，用百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：(1.3)包層不圓度：確定包層容差區(qū)的兩個(gè)圓的直徑之差除以纖芯直徑所得的值，用百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：(1.4)芯包同心度：芯層中心與包層中心的距離，其表達(dá)式為：(1.5)QUOTEδ=2(xclad根據(jù)光纖中光的傳輸模式不同，可將光纖分為單模光纖和多模光纖，兩種類型光纖的幾何參數(shù)指標(biāo)以及本文研究方法的重復(fù)性指標(biāo)如表1.1。表1.1單模光纖和多模光纖的幾何參數(shù)及本方法測(cè)試重復(fù)性指標(biāo)單模光纖多模光纖G652GI50GI61.5進(jìn)口設(shè)備測(cè)試重復(fù)性本文研究方法測(cè)試重復(fù)性芯直徑/μm——50±1.561.5±1.5————包層直徑/μm125±0.7125±1125±1≤0.05≤0.03芯不圓度/%[0,12][0,6][0,6]≤1.0≤0.8包層不圓度/%[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由于單模光纖與多模光纖的幾何參數(shù)以及光纖中的缺陷存在差異，因此在檢測(cè)算法上會(huì)有所不同，本文主要針對(duì)單模光纖幾何參數(shù)及缺陷進(jìn)行研究，下文中提到的光纖均是指單模光纖。1.2單模光纖幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)單模光纖的包層幾何參數(shù)通常在125μm左右，為了保證單模光纖幾何參數(shù)的檢測(cè)精度，需要先對(duì)單模光纖的端面圖像進(jìn)行放大，放大后的圖像經(jīng)相機(jī)捕捉后用于后續(xù)圖像分析和處理。經(jīng)圖像處理得到圖像的邊緣信息后，使用合適的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行擬合即可得到光纖的幾何參數(shù)。由于單模光纖的玻璃層有芯層和包層，因此本測(cè)量系統(tǒng)需要能夠同時(shí)獲得芯層和包層的圖像。基于上述分析，設(shè)計(jì)的單模光纖幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)如圖1.2所示。圖1.2玻璃層幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)1）光源在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，獲得一張?zhí)卣髅黠@的高質(zhì)量圖像是項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵。要保證圖像的清晰度，首先需要選擇合適的光源。光源選型主要考慮以下三要素：a)對(duì)比度。對(duì)比度高可以保證待檢測(cè)的被測(cè)物特征突出于其它背景，從而易于特征的區(qū)分。b)亮度。光源的亮度不夠會(huì)導(dǎo)致相機(jī)的信噪比不夠，減小系統(tǒng)的景深，同時(shí)自然光等隨機(jī)光也會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來較大的影響。c)魯棒性。魯棒性是指光源對(duì)被測(cè)物的影響大小，魯棒性好的光源其安裝方向不會(huì)影響被測(cè)物的成像質(zhì)量。光源的照明方式主要分為背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明，其中背向照明能夠明顯突出被測(cè)物體的邊緣細(xì)節(jié)，因此本系統(tǒng)中采用了背向照明方式照亮包層端面，如圖1.2中LED2，此光源采用圓形分布的LED組，可選擇波長(zhǎng)640～650nm的LED。LED1采用前向照明的方式，保證光滿注入光纖芯層，達(dá)到照亮芯層的目的，此系統(tǒng)中可采用波長(zhǎng)在830nm左右的單個(gè)LED。2）相機(jī)相機(jī)是機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)中另一個(gè)比較關(guān)鍵的部分，其作用是將捕捉的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，方便后續(xù)分析。目前市面上常用的工業(yè)相機(jī)主要是CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)，它們之間的主要差異在于傳送方式的不同。表1.2列出了兩種照明相機(jī)的差異性[26]。表1.2CCD相機(jī)與CMOS相機(jī)的差異性相機(jī)種類噪聲耗電量分辨率靈敏度成本CCD相機(jī)低高高高高CMOS相機(jī)高低低低低從上表可以看出，為保證更高的測(cè)量精度，選擇CCD相機(jī)更適合。考慮表1.1中光纖的測(cè)量指標(biāo)以及測(cè)量的精度要求，本文選擇分辨率為2448×2048，像素尺寸3.45μm

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3.45μm的CCD相機(jī)。綜上所述，本文選擇了大恒圖像工業(yè)相機(jī)MER-504-10GM/C-P，該相機(jī)的具體參數(shù)如下表1.3所示。表1.3大恒工業(yè)相機(jī)MER-504-10GM/C-P型號(hào)MER-504-10GM/C-P分辨率2448(H)×2048(V)幀率10fps傳感器2/3''CCD像素尺寸3.45μm

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3.45μm光譜黑白數(shù)據(jù)接口GigE鏡頭接口C接口3）鏡頭鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)成像起著關(guān)鍵性的作用，它會(huì)影響成像質(zhì)量的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，如分辨率、對(duì)比度和景深等，因此選擇合適的光學(xué)鏡頭是非常重要的。光學(xué)鏡頭的成像原理是折射聚焦法，其主要作用是將物體的像進(jìn)行放大，并被相機(jī)捕獲，方便用于后續(xù)分析，成像模型如圖1.3。圖1.3光學(xué)鏡頭成像模型根據(jù)上圖成像原理，可知鏡頭的放大倍數(shù)QUOTEβ=l'lβ=l'l。根據(jù)上一節(jié)CCD相機(jī)的選型，可知像尺寸l’為7.0mm，故鏡頭的放大倍數(shù)為56倍，同時(shí)考慮所選相機(jī)的傳感器尺寸，焦距，物距以及相機(jī)接口，本文選擇大恒光電GCO-2106顯微物鏡，其具體參數(shù)如表1.表1.4大恒光電GCO-2106顯微物鏡參數(shù)型號(hào)倍數(shù)數(shù)值孔徑(mm)工作距離(mm)焦距(mm)齊焦距離(mm)機(jī)械筒場(chǎng)(mm)GCO-2106600.850.1984.234451604）圖像采集卡圖像采集卡的作用是將圖像信號(hào)捕捉并保存到電腦上，是圖像采集和處理部分的接口，它直接決定了相機(jī)的接口。圖像采集卡須與所選相機(jī)配合使用，因此二者需要能夠兼容。5）機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元測(cè)量系統(tǒng)中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元主要是Stage2部分，此部分通過三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別在X，Y和Z方向上進(jìn)行控制，目的是將光纖端面調(diào)整到視場(chǎng)正中心，并將端面調(diào)整到光路的準(zhǔn)焦點(diǎn)位置，方便設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦與檢測(cè)。1.3光學(xué)對(duì)焦原理在使用上述系統(tǒng)進(jìn)行單模光纖幾何參數(shù)測(cè)量前，須先對(duì)光纖的端面進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦，保證成像清晰可見，本節(jié)主要研究基于本測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦方法。1.3.1光學(xué)成像原理對(duì)理想的薄透鏡而言，成像光路如圖1.4所示。圖1.4理想透鏡成像原理圖理想情況下，被測(cè)物表面上的每一個(gè)點(diǎn)經(jīng)過透鏡后對(duì)應(yīng)唯一的像點(diǎn)。當(dāng)被測(cè)物距透鏡的距離為l，像距l(xiāng)’，焦距f之間滿足（1.6）所示方程時(shí)，成像系統(tǒng)處于聚焦?fàn)顟B(tài)，此時(shí)像平面成像是清晰的。若成像面偏離了原聚焦平面，此時(shí)原物平面上的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像則是一個(gè)直徑為2R的模糊圓，光學(xué)系統(tǒng)處于“離焦”狀態(tài)，R越大，表示像離焦平面越遠(yuǎn)。

（1.6）QUOTE1l+1l’1.3.2光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深理想情況下，聚焦良好時(shí)物平面上的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)像平面上一個(gè)點(diǎn)，但由于光學(xué)系統(tǒng)存在各種誤差，物平面上的一個(gè)點(diǎn)所成的像并不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)小于像元尺寸的彌散斑，此時(shí)我們?nèi)哉J(rèn)為物平面成像聚焦?fàn)顟B(tài)良好，即成像清晰可見。保持相機(jī)的位置不變，移動(dòng)物平面的位置，當(dāng)物平面在一定范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，成像仍清晰可見，這個(gè)范圍稱為景深[27]。當(dāng)物體距成像單元足夠遠(yuǎn)仍能清晰成像，超過此距離卻無法清晰成像的平面稱為遠(yuǎn)景平面，當(dāng)物體距成像單元足夠近仍能清晰成像，小于此距離卻無法清晰成像的平面稱為近景平面。當(dāng)物體位置不變時(shí)，移動(dòng)像的位置，成像清晰可見的范圍稱為焦深[28]。在工程應(yīng)用中，通過計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的焦深和景深，可以為對(duì)焦的步長(zhǎng)尋找提供參考[29]。1.4自動(dòng)對(duì)焦方法自動(dòng)對(duì)焦是指利用某種技術(shù)手段進(jìn)行物體成像清晰度的檢測(cè)，并自動(dòng)調(diào)整物平面或鏡頭直至成像清晰可見。自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)成像系統(tǒng)。從對(duì)焦工作原理劃分，自動(dòng)對(duì)焦可分為基于距離測(cè)量的測(cè)距自動(dòng)對(duì)焦和基于成像清晰度的聚焦檢查自動(dòng)對(duì)焦[30]。測(cè)距自動(dòng)對(duì)焦包括紅外線測(cè)距法和超聲波測(cè)距法，利用相機(jī)上的紅外線發(fā)生器或超聲波發(fā)生器發(fā)出紅外光或超聲波到被攝體，接受器根據(jù)反射回來的紅外光或超聲波來計(jì)算確定對(duì)焦距離，從而進(jìn)行對(duì)焦。聚焦檢查自動(dòng)對(duì)焦包括對(duì)比度法和相位法。對(duì)比度法是通過檢測(cè)圖像邊緣的清晰度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。圖像邊緣越清晰，邊緣處景物和背景之間的對(duì)比度則越大，聚焦就越好。反之，邊緣處景物和背景之間的對(duì)比度就越小，我們稱之為“失焦”。失焦越遠(yuǎn)，對(duì)比度越低。相位法是指通過尋找像差最小的點(diǎn)來進(jìn)行對(duì)焦，其工作原理是在感光元件上預(yù)留一些遮蔽像素點(diǎn)專門用來檢測(cè)相位，通過不同像素的距離變化來尋找對(duì)焦的方向和步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焦。由于以上兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中各有局限，人們便對(duì)第二種方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于圖像處理的自動(dòng)對(duì)焦方法。該方法通過圖像的梯度信息或頻譜信息判斷圖像的清晰度，從而判定對(duì)焦情況，主要包括對(duì)焦深度法和離焦深度法。對(duì)焦深度法是一種基于搜索的調(diào)焦法[31]。此方法是指在對(duì)焦過程中采集數(shù)幅不同清晰度的圖像，并建立合適的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，根據(jù)對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)移動(dòng)鏡頭，直到鏡頭移動(dòng)到最佳對(duì)焦位置，即完成了對(duì)焦，其中對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)是此方法中的一個(gè)關(guān)鍵因素。圖1.5是一種基于對(duì)焦深度法的對(duì)焦系統(tǒng)，此系統(tǒng)工作原理為：被測(cè)物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后的圖像信息被相機(jī)單元捕獲，并被傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像分析和處理，以確定目標(biāo)物是否處于最佳對(duì)焦位置，若圖像清晰可見，保存并輸出圖像信息，若圖像不清晰，則驅(qū)動(dòng)光學(xué)單元移動(dòng)到下一位置，重新進(jìn)行圖像信息的采集和分析，如此往復(fù)直至尋找到最佳對(duì)焦位置。這種對(duì)焦方法可使用1.2節(jié)設(shè)計(jì)的單模光纖幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)焦，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)焦，且對(duì)焦精度高。圖1.5基于對(duì)焦深度法的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)示意圖離焦深度法是指利用從離焦圖像中獲取的目標(biāo)深度信息驅(qū)動(dòng)鏡頭或成像面移動(dòng)到聚焦位置完成自動(dòng)對(duì)焦[32]。此方法要求根據(jù)成像系統(tǒng)建立合適的數(shù)學(xué)模型，并能校準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)。離焦深度法包括基于圖像恢復(fù)的方法和基于離焦量估計(jì)的方法。前一種方法根據(jù)圖像的某些特征信息近似估算成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，利用圖像退化模型，對(duì)模糊圖像進(jìn)行恢復(fù)還原。后一種方法需要先采集2～3幅不同參數(shù)條件下拍攝的圖像，這些圖像的模糊程度需存在差異，然后通過對(duì)圖像的局部區(qū)域進(jìn)行分析和處理確定其彌散斑尺寸，并根據(jù)彌散斑大小完成自動(dòng)對(duì)焦。總的來說，離焦法所需圖像數(shù)量較少，大大減少了驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)的次數(shù)和時(shí)間，對(duì)焦速度較快[33]，但對(duì)焦精度較對(duì)焦深度法低。基于以上分析可知，對(duì)焦深度法在自動(dòng)對(duì)焦過程中具有穩(wěn)定性好、對(duì)焦精度高和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種使用價(jià)值較高的自動(dòng)對(duì)焦方法，因此本文采用對(duì)焦深度法進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦。1.5對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)使用對(duì)焦深度法進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦，最關(guān)鍵在于確定系統(tǒng)的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)對(duì)焦的精度和速度起著決定性作用。理想的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具備單峰性、無偏性、對(duì)噪聲敏感度低、計(jì)算量小以及實(shí)時(shí)等特點(diǎn)[34]。常用的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)包括空域函數(shù)，頻域函數(shù)和信息熵函數(shù)[35]。空域函數(shù)基于圖像的灰度值變化來判斷圖像清晰度，頻域函數(shù)基于圖像的高頻和低頻信息來判斷圖像清晰度，信息熵函數(shù)基于清晰度不同的圖像擁有不同的信息熵來判斷圖像清晰度。1.5.1空域函數(shù)常用的空域函數(shù)包括梯度平方函數(shù)，灰度差分函數(shù)，Brenner函數(shù)，Roberts函數(shù)，Tenengrad函數(shù)和Laplace函數(shù)[36-38]。梯度平方函數(shù)利用圖像相鄰點(diǎn)灰度差的平方和做為對(duì)焦函數(shù)評(píng)價(jià)值，其表達(dá)式為：（2-7）灰度差分函數(shù)利用相鄰像素點(diǎn)的灰度差做為對(duì)焦函數(shù)評(píng)價(jià)值，其表達(dá)式為：

（2-8）Brenner函數(shù)使用相差兩個(gè)單位像素灰度差的平方和做為評(píng)價(jià)值，其表達(dá)式為：（2-9）Roberts函數(shù)使用相鄰像素點(diǎn)交叉相減，平方求和做為評(píng)價(jià)值的，其表達(dá)式為：（2-10）Tenengrad函數(shù)使用Sobel算子來計(jì)算函數(shù)的對(duì)焦評(píng)價(jià)值，其表達(dá)式為：（2-11）Laplace函數(shù)利用Laplace算子計(jì)算圖像的二階微分，將微分求和做為評(píng)價(jià)值，其表達(dá)式為：

（2-12）1.5.2頻域函數(shù)頻域函數(shù)法以傅里葉變換為基礎(chǔ)。在頻域中，圖像的邊緣和輪廓反映的是圖像的高頻信息，清晰度越高的圖像擁有越多的高頻分量，離焦圖像在頻域上則體現(xiàn)為高頻分量的衰減，因此頻域函數(shù)主要是基于圖像中的高頻信息進(jìn)行判斷。常用的頻域?qū)乖u(píng)價(jià)函數(shù)包括閾值積分函數(shù)法、小波變換法和高頻分量法[39]。頻域評(píng)價(jià)函數(shù)由于需要對(duì)圖像進(jìn)行二維傅里葉變換，計(jì)算量大且復(fù)雜，執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)，因此并不適用有實(shí)時(shí)性要求的在線對(duì)焦。1.5.3信息熵函數(shù)信息熵函數(shù)基于圖像中像素灰度值的分布特征，使用熵表示圖像的信息量[40]。假設(shè)圖像各處灰度是獨(dú)立的，在不考慮像素的幾何位置時(shí)，圖像信息熵可用下式表達(dá)：（2-13）式中Pi為某像素灰度值表征信息出現(xiàn)的概率，b可取2bit。信息熵函數(shù)法容易受圖像灰度分級(jí)的影響，因此對(duì)本文所要研究的對(duì)焦系統(tǒng)并不適用。從以上分析可知，頻域函數(shù)和信息熵函數(shù)并不適用于本系統(tǒng)，空域函數(shù)由于計(jì)算簡(jiǎn)單，使用效率高，抗噪能力強(qiáng)，能夠用于本系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦。空域函數(shù)種類較多，各函數(shù)具有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，其中Tenengrad函數(shù)使用Sobel算子能同時(shí)提取水平和垂直方向的梯度值，對(duì)焦精度高，能夠很好的適用于本系統(tǒng)。1.6自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.6.1自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)一般都是驅(qū)動(dòng)光學(xué)單元進(jìn)行對(duì)焦，但對(duì)于需頻繁對(duì)焦的測(cè)量對(duì)象，不僅效率低，而且長(zhǎng)期頻繁移動(dòng)光學(xué)單元容易使光路同軸度出現(xiàn)偏差，因此對(duì)于某些系統(tǒng)而言，驅(qū)動(dòng)光學(xué)單元進(jìn)行對(duì)焦并不是最佳選擇。本文所測(cè)量的單模光纖幾何參數(shù)在工廠的檢測(cè)是連續(xù)進(jìn)行的，考慮到上述影響，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行對(duì)焦，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的對(duì)焦系統(tǒng)框架圖如圖1.6所示。系統(tǒng)工作流程為：?jiǎn)文９饫w被光纖夾夾持放入移動(dòng)平臺(tái)，光纖端面經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，成像后的圖像被CCD相機(jī)捕獲，并被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理單元會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行處理并使用對(duì)焦函數(shù)對(duì)每幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，若圖像不清晰，則依據(jù)搜索方法驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)朝圖像清晰的方向移動(dòng)，如此反復(fù)，直至找到圖像清晰的位置，即完成對(duì)焦。圖1.6自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)框架圖1.6.2對(duì)焦搜索方法自動(dòng)對(duì)焦的目的是找到對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的最大值，然后移動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元完成對(duì)焦，其實(shí)質(zhì)上是對(duì)一維函數(shù)求解極值。在此算法中，對(duì)焦搜索的精度會(huì)對(duì)算法有較大的影響，因此選擇合理的對(duì)焦搜索方法是非常重要的。目前較常用的搜索算法有函數(shù)逼近法，F(xiàn)ibonacci搜索法和爬山搜索法[41]。函數(shù)逼近法是選取合適的擬合函