基于数字全息显微术的光纤连接器端面形貌检测技术*

沈亚强, 万 旭, 彭保进, 金洪震

(1.浙江师范大学 职业技术学院,浙江 金华 321004;2.浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

基于数字全息显微术的光纤连接器端面形貌检测技术*

沈亚强1, 万 旭1, 彭保进2, 金洪震2

(1.浙江师范大学 职业技术学院,浙江 金华 321004;2.浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

根据光纤连接器端面检测的要求，设计了运用数字全息显微术测量光纤连接器端面检测的光学系统和相应的再现方法.实验表明:该方法获得的结果清晰，可对光纤连接器端面的几何参数(如端面半径、球面顶点偏芯度和纤芯高度等)进行检测，同时可以重构端面的三维形貌.

光纤连接器;端面检测;图像处理;数字全息显微术;三维形貌

0 引 言

光纤连接器端面面型的几何参数，如纤芯中心坐标、球面顶点偏移、表面凹凸不平、纤芯的高度、端面倾斜角等，是影响光纤连接器性能的主要因素[1-5].传统的测量光纤连接器端面的方法是显微成像法，但这种方法测量精度不高[1].干涉法测量比显微成像法测量的精度要高.在干涉法检测中，牛顿环干涉法检测是通常被采用的方法.牛顿环干涉法检测系统结构简单，使用方便，但它是一种接触性测量,容易造成结构元件的损伤，以及被测件表面的损伤和污染.由于成品的光纤连接器光纤端面是采用FC/PC(或SC/PC、ST/PC)封装的，这也给光纤端面直接测量带来困难.因此，光纤连接器光纤端面形貌的测量，更好的检测技术手段要求采用非接触法测量.

数字全息术具有非破坏性、非侵入性、非接触性和全场性等优点[2]，已广泛应用于形变测量、形貌分析、显微成像、信息加密等技术领域[3-7].利用CCD 记录全息图，通过计算机数值重建全息像，可以得到物体的振幅和相位信息，并实现三维物场重构，将数字图像处理技术引入数字全息图的处理过程，可以消除像差、噪声等的影响，改善全息再现像的质量[8].

基于数字全息显微术的光纤连接器光纤端面检测系统综合了全息技术和数字技术的优点，因此，这种方法可以精确地分析光纤端面的三维形貌和端面几何信息，是一种理想的光纤端面测量手段和方法.

1 系统结构组成

图1 是笔者设计的光纤端面检测系统.激光束经分束镜BS1后变成2束：激光束1经分束镜BS2反射照明光纤端头，光纤端头散射光再经分束镜BS2分成2束，一束反射后被透镜组L2放大成像，由CCD1接收;另一束经透镜组L1成像于分束棱镜BS3的p1表面.激光束2经压电陶瓷微振镜M1反射，经L3扩束,扩束的聚焦点处于分束镜BS3的p2表面,经过BS3的透射光——物光和反射参考光在棱镜BS3左侧干涉，形成同轴无透镜傅里叶变换全息图，由CCD2记录.

图1 系统结构示意图

典型的光纤连接器纤芯的芯径为9 μm，包层直径为125 μm.光纤连接器的端面一般被研磨成球面形，在研磨过程中可能会造成缺陷，如光纤表面的划痕、球面顶点偏移、表面凹凸不平、纤芯的高低等等.在作光纤端面检测时，重点关注纤芯的表面形貌和纤芯在同心圆中的位置.测量时为了能同时得到纤芯表面的三维形貌和纤芯在包层位置的二维截面图，系统用了2组CCD作为图像的采集，如CCD1作为光纤端面二维截面图接收，CCD2作为纤芯表面的三维形貌全息图采集.这也是系统设计的独特之处，这样设计的目的是提高纤芯表面的三维形貌测量的精度.当系统采用放大率为10×的物镜时，则有效成像区域的大小为125 μm×10=1.25 mm，如果选用光敏面尺寸为4.8 mm×3.6 mm的CCD(640像素×480 像素)，则CCD单像素所对应到物空间的尺度为0.75 μm×0.75 μm(当然实际用于系统的是GCI-070103 CMOS数字CCD像素单元尺寸3.2 μm×3.2 μm，总像素为2 048×1 536).为了获得足够高精度的纤芯区域的表面形貌图，可以选择成像的区域，充分利用CCD光敏面积和足够多的像素来采集纤芯区域的表面形貌图，同时也可以适当加大物镜的放大倍数，这当然要以扩大系统的空间为代价.

图2 记录与再现坐标示意图

2 光场记录与再现计算

根据图1的光路建立记录与再现坐标的示意图如图2所示.(x,y)是物平面(光纤端面)，(xi,yi)是p1面上的像平面，(ξ,η)是全息面(CCD).

设p1面上像场的复振幅分布为

式(1)中:uimage(x,y)是像的振幅分布;φ(xi,yi)是像的位相分布.在满足菲涅耳衍射条件下，在CCD接收面(ξ,η)上物光分布为

参考光在CCD面上的分布为

先将式(2)和式(3)所表示的光强分布利用CCD记录下来.干涉后，CCD接收到干涉条纹强度分布为

通过控制压电陶瓷微振镜，改变参考光的相位，使参考光的相位改变π/2，相应的CCD面上全息图的强度分布为

式(4)和式(5)中的|O|2和|R|2分别是物光和参考光单独照明CCD时的强度分布，令

式(4),式(5)分别减式(6)得

(8)

将式(7)乘以虚数i，然后与式(8)相加,得

将式(2)的共轭和式(3)代入式(9),可以得

当参考光是球面波的时候，在菲涅耳近似下Ar(ζ,η)可以认为是常数，如果对式(10)进行傅里叶逆变换，就可以得到再现像的复振幅

显然，式(11)除了常数和二次位相权重外，已经获得了显微物镜像面上的物光分布的重构，这正是被称作无透镜傅里叶变换全息图的本质.

3 图像重构

以上再现计算过程采用了二步相移法.要对全息图进行重构，应分别记录参考光和物光的强度分布，再利用全息数字相减技术得到CCD平面的物光复振幅分布.利用计算机数字技术对CCD平面的物光复振幅分布再次进行菲涅耳衍射，传播z0距离后到达像平面，实现像的重现,最后得到的再现像为

根据二步相移法的分析过程可以得到如图3所示的二步相移法重构图像的流程图.图3中物光强度分布(|O|2)是用图1中CCD1记录的；相移前后2次的全息图(I1,I2)是用CCD2记录的；而重构时用的参考光|R(ζ,η)|2是用计算机模拟的球面波.

图3 二步相移数字全息图像重构流程图

在图1的检测系统中，光纤端面结构畸变会引起式(12)的相位变化，假设光纤端面相对变化为h(xi,yi)，可以证明

其中φ(xi,yi)的表达式为

4 实验结果

利用图1所示的光路，光源为0.6 328 μm的LD激光器，通过计算机对9 μm芯径光纤的FC连接器进行了多次检测，所得典型结果如图4 所示.图4(a)为拍摄的全息图(未处理);图4(b)为对应的物光光强分布图.利用图4(a)可以检测出连接器纤芯和包层的椭圆度、同心度.根据干涉条纹也可以判断光纤表面是否有暇痕.

(a)CCD拍摄的全息图 (b)物光光强分布图

图4 CCD拍摄的全息图与对应的物光光强分布图

图5为利用二步相移法重构的三维形貌图,利用该图数据可得到光纤端面几何参数，如端面抛光的高度、曲率等参数.图6是系统对光纤连接器端面几何参数的检测报告.

图5 根据全息图运用二步相移法重构的三维形貌图

5 结 论

设计了一个基于数字全息显微术的非接触式光纤连接器端面检测系统.由光源、显微透镜组、CCD和PC 机等组成的硬件系统采集图像并传入计算机, 其中LD光源保证了足够的对比度, 且连续稳定; 用二步相移法对全息图进行重构，使系统具有较强的抗干扰能力.系统得到的光纤连接器端面的二维截面图和三维形貌全息图，不仅可以检测出连接器纤芯和包层的椭圆度、同心度等参数，也能重构出端面纤芯区域表面的三维形貌图，监测到纤芯表面形貌和纤芯高度.

图6 光纤连接器端面几何参数的系统检测报告

[1]Filipenko A I.End face nonperpendicularity analysis in fiber connectors[J].IEEE,2001,224:53-55.

[2]Schnars U,Juptner W P O.Digital recording and numerical reconstruction of holograms[J].Meas Sci Technol,2002,13(9):R85-R101.

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[5]Cuche E,Marquet P,Depeursinge C.Simultaneous amplitude-contrast and quantitative phase-contrast microscopy by numerical reconst ruction of Fresnel off-axis holograms[J].Appl Opt,1999,38(34):6994-7001.

[6]Ferraro P,Nicola S D,Finizio A,et al.Compensation of the inherent wave front curvature in digital holographic coherent microscopy for quantitative phase-contrast imaging[J].Appl Opt,2003,42(11):1938-1946.

[7]Miccio L,Alfieri D,Grilli S,et al.Direct full compensation of the aberrations in quantitative phase microscopy of thin objects by a single digital hologram[J].Appl Phys Lett,2007,90(4):041104.

[8]LÜ Qieni,Ge Baozhen,Zhang Yimo.Digital microscopic image plane holography[J].J Optoelectro Laser,2006,17(4):475-478.

(责任编辑 杜利民)

Thetechnologyforinspectingtheendfaceoffiberconnectorbasedondigitalmicro-holography

SHEN Yaqiang1, WAN Xu1, PENG Baojin2, JIN Hongzhen2

(1.CollegeofVocationalandTechnical,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China; 2.CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

In order to meet the requirement of inspecting the fiber connector end face, a new detection system based on digital holographic microscopy was designed and the method to reconstruct the three-dimensional image of the end face was proposed. The experimental results showed that the technology could inspect the concentricity of fiber connector end face, the ellipticity of fiber core and the cladding and other parameters. Meanwhile the three-dimensional shape of the fiber connector end face could be reconstructed.

fiber connector; inspecting the end face; digital micro-holography; image processing； three-dimensional shape

1001-5051(2010)01-0050-06

2009-11-23

浙江省科技厅科研项目(2007C31015)

沈亚强(1959-)，男，浙江武义人,教授.研究方向:光电技术.

O438.1

A