基于NI Vision 的保偏光纤几何参数测量技术研究

赵耀，韩正英，尚福洲

（中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛，266555）

0 引言

保偏光纤由于其独特的几何纤芯结构，能够保持线偏振光的稳定传输，目前已经广泛应用于光纤通信和传感领域，特别是在光纤陀螺领域[1,2]。光纤陀螺作为一种全固态结构的惯性传感器，具有无运动部件、启动快、动态范围大、体积小、抗冲击等优点，已广泛应用于惯性导航和姿态控制等领域。保偏光纤环作为光纤陀螺的核心部件，保偏光纤的性能指标对光纤陀螺的精度起着决定性的影响。在光纤陀螺小型化和高精度的应用需求推动下，细径保偏光纤的研制技术不断成熟，经历了从最初的包层直径125μm、涂覆层直径250μm，到包层直径80μm、涂覆层直径135μm，再到目前的包层直径60μm、涂覆层直径115μm 的逐步减小的过程[3,4]。采用细径保偏光纤在同样的体积下可以绕制长度更长的光纤环，而在同样的绕制长度下则可以减小保偏光纤环的尺寸，这些都有助于提高光纤陀螺的精度和实现光纤陀螺的小型化。

在细径保偏光纤的研制和应用过程中，其几何参数的精确测量对于保偏光纤的拉制、光纤环圈的绕制以及保偏光纤器件之间的对轴熔接都具有十分重要的意义。而现有的光纤几何参数测试仪大都是针对常规的单模或多模光纤设计研制的，目前有部分升级型号的产品能够进行保偏光纤几何参数的测试，但也只是针对包层直径为125μm 和80μm 的保偏光纤而优化设计的，无法满足包层直径为60μm 的细径保偏光纤的测试需求。为此，本文在现有的灰度成像测量方法的基础上，提出采用环形光源斜射照明的暗场成像技术，并结合NIVision 视觉工具包提供的图像处理算法，仅需对被测保偏光纤的一个端面进行处理和测量，即可得到被测光纤的各项几何参数，实现了细径保偏光纤几何参数的实时快速测量。

1 硬件组成及工作原理

本文采用环形LED 光源斜射照明进行暗场成像的方法来测量保偏光纤的几何参数，硬件系统结构主要由五维调节架、光纤夹具、环形LED 光源、显微系统、CCD 相机和数据采集处理系统等组成，如图1 所示。其中，被测保偏光纤固定放置在光纤夹具上，五维调节架用于对光纤夹具在X、Y、Z 方向上的位置和俯仰角度进行调节。环形LED 光源采用斜射照明的方式，通过调节LED 灯珠的照射角度以及环形LED 光源与显微系统之间的相对位置，使得环形LED 光源发出的光不直接进入显微系统。同时，环形LED 光源还设有光强控制旋钮，可根据实际的测试情况对照明亮度进行调节。显微系统采用可变焦镜头设计，放大倍数可以在一定范围内进行调节，能够满足不同直径保偏光纤的测试需求。数据采集处理系统用于对CCD 相机所成的保偏光纤的端面图像进行分析和处理。

图1 保偏光纤几何参数测量系统硬件组成

保偏光纤几何参数测量系统的具体工作原理如下：将被测保偏光纤一个端面的涂覆层剥除，使用酒精棉对光纤表面进行清洁后，通过光纤切割刀对保偏光纤的端面进行切割处理，然后装入光纤夹具夹紧固定，并放置在五维调节架上。打开环形LED 光源，环形LED 光源发出的光经过被测保偏光纤的散射后进入显微系统，在CCD 相机上形成被测保偏光纤的端面图像。调节环形LED 光源的光强控制旋钮，使得被测保偏光纤的端面图像具有较高的对比度。同时，调节五维调节架上与水平面垂直的X、Y 方向旋钮以及俯仰旋钮，使得被测保偏光纤的端面图像位于CCD 相机视野的中央。调节五维调节架上与水平面平行的Z 方向旋钮，使得被测保偏光纤的端面位于显微系统的焦平面上，此时CCD 相机将采集到被测保偏光纤包层及其内部结构的图像，继续微调Z 方向旋钮，使得光纤端面所成图像的清晰度最高。数据采集处理系统采集CCD相机所成的被测保偏光纤的端面图像，经过一系列图像处理操作后，计算得到被测保偏光纤的各项几何参数值。

本文所述的测量系统由于采用环形LED 光源斜射照明，被测保偏光纤的端面是通过散射光在CCD 相机上成像，属于暗场成像，相比现有的光纤几何参数测试仪采用的透射光明场成像技术，光纤端面图像的对比度更高。而且测量所需的保偏光纤的长度较短，只对光纤的一个端面进行处理和测量，即可得到被测保偏光纤的各项几何参数。另外，由于测量系统光路采用了共光轴设计，整体结构十分紧凑，操作测试过程简单高效。

2 图像处理分析

目前，NI 公司的视觉开发模块已经广泛应用于机器视觉及图像处理领域，IMAQ Vision 便是一款用于图像处理的视觉工具包，该工具包中封装了大量的图像处理函数，包括图像的采集、保存、处理以及分析等，为图像处理提供了完善的开发功能，使用该工具包可以快速准确地完成保偏光纤几何参数的测量。

通过CCD 相机采集到的被测保偏光纤的端面图像如图2 所示，由于本文采用的是暗场成像技术，可以看到光纤端面所成图像的对比度很高，这大大简化了后续的图像处理工作。对于保偏光纤几何参数的测量来说，需要测量和计算的参数包括包层、应力区和纤芯的直径及其不圆度，以及纤芯-包层同心度。因此，图像处理的第一步就是要把保偏光纤的包层、应力区和纤芯的图像从背景图像中各自分离出来。

图2 保偏光纤端面图像及其灰度直方图

图像的灰度直方图是最基本的图像分析工具，它以图表的方式显示了图像中每个灰度级与其所对应的像素数量的关系，图表的横坐标为灰度级，纵坐标为各个灰度级在图像中出现的概率。由于物体和背景以及不同物体之间的灰度级通常有明显的差别，因此不同目标的灰度值将在直方图中聚集成山峰的形状。当图像的灰度直方图峰值可以明显区分时，只要以谷底附近的灰度值作为阈值，就可以完成对图像的分割。由保偏光纤端面图像对应的灰度直方图可以看出，图像具有3 个明显不同的灰度峰值，因此可以直接利用相应的灰度阈值来完成保偏光纤包层、应力区和纤芯图像的分割。

通过在IMAQ Vision 工具包提供的阈值分割函数（Threshold）中设置不同的灰度阈值，被测保偏光纤的包层、两个应力区和纤芯所对应的图像均可以完整干净地从背景图像中分离出来，如图3 所示。在完成图像阈值分割的基础上，对分割后的图像分别进行边缘提取和曲线拟合，计算出包层、两个应力区和纤芯所对应的拟合圆的圆心坐标、直径和不圆度，从而得到被测保偏光纤的各项几何参数值，这是目前常用的保偏光纤几何参数的测试分析流程，在IMAQ Vision 工具包中均有对应的函数可以直接使用。但与此同时，该工具包还提供了更为强大的粒子分析（Particle Analysis）函数，它可以直接对阈值分割后的图像进行分析与测量，从而能够更加快速地计算得到被测保偏光纤的各项几何参数值。

图3 阈值分割后的保偏光纤端面图像

粒子是图像上相互连通的一组非0 或灰度值较高的像素所构成的区域，粒子通过测量相关的属性（如位置、面积、形状等）来表示其特征。粒子分析函数可以对图像中的粒子形状进行分析和测量，得到粒子的坐标、长度和面积等一系列相关的信息。具体对于保偏光纤几何参数的测量来说，主要涉及粒子分析函数的以下三个参数：Center of Mass、Waddel Disk Diameter 和Heywood Circularity Factor，分别用于计算粒子对应的圆心坐标、直径和不圆度，而在得到粒子圆心坐标的基础上，可以进一步计算粒子之间同心度的大小。因此，通过对粒子分析函数的这三个参数进行设置，就可以完整地计算得到被测保偏光纤的各项几何参数值。相比现有的保偏光纤端面图像分析处理流程，粒子分析由于无需进行复杂的边缘提取和曲线拟合运算，图像处理的计算量大幅减小，实现了保偏光纤几何参数的实时快速测量。但这些测量值是以图像的像素坐标表示的，还需要使用分辨率板对测量系统进行标定和校准，建立起像素坐标与现实世界坐标之间的映射关系，从而转换成真实的物理测量值。

3 测量结果分析

采用本文所述的硬件测量系统和图像处理分析方法对包层直径为60μm 的熊猫型保偏光纤进行了实验测量，结果如表1 所示。

表1 保偏光纤几何参数测量结果

应力区1直径/μm 17.07 17.05 17.1 17.03 17.06 17.08 17.07 0.024应力区1不圆度/% 0.73 0.82 0.77 0.75 0.71 0.74 0.75 0.038应力区2直径/μm 17.16 17.12 17.13 17.17 17.15 17.18 17.15 0.023应力区2不圆度/% 0.81 0.74 0.78 0.74 0.82 0.78 0.78 0.034芯包同心度/μm 0.23 0.21 0.24 0.19 0.23 0.25 0.23 0.022

通过以上实验测量数据可知，本文所述的测量技术能够实现包层直径为60μm 的保偏光纤的各项几何参数的测量，且多次测量结果的重复性较好。

4 结论

本文采用环形LED 光源斜射照明的暗场成像技术，实现了保偏光纤端面的高对比度成像，在进行图像阈值分割的基础上，结合NI Vision 视觉工具包提供的图像粒子分析处理算法，实现了保偏光纤各项几何参数的实时快速测量，且实验测量结果的重复性较好，能够很好地满足细径保偏光纤在研制生产和应用过程中的测量需求。