基于NI Vision 的保偏光纖幾何參數測量技術研究

趙耀，韓正英，尚福洲

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島，266555）

0 引言

保偏光纖由于其獨特的幾何纖芯結構，能夠保持線偏振光的穩定傳輸，目前已經廣泛應用于光纖通信和傳感領域，特別是在光纖陀螺領域[1,2]。光纖陀螺作為一種全固態結構的慣性傳感器，具有無運動部件、啟動快、動態范圍大、體積小、抗沖擊等優點，已廣泛應用于慣性導航和姿態控制等領域。保偏光纖環作為光纖陀螺的核心部件，保偏光纖的性能指標對光纖陀螺的精度起著決定性的影響。在光纖陀螺小型化和高精度的應用需求推動下，細徑保偏光纖的研制技術不斷成熟，經歷了從最初的包層直徑125μm、涂覆層直徑250μm，到包層直徑80μm、涂覆層直徑135μm，再到目前的包層直徑60μm、涂覆層直徑115μm 的逐步減小的過程[3,4]。采用細徑保偏光纖在同樣的體積下可以繞制長度更長的光纖環，而在同樣的繞制長度下則可以減小保偏光纖環的尺寸，這些都有助于提高光纖陀螺的精度和實現光纖陀螺的小型化。

在細徑保偏光纖的研制和應用過程中，其幾何參數的精確測量對于保偏光纖的拉制、光纖環圈的繞制以及保偏光纖器件之間的對軸熔接都具有十分重要的意義。而現有的光纖幾何參數測試儀大都是針對常規的單模或多模光纖設計研制的，目前有部分升級型號的產品能夠進行保偏光纖幾何參數的測試，但也只是針對包層直徑為125μm 和80μm 的保偏光纖而優化設計的，無法滿足包層直徑為60μm 的細徑保偏光纖的測試需求。為此，本文在現有的灰度成像測量方法的基礎上，提出采用環形光源斜射照明的暗場成像技術，并結合NIVision 視覺工具包提供的圖像處理算法，僅需對被測保偏光纖的一個端面進行處理和測量，即可得到被測光纖的各項幾何參數，實現了細徑保偏光纖幾何參數的實時快速測量。

1 硬件組成及工作原理

本文采用環形LED 光源斜射照明進行暗場成像的方法來測量保偏光纖的幾何參數，硬件系統結構主要由五維調節架、光纖夾具、環形LED 光源、顯微系統、CCD 相機和數據采集處理系統等組成，如圖1 所示。其中，被測保偏光纖固定放置在光纖夾具上，五維調節架用于對光纖夾具在X、Y、Z 方向上的位置和俯仰角度進行調節。環形LED 光源采用斜射照明的方式，通過調節LED 燈珠的照射角度以及環形LED 光源與顯微系統之間的相對位置，使得環形LED 光源發出的光不直接進入顯微系統。同時，環形LED 光源還設有光強控制旋鈕，可根據實際的測試情況對照明亮度進行調節。顯微系統采用可變焦鏡頭設計，放大倍數可以在一定范圍內進行調節，能夠滿足不同直徑保偏光纖的測試需求。數據采集處理系統用于對CCD 相機所成的保偏光纖的端面圖像進行分析和處理。

圖1 保偏光纖幾何參數測量系統硬件組成

保偏光纖幾何參數測量系統的具體工作原理如下：將被測保偏光纖一個端面的涂覆層剝除，使用酒精棉對光纖表面進行清潔后，通過光纖切割刀對保偏光纖的端面進行切割處理，然后裝入光纖夾具夾緊固定，并放置在五維調節架上。打開環形LED 光源，環形LED 光源發出的光經過被測保偏光纖的散射后進入顯微系統，在CCD 相機上形成被測保偏光纖的端面圖像。調節環形LED 光源的光強控制旋鈕，使得被測保偏光纖的端面圖像具有較高的對比度。同時，調節五維調節架上與水平面垂直的X、Y 方向旋鈕以及俯仰旋鈕，使得被測保偏光纖的端面圖像位于CCD 相機視野的中央。調節五維調節架上與水平面平行的Z 方向旋鈕，使得被測保偏光纖的端面位于顯微系統的焦平面上，此時CCD 相機將采集到被測保偏光纖包層及其內部結構的圖像，繼續微調Z 方向旋鈕，使得光纖端面所成圖像的清晰度最高。數據采集處理系統采集CCD相機所成的被測保偏光纖的端面圖像，經過一系列圖像處理操作后，計算得到被測保偏光纖的各項幾何參數值。

本文所述的測量系統由于采用環形LED 光源斜射照明，被測保偏光纖的端面是通過散射光在CCD 相機上成像，屬于暗場成像，相比現有的光纖幾何參數測試儀采用的透射光明場成像技術，光纖端面圖像的對比度更高。而且測量所需的保偏光纖的長度較短，只對光纖的一個端面進行處理和測量，即可得到被測保偏光纖的各項幾何參數。另外，由于測量系統光路采用了共光軸設計，整體結構十分緊湊，操作測試過程簡單高效。

2 圖像處理分析

目前，NI 公司的視覺開發模塊已經廣泛應用于機器視覺及圖像處理領域，IMAQ Vision 便是一款用于圖像處理的視覺工具包，該工具包中封裝了大量的圖像處理函數，包括圖像的采集、保存、處理以及分析等，為圖像處理提供了完善的開發功能，使用該工具包可以快速準確地完成保偏光纖幾何參數的測量。

通過CCD 相機采集到的被測保偏光纖的端面圖像如圖2 所示，由于本文采用的是暗場成像技術，可以看到光纖端面所成圖像的對比度很高，這大大簡化了后續的圖像處理工作。對于保偏光纖幾何參數的測量來說，需要測量和計算的參數包括包層、應力區和纖芯的直徑及其不圓度，以及纖芯-包層同心度。因此，圖像處理的第一步就是要把保偏光纖的包層、應力區和纖芯的圖像從背景圖像中各自分離出來。

圖2 保偏光纖端面圖像及其灰度直方圖

圖像的灰度直方圖是最基本的圖像分析工具，它以圖表的方式顯示了圖像中每個灰度級與其所對應的像素數量的關系，圖表的橫坐標為灰度級，縱坐標為各個灰度級在圖像中出現的概率。由于物體和背景以及不同物體之間的灰度級通常有明顯的差別，因此不同目標的灰度值將在直方圖中聚集成山峰的形狀。當圖像的灰度直方圖峰值可以明顯區分時，只要以谷底附近的灰度值作為閾值，就可以完成對圖像的分割。由保偏光纖端面圖像對應的灰度直方圖可以看出，圖像具有3 個明顯不同的灰度峰值，因此可以直接利用相應的灰度閾值來完成保偏光纖包層、應力區和纖芯圖像的分割。

通過在IMAQ Vision 工具包提供的閾值分割函數（Threshold）中設置不同的灰度閾值，被測保偏光纖的包層、兩個應力區和纖芯所對應的圖像均可以完整干凈地從背景圖像中分離出來，如圖3 所示。在完成圖像閾值分割的基礎上，對分割后的圖像分別進行邊緣提取和曲線擬合，計算出包層、兩個應力區和纖芯所對應的擬合圓的圓心坐標、直徑和不圓度，從而得到被測保偏光纖的各項幾何參數值，這是目前常用的保偏光纖幾何參數的測試分析流程，在IMAQ Vision 工具包中均有對應的函數可以直接使用。但與此同時，該工具包還提供了更為強大的粒子分析（Particle Analysis）函數，它可以直接對閾值分割后的圖像進行分析與測量，從而能夠更加快速地計算得到被測保偏光纖的各項幾何參數值。

圖3 閾值分割后的保偏光纖端面圖像

粒子是圖像上相互連通的一組非0 或灰度值較高的像素所構成的區域，粒子通過測量相關的屬性（如位置、面積、形狀等）來表示其特征。粒子分析函數可以對圖像中的粒子形狀進行分析和測量，得到粒子的坐標、長度和面積等一系列相關的信息。具體對于保偏光纖幾何參數的測量來說，主要涉及粒子分析函數的以下三個參數：Center of Mass、Waddel Disk Diameter 和Heywood Circularity Factor，分別用于計算粒子對應的圓心坐標、直徑和不圓度，而在得到粒子圓心坐標的基礎上，可以進一步計算粒子之間同心度的大小。因此，通過對粒子分析函數的這三個參數進行設置，就可以完整地計算得到被測保偏光纖的各項幾何參數值。相比現有的保偏光纖端面圖像分析處理流程，粒子分析由于無需進行復雜的邊緣提取和曲線擬合運算，圖像處理的計算量大幅減小，實現了保偏光纖幾何參數的實時快速測量。但這些測量值是以圖像的像素坐標表示的，還需要使用分辨率板對測量系統進行標定和校準，建立起像素坐標與現實世界坐標之間的映射關系，從而轉換成真實的物理測量值。

3 測量結果分析

采用本文所述的硬件測量系統和圖像處理分析方法對包層直徑為60μm 的熊貓型保偏光纖進行了實驗測量，結果如表1 所示。

表1 保偏光纖幾何參數測量結果

應力區1直徑/μm 17.07 17.05 17.1 17.03 17.06 17.08 17.07 0.024應力區1不圓度/% 0.73 0.82 0.77 0.75 0.71 0.74 0.75 0.038應力區2直徑/μm 17.16 17.12 17.13 17.17 17.15 17.18 17.15 0.023應力區2不圓度/% 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

通過以上實驗測量數據可知，本文所述的測量技術能夠實現包層直徑為60μm 的保偏光纖的各項幾何參數的測量，且多次測量結果的重復性較好。

4 結論

本文采用環形LED 光源斜射照明的暗場成像技術，實現了保偏光纖端面的高對比度成像，在進行圖像閾值分割的基礎上，結合NI Vision 視覺工具包提供的圖像粒子分析處理算法，實現了保偏光纖各項幾何參數的實時快速測量，且實驗測量結果的重復性較好，能夠很好地滿足細徑保偏光纖在研制生產和應用過程中的測量需求。