[發明專利]基于ARM的一體化保偏光纖定軸儀

有效

• 申請號: 201510041446.3
• 申請日: 2015-01-27
• 公開（公告）號: CN104614803B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 馮迪;黃懷波;翁曉泉;劉振華;宋凝芳
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B6/024
• 分類號: G02B6/024
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 趙文穎

1.基于ARM的一體化保偏光纖定軸儀，包括圖像采集單元、圖像處理與控制單元、運動執行機構和人機交互單元；

圖像采集單元包括光源、顯微物鏡、鏡筒、CMOS工業相機和顯微攝像頭；光源以30°-60°角斜向前照射剝除涂覆層的保偏光纖，顯微物鏡和保偏光纖同軸，CMOS相機通過鏡筒與顯微物鏡相連，顯微攝像頭固定在保偏光纖上方；

運動執行機構包括光纖旋轉器、手動位移臺、電動位移臺、光纖襯塊、第一運動控制板和第二運動控制板；保偏光纖固定在光纖旋轉器上，光纖旋轉器固定在手動位移臺上，通過手動調節位移臺和光纖襯塊改變保偏光纖的空間位置，通過向第一運動控制板發送指令使光纖旋轉器旋轉保偏光纖改變其偏振角，鏡筒固定在電動位移臺上，通過向第二運動控制板發送指令控制位移臺沿鏡筒軸向和徑向移動，從而移動鏡筒、物鏡和相機的聯合體；

人機交互單元包括觸摸屏；保偏光纖被固定在光纖旋轉器上，顯微攝像頭采集保偏光纖側面圖像輸出至圖像處理與控制單元，觀察觸摸屏上光纖側面圖像，手動將保偏光纖調整到與顯微物鏡同軸，端面圖像經顯微物鏡放大后被CMOS相機實時采集，CMOS相機將采集到的圖像通過USB數據線傳輸給圖像處理與控制單元，圖像處理與控制單元分別計算圖像的清晰度和偏振角，向第一運動控制板、第二運動控制板發送指令，運動控制板驅動光纖旋轉器、電機和位移臺的電機轉動實現自動對焦和自動定軸；

圖像處理與控制單元包括微處理器、存儲模塊、通信接口、顯示模塊、調試模塊和電源模塊；

微處理器采用ARM處理器，計算圖像的清晰度和偏振角，向第一運動控制板、第二運動控制板發送指令，存儲模塊對數據進行存儲；通信接口包括RS232串口和USB接口，RS232串口分別與第一運動控制板、第二運動控制板連接，用于發送運動指令，USB接口分別與顯微攝像頭和CMOS相機連接，顯示模塊通過LCD接口與電容觸摸屏連接；調試模塊采用JTAG接口；電源模塊采用直流電源供電；

所述保偏光纖定軸儀的光纖端面自動對焦方法，具體為：首先ARM處理模塊向第二運動控制板發送指令將物鏡移動到位移臺能夠移動的物距最大處；然后以步距ΔL向光纖端面方向移動物鏡，光纖端面經過物鏡放大后被CMOS相機采集為離散數字圖像并傳輸給ARM處理模塊；ARM處理模塊將采集到的彩色圖像轉換為灰度圖像，使用Laplace邊緣檢測算子對灰度圖像進行卷積，計算卷積圖所有點灰度值C(i,j)的平方和作為清晰度評價函數L(x)，即L(x)＝Σ_iΣ_j C(i,j)²，其中x是物鏡位置坐標，i是卷積圖中點的橫坐標，j是卷積圖中點的縱坐標；移動物鏡逐步靠近光纖端面，計算并記錄每一步光纖端面圖像的清晰度評價函數L(x)，物鏡在某位置x₀處時滿足，L(x₀)是L(x)函數曲線的極大值，則認為x₀是L(x)函數曲線的尖峰點；當L(x)函數曲線出現尖峰點時認為x₀是光纖端面聚焦的位置，初步聚焦完成；在(x0-ΔL,x0+ΔL)范圍內，令步距ΔL＝0.5*ΔL，再次移動物鏡，重復上述過程，尋找聚焦位置；當ΔL小于預定的聚焦精度時，將物鏡移動到此時的聚焦位置，光纖端面自動聚焦完成；

所述保偏光纖定軸儀的光纖襯塊自動聚焦過程，具體為：首先ARM處理模塊向第二運動控制板發送指令將物鏡移動到位移臺能夠移動的物距最大處；然后以步距ΔL向光纖端面方向移動物鏡，光纖和襯塊的端面經過物鏡放大后被CMOS相機采集為離散數字圖像并傳輸給ARM處理模塊；ARM處理模塊將采集到的彩色圖像轉換為灰度圖像，使用Laplace邊緣檢測算子對灰度圖像進行卷積，計算卷積圖所有點灰度值C(i,j)的平方和作為清晰度評價函數L(x)，即L(x)＝Σ_iΣ_j C(i,j)²，其中x是物鏡位置坐標，i是卷積圖中點的橫坐標，j是卷積圖中點的縱坐標；移動物鏡逐步靠近光纖端面，計算并記錄每一步端面圖像的清晰度評價函數L(x)，物鏡在某位置x₀處時滿足，L(x₀)是L(x)函數曲線的極大值，則認為x₀是L(x)函數曲線的尖峰點；當L(x)函數曲線出現第一個尖峰點時認為x₀是光纖端面聚焦的位置，光纖端面初步聚焦完成；然后以步距ΔL向光纖襯塊方向繼續移動物鏡，采集圖像并計算清晰度評價函數L(x)；當L(x)函數曲線再次出現尖峰點x₁時認為x₁是光纖襯塊聚焦的位置，光纖襯塊初步聚焦完成；在(x1-ΔL,x1+ΔL)范圍內，令步距ΔL＝0.5*ΔL，再次移動物鏡，重復上述過程，尋找聚焦位置；當ΔL小于預定的聚焦精度時，將物鏡移動到此時的聚焦位置，光纖襯塊自動聚焦完成；

所述保偏光纖定軸儀的光纖端面偏振軸方位的檢測具體為：保偏光纖端面圖像具有兩個關于纖芯對稱的應力區，兩個應力區中心的連線就是保偏光纖的慢軸，因此通過檢測這條連線的傾斜角來實現保偏光纖偏振軸方位的檢測；具體過程是：

ARM處理模塊將物鏡移動到光纖端面對焦的地方；CMOS相機采集光纖端面圖像并傳輸給ARM處理模塊；ARM處理模塊將采集到的彩色圖像轉換為灰度圖，使用高斯算子對灰度圖濾波降噪得到圖像f；利用大津法將圖像f轉換為二值圖，提取二值圖中所有亮區域的輪廓，利用保偏光纖兩應力區的形狀、大小、距離特征信息找到兩應力區的輪廓，確認出圖像f中應力區的位置；提取圖像f中應力區子圖像，對子圖像利用Canny算子提取邊緣點，對邊緣點進行迭代處理，去除不在應力圓上的點，利用灰度圖f邊緣點附近點的灰度值特點，對邊緣進行亞像素細化，對細化后的邊緣點進行橢圓擬合，橢圓的中心即應力圓的圓心；利用兩個應力圓圓心計算光纖端面偏振軸的角度α。

2.根據權利要求書1所述的基于ARM的一體化保偏光纖定軸儀，人機交互單元還包括鼠標，鼠標通過USB口與圖像處理與控制單元連接。