一种检测光纤质量的装置与方法
专利名称：一种检测光纤质量的装置与方法
技术领域：
基于光的干涉的一种检测光纤质量的装置与方法，属光纤检测领域。
背景技术：
目前光纤已被广泛地应用于通讯、传感器、医疗、军事等领域。随着光纤应用日益广泛，在一些领域(如军事、医疗)对光纤的质量提出了更高的要求。
光纤一般由纤芯、包层和起保护作用的涂覆层构成。在生产过程中，容易产生气泡、脱层、颈缩和裂口等缺陷。当光在光纤中传输时，这些缺陷起到散射中心的作用，会增大光纤的损耗。在阶跃折射率光纤中存在于纤芯与包层界面间的缺陷特别有害，它们会造成耦合衰减，使导模变成非导模，从而影响光在光纤中的传输质量，同时这些缺陷的存在还会使光纤的机械强度变差。
目前的检测方法有显微镜观察法、光电混合联合变换法、背向传输神经网络法、在线比重计、离线光学比较计、在线透视照相法等，这些方法各有优缺点显微镜观察法操作简单精度高，但难以承受光纤的振动，另外显微镜焦距很短，视场有限，测量速度非常慢；光电混合联合变换法灵活，光路易调整，但缺点是每次检测光纤的长度为4mm，相对来说，检测速度慢；背向传输的神经网络法是从光电混合联合变换法演变而来，测量装置与光电混合联合变换相同，其缺点同上；在线比重计、离线光学比较计、在线透视照相法均是用于测量或计算光纤尺寸的。光纤的一些缺陷，如裂口与颈缩可通过直径的测量被测出，但另一些缺陷，如空气泡则不能用这种办法检测出来。因此寻求一种非接触的、快速的、在线的光纤微小缺陷检测方法非常重要。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种制作工艺简单、成本低廉、速度快、灵敏度高、非接触的测量光纤质量的装置与方法。
为了便于理解，简述本发明的测量原理是必要的。本发明采用激光器作为光源，通过光束的空间变换形成条形光束照射并覆盖几厘米的一段光纤，通过光纤上下方的光束与通过光纤内部的光束相干涉，形成人眼可见的干涉条纹，此干涉条纹与光纤折射率相关。光纤是一种多层的折射率变化的同轴柱状结构，对一根质量合格的标准光纤其干涉条纹是规则的，但当样品光纤某一层中存在缺陷，缺陷的折射率与光纤介质的折射率不同，即光通过缺陷层时的光程与不存在缺陷时的光程不同。根据光的干涉原理，样品光纤的干涉条纹会与标准光纤干涉条纹不同，从而使干涉条纹发生畸变。基于此测量时先用高精度CCD照像机拍摄标准光纤的干涉条纹图像，然后再拍摄待测光纤的干涉条纹图像，在计算机中应用基于Gabor滤波的方法比较二者图像之间的差异，并由含软件程序的计算机自动判别光纤合格或不合格。
本发明由激光器在内的形成条形光束的光学系统、处在焦平面的光纤及其后的观察屏、CCD照相机及以导线相连的含有计算程序的计算机组成，且光纤放置在调节支架上，其轴与柱面透镜的轴平行，并保持或符合光学系统与激光束共轴等相关光学原理。考虑到在线检测的具体情况，还可与上述计算机电连接一只光电报警器。
上述形成条形光束的光学系统是由凹透镜、凸透镜和柱面透镜组成，且凹透镜与凸透镜前焦点重合，在技术上保证条形光束照射并覆盖在光纤中部4-8cm为宜，而不是一个细光束照射在光纤的特殊点上，这也是本装置的特点之一。
由此构筑的本发明具有装置简单、灵敏度高、精度高、自动化程度高、速度快的优点，是一种非接触的、非破坏性的测量装置与方法。
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的结构参数示意图。
图3为本发明的测量流程示意图。
其中1激光器；2凹透镜；3凸透镜；4柱面透镜；5光纤； 6支架；7观察屏；8箱体；9 CCD照像机；10计算机；11报警器。
具体实施例方式
如附图1、图2所示，本发明由激光器1在内的形成条形光束的光学系统、处在焦平面的光纤5及之后的观察屏7、CCD照相机9和以导线相连的含有计算程序的计算机10组成，且光纤5放置在一个调节支架6上，光纤的轴与柱面透镜的轴平行，并保持光学系统与激光束共轴。
上述计算机10还可电连接一只光电报警器11，以及时告知光纤存在缺陷。
上述形成条形光束的光学系统由凹透镜2、凸透镜3和柱面透镜4组成，且凹透镜2与凸透镜3前焦点重合，在技术上保证条形光束照射并覆盖在光纤上。为缩小整个装置的尺寸，凸透镜3可用平凸透镜代替，此时它与柱面透镜紧邻，如图1所示。
如图2，上述凹透镜2的焦距为f1，凸透镜3的焦距为f2，凹透镜2与凸透镜3的前焦点重合，焦距为f3的柱面透镜4相邻凸透镜3放置。光纤放置在一个调节支架上，光纤的轴与柱面透镜4的轴平行，且在柱面透镜4的焦平面上。观察屏7为半透明屏。为消除杂散光，可以将凹透镜2、凸透镜3、柱面透镜4、光纤调节架6和观察屏7固定于一个箱体8中。箱体8的与光纤垂直的两侧面开有能使光纤穿过的孔(图省略)，以便于穿过或放置光纤。激光器发出的光束通过图1中所有光学元器件的中心，经凹透镜2、凸透镜3以及柱面透镜4后形成照射并覆盖光纤5的条形光束。柱面透镜的轴与光纤的轴相平行。在光纤之后放置一观察屏7，观察清晰的干涉条纹，其软件程序的具体流程如下(1)先用CCD照像机拍摄标准光纤的干涉条纹图像，通过Gabor滤波生成标准干涉条纹的8幅特征图像，然后根据标准干涉条纹的特性对其图像及特征图像进行区域分割，以提取干涉条纹的全局和局部特征，构造特征向量并存储在计算机中供比较时使用；(2)然后再拍摄待测光纤的干涉条纹图像，对于待测光纤的干涉条纹图像，应用同样的Gabor滤波方法生成8幅特征图像，然后参照标准干涉条纹图像的区域分割对特征图像进行分割，生成特征向量并保存；(3)比较标准与待测光纤干涉条纹图像特征向量的欧式距离之间的差异，当两者的差异大于预先设定的阈值时，计算机则显示待测光纤不合格，或同时报警器发出警告，如二者的差值小于等于阈值，则待测光纤合格，检测继续进行。
上述激光器1采用发可见光的连续功率输出半导体激光器、气体或固体激光器，如He-Ne激光器；特别是功率合适的半导体激光器，具有体积小、重量轻，可以制成便于携带的装置；CCD照像机可选用具有GAMMA修正功能、高精度的为宜。
本发明的方法或步骤①从待测光纤上截取长7cm一段，在显微镜下观察，如无缺陷，则将其作为标准光纤，②将标准光纤放置在光纤调节支架6上，用CCD照相机拍摄其干涉条纹并将其存储在计算机中，③取下标准光纤，将待测光纤放置在同一位置，将产生的干涉条纹用CCD照相机拍摄并存储在计算机中，④用存储在计算机中的程序比较待测光纤与标准光纤的差异—欧式距离，如欧式距离大于设置的阈值，那么计算机显示光纤存在缺陷质量不合格，同时报警器报警。
测量时，只要将待测光纤放在支架上或使在线的光纤穿经相应的位置处就可以判晰出有无缺陷。
权利要求
1一种检测光纤质量的装置，其特征在于它是由激光器(1)在内的形成条形光束的光学系统、处在焦平面上的光纤(5)及其后的观察屏(6)以及CCD照相机(9)和含有计算程序的计算机(10)组成，并保持光学系统与激光束共轴。
2如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述形成条形光束的光学系统是由凹透镜(2)，凸透镜(3)和柱面透镜(4)组成，而且凹透镜(2)与凸透镜(3)的前焦点重合，且条形光束照射并覆盖在光纤(5)上。
3如权利要求2所述的检测光纤质量的装置，其特征在于可以将上述凹透镜(2)、凸透镜(3)、柱面透镜(4)、调节支架(6)和观察屏(7)固定于一个箱体(8)中并仍保持共轴关系。
4如权利要求2或3所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述凸透镜(3)可用平凸透镜代替。
5如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述计算机(10)的输出端与一只光电报警器(11)电连接。
6如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述观察屏(7)为半透明屏。
7如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述激光器(1)是连续功率输出的发可见光的半导体激光器。
8如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述激光器(1)是连续功率输出的发可见光的气体或固体激光器，如He-Ne激光器。
9本发明的方法或步骤①从待测光纤上截取长几厘米的一段光纤，在显微镜下观察，如无缺陷，则将其作为标准光纤，②将标准光纤放置在光纤调节支架(6)上，用CCD照相机拍摄干涉条纹并将其存储在计算机中，③取下标准光纤，将待测光纤放置在同一位置，产生干涉条纹并存储在计算机中，④用存储在计算机中的程序比较待测光纤与标准光纤的干涉条纹的特征图像的特征向量的差异—欧式距离，当欧式距离大于设置的阈值，计算机显示光纤质量不合格，同时报警器报警。
全文摘要
本发明涉及一种检测光纤质量的装置与方法。它由激光器在内的形成条形光束的光学系统、处在焦平面的光纤及其后的观察屏、CCD照相机及以导线相连的含有计算程序的计算机组成，且光纤放置在调节支架上，其轴与柱面透镜的轴平行，并保持或符合光学系统与激光束共轴等相关光学原理。考虑到在线检测的具体情况，还可与上述计算机电连接一只光电报警器。上述形成条形光束的光学系统是由凹透镜、凸透镜和柱面透镜组成，且凹透镜与凸透镜前焦点重合，在技术上保证条形光束照射并覆盖在光纤中部为宜。由此构筑的本发明具有装置简单、灵敏度高、精度高、自动化程度高、速度快的优点，是一种非接触的、非破坏性的测量装置与方法。
文档编号G01N21/84GK1598552SQ20041003561
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月28日 优先权日2004年8月28日
发明者杨爱玲, 董军宇, 李世荣 申请人:中国海洋大学
技术领域：
基于光的干涉的一种检测光纤质量的装置与方法，属光纤检测领域。
背景技术：
目前光纤已被广泛地应用于通讯、传感器、医疗、军事等领域。随着光纤应用日益广泛，在一些领域(如军事、医疗)对光纤的质量提出了更高的要求。
光纤一般由纤芯、包层和起保护作用的涂覆层构成。在生产过程中，容易产生气泡、脱层、颈缩和裂口等缺陷。当光在光纤中传输时，这些缺陷起到散射中心的作用，会增大光纤的损耗。在阶跃折射率光纤中存在于纤芯与包层界面间的缺陷特别有害，它们会造成耦合衰减，使导模变成非导模，从而影响光在光纤中的传输质量，同时这些缺陷的存在还会使光纤的机械强度变差。
目前的检测方法有显微镜观察法、光电混合联合变换法、背向传输神经网络法、在线比重计、离线光学比较计、在线透视照相法等，这些方法各有优缺点显微镜观察法操作简单精度高，但难以承受光纤的振动，另外显微镜焦距很短，视场有限，测量速度非常慢；光电混合联合变换法灵活，光路易调整，但缺点是每次检测光纤的长度为4mm，相对来说，检测速度慢；背向传输的神经网络法是从光电混合联合变换法演变而来，测量装置与光电混合联合变换相同，其缺点同上；在线比重计、离线光学比较计、在线透视照相法均是用于测量或计算光纤尺寸的。光纤的一些缺陷，如裂口与颈缩可通过直径的测量被测出，但另一些缺陷，如空气泡则不能用这种办法检测出来。因此寻求一种非接触的、快速的、在线的光纤微小缺陷检测方法非常重要。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种制作工艺简单、成本低廉、速度快、灵敏度高、非接触的测量光纤质量的装置与方法。
为了便于理解，简述本发明的测量原理是必要的。本发明采用激光器作为光源，通过光束的空间变换形成条形光束照射并覆盖几厘米的一段光纤，通过光纤上下方的光束与通过光纤内部的光束相干涉，形成人眼可见的干涉条纹，此干涉条纹与光纤折射率相关。光纤是一种多层的折射率变化的同轴柱状结构，对一根质量合格的标准光纤其干涉条纹是规则的，但当样品光纤某一层中存在缺陷，缺陷的折射率与光纤介质的折射率不同，即光通过缺陷层时的光程与不存在缺陷时的光程不同。根据光的干涉原理，样品光纤的干涉条纹会与标准光纤干涉条纹不同，从而使干涉条纹发生畸变。基于此测量时先用高精度CCD照像机拍摄标准光纤的干涉条纹图像，然后再拍摄待测光纤的干涉条纹图像，在计算机中应用基于Gabor滤波的方法比较二者图像之间的差异，并由含软件程序的计算机自动判别光纤合格或不合格。
本发明由激光器在内的形成条形光束的光学系统、处在焦平面的光纤及其后的观察屏、CCD照相机及以导线相连的含有计算程序的计算机组成，且光纤放置在调节支架上，其轴与柱面透镜的轴平行，并保持或符合光学系统与激光束共轴等相关光学原理。考虑到在线检测的具体情况，还可与上述计算机电连接一只光电报警器。
上述形成条形光束的光学系统是由凹透镜、凸透镜和柱面透镜组成，且凹透镜与凸透镜前焦点重合，在技术上保证条形光束照射并覆盖在光纤中部4-8cm为宜，而不是一个细光束照射在光纤的特殊点上，这也是本装置的特点之一。
由此构筑的本发明具有装置简单、灵敏度高、精度高、自动化程度高、速度快的优点，是一种非接触的、非破坏性的测量装置与方法。
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的结构参数示意图。
图3为本发明的测量流程示意图。
其中1激光器；2凹透镜；3凸透镜；4柱面透镜；5光纤； 6支架；7观察屏；8箱体；9 CCD照像机；10计算机；11报警器。
具体实施例方式
如附图1、图2所示，本发明由激光器1在内的形成条形光束的光学系统、处在焦平面的光纤5及之后的观察屏7、CCD照相机9和以导线相连的含有计算程序的计算机10组成，且光纤5放置在一个调节支架6上，光纤的轴与柱面透镜的轴平行，并保持光学系统与激光束共轴。
上述计算机10还可电连接一只光电报警器11，以及时告知光纤存在缺陷。
上述形成条形光束的光学系统由凹透镜2、凸透镜3和柱面透镜4组成，且凹透镜2与凸透镜3前焦点重合，在技术上保证条形光束照射并覆盖在光纤上。为缩小整个装置的尺寸，凸透镜3可用平凸透镜代替，此时它与柱面透镜紧邻，如图1所示。
如图2，上述凹透镜2的焦距为f1，凸透镜3的焦距为f2，凹透镜2与凸透镜3的前焦点重合，焦距为f3的柱面透镜4相邻凸透镜3放置。光纤放置在一个调节支架上，光纤的轴与柱面透镜4的轴平行，且在柱面透镜4的焦平面上。观察屏7为半透明屏。为消除杂散光，可以将凹透镜2、凸透镜3、柱面透镜4、光纤调节架6和观察屏7固定于一个箱体8中。箱体8的与光纤垂直的两侧面开有能使光纤穿过的孔(图省略)，以便于穿过或放置光纤。激光器发出的光束通过图1中所有光学元器件的中心，经凹透镜2、凸透镜3以及柱面透镜4后形成照射并覆盖光纤5的条形光束。柱面透镜的轴与光纤的轴相平行。在光纤之后放置一观察屏7，观察清晰的干涉条纹，其软件程序的具体流程如下(1)先用CCD照像机拍摄标准光纤的干涉条纹图像，通过Gabor滤波生成标准干涉条纹的8幅特征图像，然后根据标准干涉条纹的特性对其图像及特征图像进行区域分割，以提取干涉条纹的全局和局部特征，构造特征向量并存储在计算机中供比较时使用；(2)然后再拍摄待测光纤的干涉条纹图像，对于待测光纤的干涉条纹图像，应用同样的Gabor滤波方法生成8幅特征图像，然后参照标准干涉条纹图像的区域分割对特征图像进行分割，生成特征向量并保存；(3)比较标准与待测光纤干涉条纹图像特征向量的欧式距离之间的差异，当两者的差异大于预先设定的阈值时，计算机则显示待测光纤不合格，或同时报警器发出警告，如二者的差值小于等于阈值，则待测光纤合格，检测继续进行。
上述激光器1采用发可见光的连续功率输出半导体激光器、气体或固体激光器，如He-Ne激光器；特别是功率合适的半导体激光器，具有体积小、重量轻，可以制成便于携带的装置；CCD照像机可选用具有GAMMA修正功能、高精度的为宜。
本发明的方法或步骤①从待测光纤上截取长7cm一段，在显微镜下观察，如无缺陷，则将其作为标准光纤，②将标准光纤放置在光纤调节支架6上，用CCD照相机拍摄其干涉条纹并将其存储在计算机中，③取下标准光纤，将待测光纤放置在同一位置，将产生的干涉条纹用CCD照相机拍摄并存储在计算机中，④用存储在计算机中的程序比较待测光纤与标准光纤的差异—欧式距离，如欧式距离大于设置的阈值，那么计算机显示光纤存在缺陷质量不合格，同时报警器报警。
测量时，只要将待测光纤放在支架上或使在线的光纤穿经相应的位置处就可以判晰出有无缺陷。
权利要求
1一种检测光纤质量的装置，其特征在于它是由激光器(1)在内的形成条形光束的光学系统、处在焦平面上的光纤(5)及其后的观察屏(6)以及CCD照相机(9)和含有计算程序的计算机(10)组成，并保持光学系统与激光束共轴。
2如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述形成条形光束的光学系统是由凹透镜(2)，凸透镜(3)和柱面透镜(4)组成，而且凹透镜(2)与凸透镜(3)的前焦点重合，且条形光束照射并覆盖在光纤(5)上。
3如权利要求2所述的检测光纤质量的装置，其特征在于可以将上述凹透镜(2)、凸透镜(3)、柱面透镜(4)、调节支架(6)和观察屏(7)固定于一个箱体(8)中并仍保持共轴关系。
4如权利要求2或3所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述凸透镜(3)可用平凸透镜代替。
5如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述计算机(10)的输出端与一只光电报警器(11)电连接。
6如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述观察屏(7)为半透明屏。
7如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述激光器(1)是连续功率输出的发可见光的半导体激光器。
8如权利要求1所述的检测光纤质量的装置，其特征在于上述激光器(1)是连续功率输出的发可见光的气体或固体激光器，如He-Ne激光器。
9本发明的方法或步骤①从待测光纤上截取长几厘米的一段光纤，在显微镜下观察，如无缺陷，则将其作为标准光纤，②将标准光纤放置在光纤调节支架(6)上，用CCD照相机拍摄干涉条纹并将其存储在计算机中，③取下标准光纤，将待测光纤放置在同一位置，产生干涉条纹并存储在计算机中，④用存储在计算机中的程序比较待测光纤与标准光纤的干涉条纹的特征图像的特征向量的差异—欧式距离，当欧式距离大于设置的阈值，计算机显示光纤质量不合格，同时报警器报警。
全文摘要
本发明涉及一种检测光纤质量的装置与方法。它由激光器在内的形成条形光束的光学系统、处在焦平面的光纤及其后的观察屏、CCD照相机及以导线相连的含有计算程序的计算机组成，且光纤放置在调节支架上，其轴与柱面透镜的轴平行，并保持或符合光学系统与激光束共轴等相关光学原理。考虑到在线检测的具体情况，还可与上述计算机电连接一只光电报警器。上述形成条形光束的光学系统是由凹透镜、凸透镜和柱面透镜组成，且凹透镜与凸透镜前焦点重合，在技术上保证条形光束照射并覆盖在光纤中部为宜。由此构筑的本发明具有装置简单、灵敏度高、精度高、自动化程度高、速度快的优点，是一种非接触的、非破坏性的测量装置与方法。
文档编号G01N21/84GK1598552SQ20041003561
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月28日 优先权日2004年8月28日
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