王潤(rùn)蘭，陳青山

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192)

1 引言

光纖陣列是光纖通信系統(tǒng)中光學(xué)器件與光纖之間連接應(yīng)用最廣泛的器件，主要應(yīng)用在平面光波導(dǎo)器件、LD/PD陣列光纖器件、AWG(Arrayed Waveguide Grating陣列波導(dǎo)光柵)光通信網(wǎng)、DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing密集波分復(fù)用)以及多通道微光學(xué)模塊中［1］。由于具有柔性傳像、使用空間自由度大、易實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、重量輕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、科研、軍事等眾多領(lǐng)域當(dāng)中［2］。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)光纖陣列與光學(xué)元件的精確連接，最大限度的減少耦合損耗，提高耦合過(guò)程中的對(duì)準(zhǔn)精度，纖芯分布的均勻性得到了人們的廣泛重視。在實(shí)際使用中，通道數(shù)為4，8，12，24的光纖陣列的纖芯間距規(guī)格公差要求小于等于0.7 μm，通道數(shù)32及以上的纖芯間距規(guī)格公差要求小于等于1μm。高品質(zhì)光纖陣列二者之間的距離誤差一般控制在0.5μm以內(nèi)。一個(gè)纖芯間距分布不均勻的光纖陣列幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)低功耗的耦合，所以光纖陣列纖芯間距的測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中占有很重要的地位。

光纖陣列普遍采用將光纖放在V形槽內(nèi)進(jìn)行等間距排列，有125μm，127μm，250μm三種類型的纖芯距。由于制造和裝配誤差，會(huì)導(dǎo)致光纖放在V形槽內(nèi)排列不是嚴(yán)格的等間距，因此在量產(chǎn)時(shí)的品質(zhì)檢測(cè)中，纖芯間距是最重要的檢測(cè)項(xiàng)目［3］。目前，國(guó)外市場(chǎng)上主要的光纖陣列纖芯距測(cè)量系統(tǒng)制造商有兩家:(1)日本的SURUGA SEIK公司在2000年推出的非接觸、高精度的自動(dòng)化光纖纖芯距測(cè)量系統(tǒng)(CORE－PITCH PRO.)，該設(shè)備的測(cè)量精度0.02μm，是目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上精度最高的光纖陣列纖芯距測(cè)量系統(tǒng)［4］。(2)美國(guó)Moritex USA Inc公司的FZ－1000XD－S非接觸光纖陣列纖芯距自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在100×的放大倍數(shù)下，圖像分辨率為0.07 μm，纖芯距的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05μm［5］。在國(guó)內(nèi)，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院廖強(qiáng)華等人使用像素級(jí)的圖像處理技術(shù)獲得了光纖陣列纖芯的間距，其測(cè)量精度為0.1μm［6］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械人研究所的陳立國(guó)等人利用計(jì)算機(jī)顯微視覺(jué)技術(shù)和高精度納米微驅(qū)動(dòng)搭建的定位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了纖芯距的檢測(cè)，其纖芯間距的檢測(cè)精度為50 nm［7］。臺(tái)灣ITRI公司S.W.Hsu等人利用標(biāo)有刻度的玻璃基片作為測(cè)距的參照模板［8］。該系統(tǒng)在光纖陣列定位、圖像采集處理以及震動(dòng)隔離上與原有技術(shù)類似，其測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差在0.3μm以內(nèi)，已應(yīng)用于許多商用光纖陣列纖芯距的測(cè)量。然而國(guó)外的高精度測(cè)量是建立在復(fù)雜的設(shè)備裝配上，成本高。國(guó)內(nèi)無(wú)論是在測(cè)量精度還是測(cè)量速度上均待進(jìn)一步改進(jìn)。因此，尋求簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)高精度的測(cè)量方法是目前主要研究目標(biāo)。

本文探討了在不用復(fù)雜的高精度宏微雙驅(qū)動(dòng)亞微米定位平臺(tái)的情況下，利用亞像素級(jí)的圖像處理技術(shù)對(duì)光纖陣列的纖芯間距進(jìn)行精密檢測(cè)，該測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，可以達(dá)到高精度、低成本、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，為研制非接觸、高精度的自動(dòng)化光纖陣列間距測(cè)量設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

2 測(cè)量原理

圖1為光纖陣列檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量原理圖。該檢測(cè)系統(tǒng)主要由光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、顯微視覺(jué)模塊、手動(dòng)調(diào)焦模塊以及圖像處理軟件模塊組成。其中，顯微視覺(jué)模塊由CCD攝像頭、圖像采集卡、顯微鏡、物鏡、光纖光源、光纖陣列夾具組成;軟件模塊是計(jì)算機(jī)上的MATLAB圖像處理軟件。該系統(tǒng)的CCD型號(hào)是高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機(jī)MVC3000，最大幅面為2048×1536，像元尺寸為3.2 μm ×3.2 μm。為了滿足在一幅圖像里能夠采集到兩根光纖的光斑，需要選用40×的物鏡放大。經(jīng)過(guò)亞像素插值算法，可將纖芯位置定位到0.2個(gè)像素。由此可知，測(cè)量系統(tǒng)的分辨率為3.2 μm ×0.2/40=16 nm。

測(cè)量系統(tǒng)的工作原理如下:置于光纖陣列一端的光纖光源經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后進(jìn)入光纖傳導(dǎo)，通過(guò)調(diào)節(jié)三維移動(dòng)臺(tái)使高亮的光纖陣列被測(cè)端出射光通過(guò)濾光孔后，經(jīng)顯微物鏡放大并成像于CCD面陣上，然后圖像采集卡把采集到的圖像信息傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)圖像處理軟件分析處理計(jì)算出兩根纖芯之間的距離［9］。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理圖

3 纖芯距計(jì)算過(guò)程

為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的精度，通過(guò)改變軟件算法比改變系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單而且有效［10］，因此對(duì)獲取的光纖圖像進(jìn)行處理是實(shí)現(xiàn)光纖陣列纖芯間距精密測(cè)量的核心部分。由于采集的圖像邊緣簡(jiǎn)單且對(duì)比度高，利于對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，進(jìn)而提取圖像特征參數(shù)。傳統(tǒng)的像素級(jí)邊緣提取方法精度有限，易受參數(shù)(灰度閾值、梯度閾值等)影響，本文利用一種亞像素級(jí)的邊緣細(xì)分算法。鑒于插值法計(jì)算量小、精度高的特點(diǎn)，我們選用二次多項(xiàng)式插值法實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)的邊緣提取。實(shí)驗(yàn)證明，該算法比傳統(tǒng)的邊緣提取方法有較好的定位精度和較好的魯棒性。圖像分析處理的流程圖如圖2所示。

圖2 纖芯距計(jì)算程序流程圖

首先讀取采集的圖像進(jìn)行平滑濾波預(yù)處理;為了減少參與運(yùn)算的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，提高后續(xù)處理速度，要提取感興趣區(qū)域(ROI)，即定位光纖的成像區(qū)域;然后利用二項(xiàng)式插值算法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行亞像素級(jí)的邊緣提取并利用最小二乘擬合法圓心定位;最后根據(jù)CCD的像元尺寸及所選用的物鏡放大倍數(shù)計(jì)算出纖芯的實(shí)際距離。獲取的光纖圖像如圖3所示。圖中的紅色虛線框是提取的兩個(gè)ROI區(qū)域，實(shí)紅線是要計(jì)算的纖芯距。

圖3 獲取的光纖圖像

在插值前需要粗提取圖像邊緣，常用的邊緣檢測(cè)算法有 Canny，Prewitt，Roberts，Laplacian 算子等，可將檢測(cè)圖像精確到像素級(jí)的邊界。其中最經(jīng)典的算法是Sobel算子，該算子計(jì)算量小、速度快，得到諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)Sobel算子引入一個(gè)衰減因子，可以避免丟失邊緣圖中梯度幅值較小的邊緣，從而得到不失真的灰階邊緣圖，而且也消除了數(shù)據(jù)溢出的可能。為了更準(zhǔn)確的描述圖像邊緣點(diǎn)，減少噪聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提高算子的抗噪能力，在水平和垂直模板基礎(chǔ)上新增45°和135°的兩個(gè)模板。邊緣梯度幅值選用最高輸出模板所對(duì)應(yīng)的邊緣梯度值。

具體計(jì)算公式如下:

式中，A，B，C，D 分別為 0°，90°，45°，135°的梯度值，衰減因子scale=4，也稱歸一化因子。angle(i，j)為某一像素的的梯度方向角，R(i，j)為梯度幅值。

亞像素邊緣提取具體步驟如下:運(yùn)用擴(kuò)展的Sobel算子對(duì)灰度圖像處理得到不失真的灰階邊緣圖，然后對(duì)灰階邊緣圖再作帶衰減因子的Sobel處理得到邊緣的邊緣圖，可看到原邊緣的兩側(cè)得到新的邊緣，中間部分卻變成背景，且寬度小于原邊緣。利用此特點(diǎn)將灰階邊緣圖減去邊緣的邊緣圖，再將與負(fù)值部分對(duì)應(yīng)的邊緣點(diǎn)的值改為零，從而可得到接近單像素的細(xì)化邊緣圖，最后用已知邊緣點(diǎn)的梯度方向近似代替未知亞像素點(diǎn)的梯度方向，并在該方向上進(jìn)行多項(xiàng)式插值得到最終的亞像素邊緣圖［11］。處理步驟如圖4所示。

圖4 圖像邊緣提取處理步驟

邊緣點(diǎn)P0(i，j)的亞像素坐標(biāo)的插值公式如下:

式中，R0為P0點(diǎn)的梯度幅值;R－1和R1分別是在梯度方向上與P0點(diǎn)相鄰的兩像素點(diǎn)P－1和P1點(diǎn)的梯度幅值;L為相鄰像素點(diǎn)到邊緣點(diǎn)距離。式(4)成立的前提條件為R0＞R－1且R0＞R1。方向模板與P－1和P1點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表如表1所示。

表1 方向模板與P－1和P1點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表

最后運(yùn)用最小二乘擬合法定位光纖光斑的中心，并計(jì)算兩個(gè)中心之間的距離，即纖芯距。纖心的定位效果圖如圖5所示。

圖5 纖心定位效果圖(橫軸為像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)，縱軸為像素點(diǎn)的縱坐標(biāo))

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 亞像素邊緣定位精度

以上述得到的細(xì)化單像素邊緣圖的像素坐標(biāo)值為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值，將定位后的單點(diǎn)與對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)差作為插值算法的偏差，計(jì)算得到1號(hào)光纖插值前后的X軸標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1489 pixel，Y軸標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1853 pixel，2號(hào)光纖插值前后的X軸標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1493pixel，Y 軸標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.1847pixel。則可以得到該算法的定位精度約為0.2 pixel。圖6(a)和圖6(b)分別為1號(hào)光纖、2號(hào)光纖插值前后每個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)偏差。

圖6 插值前后的坐標(biāo)偏差

4.2 纖芯間距的定位精度及影響因素

由于真實(shí)的光纖陣列纖芯間距未知，因此無(wú)法將本文的測(cè)量值與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的測(cè)量精確度。在等精度測(cè)量條件下，通過(guò)對(duì)同一對(duì)光纖在圖像的不同位置的測(cè)量值進(jìn)行分析比較。下面表2的四組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了11，12，12，15次測(cè)量計(jì)算所得的纖芯距的均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差，依次是兩根光纖的光斑在圖像的下半部、上半部、左半部以及整幅圖像位置緩慢移動(dòng)所測(cè)得的纖芯距，由表2中四組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差可得到纖芯間距的重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差在10～20 nm之間。

表2 四組纖芯距數(shù)據(jù)結(jié)果

然而光纖陣列的端面與物鏡光軸不可能完全垂直，在移動(dòng)過(guò)程中光纖端面的法線與物鏡光軸夾角不斷在改變。另外，光纖端面出射光具有一定的發(fā)散角，并且在不同的發(fā)散方向光強(qiáng)不相等。因此，光纖在移動(dòng)測(cè)距過(guò)程中，雖然其端面的發(fā)光不變，但由于最終進(jìn)入CCD攝相機(jī)的光通量不同會(huì)造成CCD上所成像光斑亮度的改變。且移動(dòng)過(guò)程中需要調(diào)節(jié)光纖端面到物鏡之間的距離，即物距，成像光斑形狀大小也會(huì)發(fā)生變動(dòng)。這些因素都降低了圖像的成像質(zhì)量，從而很大程度的影響了光纖陣列纖芯距的最終測(cè)量值。表3中兩組數(shù)據(jù)均是兩根光纖光斑在移動(dòng)過(guò)程中并未注意調(diào)節(jié)光斑形狀大小以及物距所測(cè)得的纖芯距，分別進(jìn)行了12次和11次測(cè)量計(jì)算所得的纖芯距均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差，由表3可以看出，其標(biāo)準(zhǔn)差明顯偏大，均大于20 nm，小于25 nm。

表3 兩組纖芯距數(shù)據(jù)結(jié)果

4.3 測(cè)量時(shí)間分析

本文在對(duì)圖像像素處理之前首先對(duì)光纖的成像區(qū)域進(jìn)行定位，減少了參與運(yùn)算的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，因此大大減少了系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間。而且開(kāi)始就用改進(jìn)的Sobel算子對(duì)圖像進(jìn)行了邊緣粗定位，而后僅僅是對(duì)Sobel提取的邊緣點(diǎn)運(yùn)算。這兩點(diǎn)均為后續(xù)的處理速度作了很大的貢獻(xiàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量一次的運(yùn)行時(shí)間 1.512s。

5 結(jié)論

研究了基于顯微視覺(jué)的光纖陣列端面上纖芯距的精密測(cè)量方法，在穩(wěn)定的光照與實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，通過(guò)調(diào)節(jié)三維移動(dòng)臺(tái)選取兩根相鄰光纖的光斑，調(diào)節(jié)光纖陣列端面到顯微物鏡之間距離，直至光斑形狀大小合適，對(duì)圖像進(jìn)行采集，然后運(yùn)用定位精度大約0.2 pixel的亞像素邊緣提取算法與最小二乘擬合法實(shí)現(xiàn)光纖纖心的精確定位，最后計(jì)算出光纖陣列的纖芯距。數(shù)據(jù)分析可得，該系統(tǒng)測(cè)量分辨率為16 nm，重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差23 nm。測(cè)量速度也有很大的改進(jìn)，測(cè)量一對(duì)纖芯的時(shí)間為1.512 s。所給出的光纖陣列纖芯距測(cè)量方法不需要復(fù)雜的高精度納米級(jí)微驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)，主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)顯微視覺(jué)圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陣列纖芯距的精密測(cè)量。為今后研制非接觸、高精度的自動(dòng)化光纖陣列間距測(cè)量設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

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