光纖熔接機纖芯識別光學及成像系統的制作方法

本發明屬于光纖通信接續及維護技術領域，涉及一種光纖熔接機纖芯識別光學及成像系統。

背景技術：

光纖通信以光纜代替電纜作為傳輸工具，用光波代替電磁波作為通信信息載體，實現了高速率，大傳輸量的通信效果，給通信領域帶來了一場新的革命。目前，光纖通信已經成為最主要的信息傳輸服務。隨著信息傳輸的高速化，光纖本身及其相關技術在通信領域中的地位就顯得愈發重要，光纖熔接技術是光纖通信系統實用化的關鍵系統之一。在熔接過程中，精度的對準率和快速的對準時間都是促進光纖通信產業發展的重要環節，其發展促進了信息技術的進一步發展。

隨著光纖通信的迅猛發展，光纖熔接機的使用變得越來越廣泛。光纖熔接機是實現光纖低損耗接續的必備工具，是光學、機械、電氣、計算機等技術相結合的高精密設備。在光纖熔接機的實際應用中，一般是將直徑為0.125mm的兩根裸光纖相熔接，需要通過光纖成像系統將光纖放大，經計算機進行信息處理，控制相關工作機構將兩側裸光纖對準，再控制高壓電弧將光纖熔融并接續在一起。而光纖成像系統是光纖熔接機的眼睛，在整個接續過程中起到至關重要的作用。由于光纖熔接機圖像處理涉及到光纖光學，電子技術及圖像處理等多領域交叉，在進行圖像處理時，必須將處理步驟，光纖特性和處理平臺的實際條件緊密結合。

目前由日新、藤倉、住友等國際公司研發的新概念熔接機在對接精度，熔接時間與效果方面優勢明顯，處于市場的領先地位，但價格昂貴；而國產熔接機光纖纖芯對準精度低、光纖熔接效果不穩定且熔接速度較慢。

技術實現要素：

為了達到上述目的，本發明提供一種光纖熔接機纖芯識別光學及成像系統，解決了現有技術中國產光纖熔接機的光纖纖芯對準精度低、成像質量差、熔接損耗大、熔接速度慢、熔接效果不穩定的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種光纖熔接機纖芯識別光學及成像系統，裸光纖安裝在光纖v型槽上，光源為led的單色光，光角度縮小到50度以內，光源透過準直透鏡、通過反光鏡照射至熔接區的裸光纖；顯微成像系統包括光學鏡頭，光學鏡頭安裝在對應的光纖壓板水平推進座上，光纖壓板水平推進座底部安裝coms板，光學鏡頭與coms板的芯片中心同軸，在coms板與光學鏡頭之間設有一個放大10倍的顯微鏡；在熔接區的裸光纖所在平面內設有相互垂直的x軸和y軸，兩個所述顯微成像系統用于監測x軸和y軸兩個方向；兩個顯微成像系統的coms板分別與計算機連接，計算機分別與步進電機ⅰ、步進電機ⅱ連接，步進電機ⅰ與光纖壓板水平推進座連接，用于將放電針通過光學鏡頭成像的圖像位置微調至coms板的芯片中心；步進電機ⅱ與光纖v型槽的垂直調整機構連接，用于控制裸光纖沿垂直于光學鏡頭光軸的方向調節，將裸光纖的對準中心通過光學鏡頭成像的圖像位置調至coms板的芯片中心。

本發明的特征還在于，進一步的，所述光學鏡頭的指標：標準工作物體距離10.5mm，相距23.4mm，共軛距52mm，采用1/6寸幅面的cmos圖像傳感器，cmos圖像傳感器的型號為byd3710，像元大小1.4μm×1.4μm；光學鏡頭放大倍率4.3±0.2％倍，光學鏡頭的數值孔徑0.3；光學鏡頭分辨率或解像能力為50對線每毫米。

進一步的，所述光學鏡頭與光纖壓板水平推進座外壁通過4個頂絲連接，4個頂絲沿光纖壓板水平推進座外壁的一周均勻分布，通過4個頂絲對光學鏡頭做平行于coms板的4個方向的微調，調節光學鏡頭與coms板芯片中心的同軸度。

進一步的，所述coms板上設有同軸度校正儀。

進一步的，所述led采用的型號為xzm2acr55w-3。

進一步的，所述步進電機ⅰ、步進電機ⅱ采用的型號均為ms1551gb。

進一步的，所述步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的運動量控制方法：由核心控制芯片cpu下發模糊驅動命令，同時不斷通過限位檢測模塊實時采集步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的運動位置，并以步進電機ⅰ的運動位置作為光纖壓板水平推進座模糊運動的終止位置，以步進電機ⅱ的運動位置作為光纖v型槽的垂直調整機構模糊運動的終止位置；利用二次元分析法和逐次逼近法，由核心控制芯片cpu通過串行通信總線模塊下發伺服電機精細運動命令，依據限位檢測模塊實時采集步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的運動位置和通過光學鏡頭成像的圖像位移量計算下一步步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的精確運動量。

本發明的有益效果是：本發明針對國產光纖熔接機，提供一種光纖熔接機纖芯識別光學及成像系統，該光學成像系統包括可識別纖芯的纖芯探測對準系統和高清晰度顯微成像系統；纖芯探測對準系統通過精確控制步進電機ⅰ、步進電機ⅱ，使得放電針的成像在coms板的芯片上的位置與裸光纖的對準中心的成像在coms板的芯片上的位置重合，保證放電針、裸光纖的對準中心、光學鏡頭的光軸三點一線，實現了光纖纖芯對準，極大的提高了光纖熔接的對準精度；高清晰度顯微成像系統選擇led的單色光作為光源，光學鏡頭的光軸與coms板的芯片中心同軸度高，在coms板與光學鏡頭之間設有一個放大10倍的顯微鏡，獲得實際成像尺寸大，細節更豐富的圖像信息，極大的提高了光纖熔接的成像質量；本發明通過提高光纖熔接的對準精度、成像質量，有效提高了熔接效果，降低了熔接損耗。

此外，本發明能精確控制步進電機ⅰ、步進電機ⅱ，快速使得放電針的成像在coms板的芯片上的位置與裸光纖的對準中心的成像在coms板的芯片上的位置重合，保證放電針、裸光纖的對準中心、光學鏡頭的光軸三點一線，避免了因光纖熔接機的結構誤差導致的放電針與裸光纖對準中心的位置不準確，簡化了熔接機裝配調節流程，提高了熔接速度，有效的降低了光纖熔接機的熔接損耗。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是光纖成像的結構示意圖。

圖2是本發明纖芯對準的光學成像系統的結構示意圖。

圖3是led光源照明結構示意圖。

圖4是led光源的光角度曲線。

圖5是光纖圖像的系統彌散斑圖。

圖6是本發明獲得的光纖圖像的mtf效果圖。

圖7是本發明獲得的光纖圖像的波段范圍內的焦點漂移圖。

圖中，1.光源，2.裸光纖，3.顯微鏡，4.背緊圈，5.攝像頭座，6.cmos板，7.反光鏡，8.光學鏡頭。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

設計原理：目前市面上不同的熔接機光學系統均基于以下三種最重要的技術：本地光注入和探測系統、纖芯探測系統和側向投影對準系統。不同于其它兩個系統，纖芯探測系統通過對熔接區光纖圖像進行采集分析獲得三維纖芯高精度位置的評估信息，從而保證獲得最低的熔接損耗。裸光纖的纖芯與包層材質不同，折射率不同，從側面射入光纖的平行光透過光纖后的空間分布將會發生變化，而這種分布隨著光纖的位置的變化而變化，根據檢測到出射光的能量分布情況確定光纖纖芯的準確位置。

裸光纖的直徑為0.125mm，作為傳輸信號的纖芯，其直徑小于0.01mm，如果使用光學鏡頭將裸光纖直接成像到coms板上，其在coms板上的成像尺寸太小，所占像素很少，纖芯所占像素更少，圖像的細節相對較少，給后期計算機對圖像識別及處理帶來很大難度，要實現兩側光纖對準是非常困難的。如圖1所示，在裸光纖2與coms板6之間增加一個放大10倍的顯微鏡3，顯微鏡3起到對圖像進行光學放大的作用，顯微鏡3通過背緊圈4固定在攝像頭座5上，coms板6與攝像頭座5固定連接，光源1發出的光照射到裸光纖2上，通過顯微鏡3將圖像放大投影到coms板6上，這樣裸光纖2的實際成像尺寸將增大，細節更豐富。

光纖熔接機纖芯識別光學及成像系統，如圖2所示，裸光纖2安裝在光纖v型槽上，光源1透過準直透鏡、通過反光鏡7照射熔接區的裸光纖2；顯微成像系統包括光學鏡頭8，光學鏡頭8安裝在對應的光纖壓板水平推進座上，光纖壓板水平推進座底部安裝coms板6，光學鏡頭8與coms板6的芯片中心同軸，在coms板6與光學鏡頭8之間設有一個放大10倍的顯微鏡；在熔接區的裸光纖2所在平面內設有相互垂直的x軸和y軸，兩個所述顯微成像系統用于監測x軸和y軸兩個方向；兩個顯微成像系統的coms板6分別與計算機連接，計算機分別與步進電機ⅰ、步進電機ⅱ連接，步進電機ⅰ與光纖壓板水平推進座連接，用于將放電針通過光學鏡頭8成像的圖像位置微調至coms板6的芯片中心；步進電機ⅱ與光纖v型槽的垂直調整機構連接，用于控制裸光纖2沿垂直于光學鏡頭8光軸的方向調節，將裸光纖2的對準中心通過光學鏡頭8成像的圖像位置調至coms板6的芯片中心。

光源1選擇sunled廠家的xzm2acr55w-3型號帶黃色透鏡的led，如圖3，光源1照射裸光纖2；光源1為單色紅光，光角度縮小到50度以內，光源1的光角度曲線，如圖4所示，光源1邊緣雜光減小、功率較小、圖像底色灰暗，有利于顯示和提高分辨率；再通過準直透鏡均勻照度，使得光源1照射在裸光纖2的纖芯、包層上的照度均勻，且光源1分別照射在纖芯和包層的照度值不同，有利于光纖成像和軟件識別對準。

光學鏡頭8與光纖壓板水平推進座外壁通過4個頂絲連接，4個頂絲沿光纖壓板水平推進座外壁的一周均勻分布，光纖壓板水平推進座底部安裝有coms板6，通過4個頂絲對光學鏡頭8做平行于coms板6的4個方向的微調，通過型號為pxi-500型帶有平行光管的同軸度校正儀校準光學鏡頭8與coms板6的芯片中心同軸，保證光學鏡頭8中心與coms板6的芯片中心同軸度的精度；光學鏡頭8的指標：標準工作物體距離10.5mm，相距23.4mm，共軛距52mm，采用1/6寸幅面的cmos圖像傳感器，cmos圖像傳感器的型號為byd3710，具有高分辨率芯片，像元大小1.4μm×1.4μm；光學鏡頭8放大倍率4.3±0.2％倍，光學鏡頭8的數值孔徑0.3；光學鏡頭8分辨率或解像能力為50對線每毫米，即50個對線分布在1mm寬度上，且該光學鏡頭8重量輕、體積小，有利于整體儀器的小型化。coms圖像傳感器與攝像頭座5固定連接，改進了現有輔助照明系統和光學成像系統，使得熔接機輸出圖像顯示具有高對比度和分辨率，提高光纖熔接的成像質量，提高計算機識別和對準的準確性，從而有效的降低光纖對準誤差，使得熔接機的對準損耗顯著一個數量級，達到0.2mm以內。

步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的型號均為ms1551gb，為日本原裝進口，該型號的步進電機自身帶有50:1的減速比，采用該型號的步進電機的效果主要表現在：第一其在800～900khz的pwm脈沖信號的控制下其扭矩可以達到3牛米，能夠完全滿足系統聚焦成像的機械結構傳動要求；第二由于步進電機自身帶有50:1的減速比，配合力矩傳遞0.3mm的細齒齒輪，能夠實現0.2mm/50圈高進度推進要求；第三因為本發明高進度和高可靠性要求，要求在非通電工作狀態下，步進電機必須要進行鎖止功能，否則因為振動等外界條件導致成像系統不穩定；第四該型號的步進電機采用全鋁合金外殼設計，重量輕，只有25.4克。

步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的運動量控制方法：由核心控制芯片cpu下發模糊驅動命令，同時不斷通過限位檢測模塊實時采集步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的運動位置，并以步進電機ⅰ的運動位置作為推進底座模糊運動的終止位置，以步進電機ⅱ的運動位置作為光纖支撐臺模糊運動的終止位置；利用二次元分析法和逐次逼近法，由核心控制芯片cpu通過串行通信總線模塊下發伺服電機精細運動命令，依據限位檢測模塊實時采集步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的運動位置和通過光學鏡頭8成像的圖像位移量計算下一步步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的精確運動量。提高步進電機ⅰ、步進電機ⅱ的控制精度，進而進一步提高光纖熔接的對準精度；

本發明光纖熔接機纖芯識別光學及成像系統的實現方法：裸光纖2安裝在光纖v型槽上，光源1通過反光鏡7照射熔接區的裸光纖2，兩個顯微成像系統監測x軸和y軸兩個方向，是為了保證成像系統在x軸和y軸兩個方向上實現精確的裸光纖對準，以便使光纖能實現精確的熔接，同時熔接完成的成像效果也能同時實現單軸和雙軸成像和顯示，以驗證裸光纖的熔接結果是否達到本次施工要求；兩個顯微成像系統的coms板6分別與計算機連接，計算機對所得圖像信息進行處理、分析，計算機分別與步進電機ⅰ、步進電機ⅱ連接，步進電機ⅰ與光纖壓板水平推進座連接，計算機利用步進電機ⅰ移動推進水平光纖壓板推進座，將放電針通過光學鏡頭8成像的圖像位置微調至coms板6的芯片中心后，coms板6、放電針均保持不動；步進電機ⅱ與光纖v型槽垂直調整機構連接，計算機利用步進電機ⅱ控制裸光纖2沿垂直于光學鏡頭8光軸的方向調節，保證裸光纖2的對準中心通過光學鏡頭8成像的圖像位置位于coms板6的芯片中心，使得放電針、裸光纖2的對準中心分別在coms板6的芯片上成像的位置重合，保證放電針、裸光纖2的對準中心、光學鏡頭8的光軸三點一線，實現了光纖纖芯對準，極大的提高了光纖熔接的對準精度；至此，光纖熔接機纖芯對準完成。

纖芯對準完成后，關閉步進電機ⅰ、步進電機ⅱ，將光纖壓板水平推進座、光纖v型槽垂直調整機構固定在同一基準面上的鎂合金基板上，同一基準面上的鎂合金基板用來固定光纖水平推進座運動，光纖v型槽垂直調整機構的基板總成，保證水平和垂直調整機構的運動在同一基準面上；運動放電針放電，準確熔接裸光纖2的對準中心，并在coms板6上實時獲得高質量的光纖熔接區圖像，計算機對所得光纖熔接區圖像信息進行分析，能夠得到反映光纖熔接端三維形態的評估指標。

利用本發明得到的光纖熔接區圖像，如圖6所示，光學評價函數曲線圖mtf在50lp/mm時所有視場的mtf值接近衍射極限，說明該光學系統像差小；如圖7所示，該光學系統相對照度的曲線比較平緩，照度均勻；如圖5所示，在理想狀態ima(數值孔徑)為0的情況下，聚焦能量密度最為集中，當ima為0.156mm時，聚焦能量密度較為集中，而ima大于0.156mm(如ima0.313mm)時，成像系統基本失敗，而本發明設計的成像系統的ima僅為0.125mm，小于0.156mm，也即為一個光纖的纖芯寬度，為此成像系統成像能量非常集中，成像質量非常好，接近理想成像效果。經過反復計算和優化，得到符合要求的設計結果。

由于加工誤差的客觀存在，要保證每臺光纖熔接機中裸光纖2與光學鏡頭8的空間相對位置一致是非常困難的，而要保證裝配后的位置一致幾乎是不可能的，每臺光纖熔接機中裸光纖2的位置各不相同，為了達到最佳的成像效果，雖然成像系統位置不可調整，但是通過步進電機i和步進電機ii能夠控制裸光纖2沿垂直于光學顯微鏡光軸的方向由軟件控制進行自動聚焦和成像系統微調節以提高成像系統的結構適應性，從而達到提高產品一致性和穩定性目的。

此外，本發明研究了新的圖像處理方法，計算機處理圖像的方法：優化cmos圖像傳感器的圖像采集，對圖像進行銳化處理，優化圖像對比度和白平衡，圖像暫存內存管理由原來單口ram優化為雙口乒乓ram，極大提升光學成像系統的成像效果和穩定性；另外對光功率探測對準法進行了實驗探究，以達到提高國產光纖熔接機的光纖對準精度、成像質量，減小熔接損耗，擴大產品在國內國外市場占有率的目的。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍內。