一種保偏光纖側(cè)視成像定軸方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種保偏光纖側(cè)視成像定軸方法及裝置，屬于光纖通信和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]—般的軸對稱單模光纖，可以同時傳輸兩個線偏振正交模式或兩個圓偏振正交模式，若光纖是完全的軸對稱形式(幾何形狀為理想圓，折射率分布均勻)，這兩個正交模式在光纖中將以相同的速度向前傳播，因而在傳播過程中偏振態(tài)不變。實際的光纖由于多少同時存在著非軸對稱性和彎曲，因而兩正交模式在傳播過程中會發(fā)生耦合，其結(jié)果是使光波的偏振態(tài)在傳播過程中發(fā)生變化。為此發(fā)展了能維持光波偏振態(tài)的偏振保持光纖，即保偏光纖。由于保偏光纖對線偏振光具有較強的偏振保持能力，并且與普通單模光纖有良好的相容性而在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中得到了越來越廣泛應(yīng)用。
[0003]目前應(yīng)用最多的是應(yīng)力雙折射保偏光纖，按幾何結(jié)構(gòu)來分主要有:熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓包層型，如圖1所示。保偏光纖的纖芯受到兩個應(yīng)力一一沿X軸的外拉力和Y軸的壓應(yīng)力，因此在纖芯中產(chǎn)生了較高的應(yīng)力雙折射，形成了兩個互相正交的主軸。正是由于自身所具有的這種高雙折射，使兩正交軸方向上偏振模的相位常數(shù)差很大，不易產(chǎn)生耦合，淹沒了外部的干擾，從而保偏光纖可以在兩個主軸上輸出線偏振光保持其線偏振狀態(tài)。
[0004]只有沿偏振軸方向注入線偏振光時，保偏光纖才會產(chǎn)生保偏作用。因此，如何精確地確定保偏光纖偏振軸方位角方是當前面臨的重要課題之一，也是保偏光纖應(yīng)用的前提。
[0005]當平行光從側(cè)面照射熊貓型保偏光纖后，因保偏光纖的透鏡效應(yīng)而在光纖后的觀測平面上得到可測量的光強分布。由于應(yīng)力區(qū)和纖芯的內(nèi)部折射率不同，而且應(yīng)力區(qū)是旋轉(zhuǎn)不對稱的，因此保偏光纖旋轉(zhuǎn)時，光強分布隨保偏光纖偏振軸方位角的不同而不同?？梢詮墓鈴姺植贾刑崛〕龇磻?yīng)偏振軸方位角位置的信息從而確定偏振軸方位角。利用此種原理的定軸技術(shù)稱作側(cè)視成像定軸技術(shù)，相對于其他定軸技術(shù)具有簡單可行，精度較高的優(yōu)點，是現(xiàn)在光纖定軸的主要技術(shù)。
[0006]該技術(shù)以愛立信公司的POL技術(shù)和藤倉公司的PAS技術(shù)為主要代表。在POL定軸技術(shù)基礎(chǔ)上又發(fā)展起了五點特征值、五指型光強分布等定軸方法。對于POL定軸方法以光纖后光強分布中心光強值為特征點，光纖旋轉(zhuǎn)一周利用特征點繪制出POL曲線，然后通過計算原始POL曲線和標準POL曲線之間的相關(guān)系數(shù)完成定軸，主要缺點是需要對每種類型光纖構(gòu)建標準曲線，降低了技術(shù)通用性。PAS定軸技術(shù)通過對比光強形貌完成定軸，主要缺點是只適用于特定類型光纖。五點、五指型光強分布定軸法基本原理與POL定軸方法相同，只是特征點提取方式不一樣，其主要缺點是滿足要求的光強分布范圍較窄，需要不斷調(diào)整成像透鏡位置直至采集到滿足要求的圖像。
[0007]本發(fā)明所述保偏光纖的定軸方法不需要構(gòu)建標準曲線，對透鏡安放位置要求沒那么嚴格，具有通用性強、速度快等優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]基于側(cè)視成像的定軸技術(shù)有多種，其中POL定軸技術(shù)因其簡單可行、可靠性高從而得到快速發(fā)展，并成功應(yīng)用到保偏光纖熔接機中。圖2為POL定軸技術(shù)的原理圖，利用平行光照射保偏光纖，由于光纖具有透鏡效應(yīng)從而對平行光起到匯聚左右，可以在光纖后得到利用CCD測量的光強分布。此外，因保偏光纖內(nèi)部各部分折射率不同、結(jié)構(gòu)不對稱，光纖旋轉(zhuǎn)時光強分布會發(fā)生變化，可從變化的光強分布中提取出偏振軸位置信息。
[0009]光強分布中心位置處光強值具有最大對比度，光纖旋轉(zhuǎn)一周利用中心光強值繪制出反應(yīng)偏振軸方位角的POL曲線。利用保偏光纖的結(jié)構(gòu)對稱性，用傅里葉擬合方法處理POL曲線以消除圖像采集時噪聲以及光纖旋轉(zhuǎn)過程中離軸等帶來的測量誤差。POL曲線經(jīng)擬合后，進一步處理可以得到偏振軸方位角為0°的標準POL曲線，然后以一定的步長改變POL標準曲線的相位角依次與原始POL曲線做互相關(guān)，互相關(guān)系數(shù)最大時的標準曲線相位角即是偏振軸方位角。利用POL技術(shù)定軸時需要對每一種光纖構(gòu)建標準曲線，這降低了該技術(shù)的通用性，此外定軸時還需在原始POL曲線和標準POL曲線之間進行大量的互相關(guān)運算，數(shù)據(jù)處理量較大，一定程度上影響了定軸速度。保偏光纖廣泛應(yīng)用于光纖陀螺等精密光學(xué)儀器中，偏振軸檢測是保偏光纖應(yīng)用的前提，側(cè)視成像定軸技術(shù)是保偏光纖偏振軸檢測的主要技術(shù)方案，但尚存在一些問題。本發(fā)明基于側(cè)視成像定軸原理，旨在克服現(xiàn)有技術(shù)在通用性和速度方面的不足，提供一種基于特征曲線自身對稱性的定軸方法及其裝置，實現(xiàn)保偏光纖的精確定軸。
[0010]1、本發(fā)明一種保偏光纖側(cè)視成像定軸裝置，其整體結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，它主要由光路部分、旋轉(zhuǎn)控制部分和定軸程序三部分構(gòu)成。三者之間的位置連接關(guān)系是:兩路垂直安放的光路和旋轉(zhuǎn)控制部分固定在同一機械平臺上，然后通過RS232接口連接旋轉(zhuǎn)控制部分和上位機(定軸程序)、通過PCI總線連線光路和上位機(定軸程序)。
[0011]所述光路部分主要實現(xiàn)定軸過程中光纖圖像的實時采集和顯示，原理圖如圖4所示。本裝置采用垂直安放的雙光路方案，核心器件是鏡頭和電荷耦合器件CCD。該鏡頭是:大恒GC02102 ;該電荷耦合器件C⑶是:大恒PNT 602H ;該光源是:綠色LED平行光源。為保證成像質(zhì)量，光路中加裝了鏡頭位置調(diào)整裝置以便調(diào)整鏡頭位置得到最清晰的光纖成像。此外，電荷耦合器件CCD靶面應(yīng)當與平行光方向垂直，電荷耦合器件CCD和鏡頭尺寸應(yīng)該匹配。
[0012]所述旋轉(zhuǎn)控制部分利用步進電機實現(xiàn)光纖的旋轉(zhuǎn)，為保證光纖旋轉(zhuǎn)時不發(fā)生明顯離軸，本裝置采用V型槽加真空吸附的方式固定光纖，為防止步進電機因急停而產(chǎn)生振蕩、失步現(xiàn)象，采取光纖旋轉(zhuǎn)和圖像采集并行而不是單步采集方案，即給步進電機發(fā)出旋轉(zhuǎn)一周指令后同時開始圖像采集，電機中間不停車直至旋轉(zhuǎn)完一周。定軸程序控制圖像采集、處理以及步進電機的運動。
[0013]所述定軸程序利用VS2010+QT編寫，主要實現(xiàn)圖像采集、處理，控制步進電機旋轉(zhuǎn)，計算偏振軸角度等功能。此外，該程序能實時顯示定軸過程中的光纖圖像，能控制光纖以不同的角度間隔正反轉(zhuǎn)一周。
[0014]其中，本發(fā)明的圖像處理、數(shù)據(jù)計算以及步進電機控制程序都是由計算機完成的，可以使用嵌入式微處理器代替計算機完成同樣的功能。
[0015]其中，本發(fā)明使用雙光路成像系統(tǒng)以減少定軸誤差，但也可以使用單光路系統(tǒng)替代本發(fā)明光路。
[0016]其中，本發(fā)明使用V型槽加真空吸附方式固定光纖以保證光纖同軸旋轉(zhuǎn)，可以使用壓片式夾具代替本發(fā)明所用裝置來固定光纖。驅(qū)動光纖旋轉(zhuǎn)的為步進電機也可以改為更精密的壓電陶瓷馬達等驅(qū)動光纖。
[0017]2、一種保偏光纖側(cè)視成像定軸方法，該方法具體步驟如下:
[0018]步驟一:設(shè)置好光源、鏡頭和電荷耦合器件CCD的位置，將光纖固定到夾具上后，調(diào)整透鏡位置使光纖成像清晰。然后上位機發(fā)出定軸指令，步進電機開始驅(qū)動光纖旋轉(zhuǎn)、兩路光路開始采集圖像，計算機對電荷耦合器件CCD采集到的圖像進行處理得到光纖成像中心處的灰度值。
[0019]步驟二:當光纖旋轉(zhuǎn)一周后利用灰度值繪制出特征曲線Ρ( Θ )，如圖6所示，然后對特征曲線進行傅里葉擬合得到擬合后的特征曲線P1 ( Θ )，如圖7所示。
[0020]步驟三:根據(jù)保偏光纖結(jié)構(gòu)特點可知，光纖從偏振軸方位角為0° (應(yīng)力區(qū)連線方向)或者90° (應(yīng)力區(qū)連線垂直方向)時開始旋轉(zhuǎn)，特征曲線前后兩部分(圖7A，B兩部分)應(yīng)嚴格對稱?？梢岳眠@兩部分曲線的相關(guān)性衡量其對稱程度，相關(guān)系數(shù)越大說明對稱度越高。
[0021]步驟四:在±90°范圍內(nèi)以0.1°的步長改變擬合后特征曲線P1(Q)的相位角Θ，依次計算前后兩部分相關(guān)系數(shù)，當相關(guān)系數(shù)最大時相位角Θ = θη則可認為此時偏振方位角為-θ η或者90- θ η，為進一步確定偏振軸方位角為哪一個值需要提前仿真分析常見保偏光纖偏振軸在0°和90°時的光強大小關(guān)系，根據(jù)該大小關(guān)系即可得到偏振軸位置。假設(shè)兩套光路計算出的偏振軸方位角分別為Θ^Ρ Θ 2，則最終檢測到的偏振軸方位角為(θ1+θ2)/2。利用該定軸方法理論上可以達到優(yōu)于0.5°的定軸精度。
[0022]3、優(yōu)點及功效:本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果是
[0023]1.本發(fā)明直接利用特征曲線對稱性完成定軸，不需要構(gòu)建標準曲線，減少了計算量，可以在一定程度上提升定軸速度而且解決了不同型號光纖標準曲線不通用的問題。
[0024]2.POL曲線對稱性對角度變化非常敏感，理論上能夠分辨出0.2度的方位角變化，因此提升了定軸精度，這對提升光學(xué)儀器的性能具有重要意義