專(zhuān)利名稱(chēng)：聚合物光纖在線(xiàn)測(cè)徑儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物光纖測(cè)試領(lǐng)域，特別是涉及聚合物光纖芯徑在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)。
背景技術(shù)：
聚合物光纖與石英光纖相比具有重量輕、韌性好、接口容易及成本低等優(yōu)點(diǎn)，它將是短距離局域網(wǎng)絡(luò)中最實(shí)用的傳輸介質(zhì)之一。聚合物光纖芯徑的均勻性是其傳輸質(zhì)量的可靠保證。在用聚合物光纖拉絲機(jī)拉制光纖的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)聚合物光纖芯徑進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)來(lái)達(dá)到對(duì)光纖芯徑的閉環(huán)控制。因此，在制備聚合物光纖過(guò)程中對(duì)其芯徑進(jìn)行檢測(cè)和控制是很重要的。
據(jù)中國(guó)《電子技術(shù)應(yīng)用》(2，1999，56-57)和中國(guó)《電子技術(shù)應(yīng)用》(10，1999，29-31)指出，高分辨率的CCD，也稱(chēng)電荷耦合器，配以合適的光學(xué)系統(tǒng)可獲得很高的空間分辨率，被廣泛地應(yīng)用于高精度非接觸測(cè)量中。長(zhǎng)度測(cè)量中一般選用線(xiàn)陣CCD。常用方法有激光掃描法，激光投影成像法，衍射法等。激光掃描法裝置較復(fù)雜，適合于大尺寸不透明物體尺寸測(cè)量，激光投影成像法、衍射法適合于小尺寸不透明物體尺寸測(cè)量。常規(guī)測(cè)量方法對(duì)1mm左右直徑透明的聚合物光纖有較強(qiáng)的直邊衍射效應(yīng)和柱透鏡效應(yīng)，影響光纖芯徑的測(cè)量精度。
技術(shù)內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種能實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)聚合物光纖芯徑的檢測(cè)儀器。
這種聚合物光纖在線(xiàn)測(cè)徑儀，其特征在于由白熾燈穩(wěn)壓電源(1)、白熾燈光源(2)、凹面反射鏡(3)、可調(diào)小孔(4)、連續(xù)可調(diào)的衰減片(5)、聚合物光纖(6)、消象差成像透鏡或擴(kuò)束鏡(7)、高精度線(xiàn)陣CCD(8)、CCD驅(qū)動(dòng)器和高速數(shù)據(jù)采集卡(9)、PC數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)(10)、高精度可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌(11)，各自分別安裝在可微調(diào)的調(diào)整架上，依次安裝在可調(diào)導(dǎo)軌上組成以透鏡為中心，光源放在距離透鏡4-6倍焦距，小孔距離白熾燈2-4cm，衰減片距離透鏡3-4倍焦距，聚合物光纖和CCD分別位于透鏡的兩側(cè)，聚合物光纖距離透鏡一倍至兩倍焦距范圍，CCD位于光纖經(jīng)過(guò)透鏡成像的像面前后2-4cm；各器件的中心及待測(cè)聚合物光纖中心調(diào)節(jié)到一條水平線(xiàn)上，白熾燈置于導(dǎo)軌的一端，白熾燈中心置于凹面反射鏡的焦點(diǎn)上；各器件封裝在機(jī)箱內(nèi)，光纖通過(guò)機(jī)箱側(cè)面的孔導(dǎo)入，使光纖與光路保持垂直；白熾燈穩(wěn)壓電源連接到白熾燈上，CCD連接到CCD驅(qū)動(dòng)器和A/D轉(zhuǎn)換卡，A/D轉(zhuǎn)換卡連接到計(jì)算機(jī)。
本實(shí)用新型聚合物光纖在線(xiàn)測(cè)徑儀主要基于如下原理當(dāng)CCD工作在線(xiàn)性工作范圍內(nèi)，CCD是線(xiàn)性空間不變系統(tǒng)，即滿(mǎn)足下列線(xiàn)性關(guān)系V(x)＝kE(x) (1)V(x)是線(xiàn)陣CCD的第x像元輸出的電壓，E(x)是線(xiàn)陣CCD的第x像元的曝光量。對(duì)于特定的CCD，K是常數(shù)，與像元位置及曝光量無(wú)關(guān)。在CCD線(xiàn)性區(qū)范圍內(nèi)，光通量與輸出電壓值成線(xiàn)性關(guān)系，在此范圍內(nèi)，光纖尺寸d與象的尺寸d之間成線(xiàn)性關(guān)系 N為象元個(gè)數(shù)，m為象元的尺寸，β為透鏡的放大倍數(shù)。
測(cè)量時(shí)，使光纖、透鏡、CCD的距離一定，則光纖的芯徑d和光纖像的寬度d間的比例系數(shù)β即可確定下來(lái)。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采集的光纖像寬與光纖投影覆蓋的像元個(gè)數(shù)成比例，CCD的像元尺寸m是確定的，通過(guò)數(shù)據(jù)采集得到的光纖像所占像元數(shù)目，通過(guò)(2)式可計(jì)算出光纖芯徑大小。當(dāng)打開(kāi)白熾燈后，調(diào)節(jié)小孔大小，調(diào)節(jié)衰減片衰減程度，使合適的光通量照射到光纖上，經(jīng)過(guò)透鏡投影成像在CCD上，使CCD工作在線(xiàn)性工作范圍，滿(mǎn)足上述關(guān)系式(1)。由于白光相干性差、方向性不好，因此能解決激光投影成像法、衍射法對(duì)1mm左右直徑的聚合物光纖有較強(qiáng)的衍射效應(yīng)和柱透鏡效應(yīng)影響光纖芯徑的測(cè)量精度的問(wèn)題。采用白光照明投影成像CCD檢測(cè)聚合物光纖，通過(guò)調(diào)節(jié)光強(qiáng)和積分時(shí)間并調(diào)節(jié)CCD、透鏡和光纖間的相對(duì)距離來(lái)降低柱透鏡效應(yīng)的影響并提高成像質(zhì)量。在一定的范圍內(nèi)，即在距離光纖像面前后2-4cm范圍內(nèi)移動(dòng)CCD，從而調(diào)節(jié)CCD的位置達(dá)到確定光纖成像的放大倍數(shù)。CCD響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換卡變換速率都是很高的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖芯徑的實(shí)時(shí)檢測(cè)，以便將所測(cè)芯徑反饋給控制系統(tǒng)，從而達(dá)到閉環(huán)控制、精確控制拉絲均勻性的目的，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制聚合物光纖的芯徑提供條件。
本實(shí)用新型聚合物光纖芯徑在線(xiàn)測(cè)徑儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作簡(jiǎn)便，其主要優(yōu)點(diǎn)是1、由于采用白光照明取代激光照明，減少了聚合物光纖因?yàn)橥该餍詭?lái)的柱透鏡效應(yīng)；2、可根據(jù)光纖的粗細(xì)、透明性及光源的光強(qiáng)調(diào)節(jié)CCD、光纖和透鏡的相對(duì)位置從而達(dá)到對(duì)柱透鏡效應(yīng)的有效濾除作用，并同時(shí)調(diào)節(jié)光纖的放大倍數(shù)；3、由光通量決定CCD輸出電壓值，光通量過(guò)大即導(dǎo)致進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)[見(jiàn)式(1)]；光通量又決定于積分時(shí)間和光強(qiáng)，而光強(qiáng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)小孔和連續(xù)衰減片方便地調(diào)節(jié)；4、對(duì)于不同芯徑的聚合物光纖可以找到最佳積分時(shí)間，對(duì)應(yīng)最佳積分時(shí)間的光纖的像一般比較清晰穩(wěn)定。


附圖1是聚合物光纖在線(xiàn)測(cè)徑儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如附圖1給出的聚合物光纖在線(xiàn)測(cè)徑儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖所示，本實(shí)用新型聚合物光纖在線(xiàn)測(cè)徑儀由白熾燈穩(wěn)壓電源(1)、白熾燈光源(2)、凹面反射鏡(3)、可調(diào)小孔(4)、連續(xù)可調(diào)的衰減片(5)、聚合物光纖(6)、消象差成像透鏡或擴(kuò)束透鏡組(7)、高精度線(xiàn)陣CCD(8)、CCD驅(qū)動(dòng)器和高速數(shù)據(jù)采集卡(9)、PC數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)(10)、高精度可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌(11)組成，所有的器件依次安裝在位置可調(diào)的導(dǎo)軌上，可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌(11)縱向微調(diào)尺寸約1mm，封裝在機(jī)箱內(nèi)，光纖通過(guò)機(jī)箱上的直徑約2mm的圓孔導(dǎo)入，光纖與光路保持垂直。白熾燈穩(wěn)壓電源連接到白熾燈上，白熾燈外帶凹面反射鏡，前有可調(diào)小孔，小孔前有連續(xù)可調(diào)的衰減片，聚合物光纖放在衰減片后，成像透鏡或擴(kuò)束透鏡組置于光纖后，像元尺寸≤14μm的高精度線(xiàn)陣CCD置成像透鏡后，CCD連接到CCD驅(qū)動(dòng)器和數(shù)據(jù)采集卡上，數(shù)據(jù)采集卡連接到計(jì)算機(jī)上。各分立器件，即白熾燈光源(2)、凹面反射鏡(3)、可調(diào)小孔(4)、連續(xù)可調(diào)的衰減片(5)、消象差成像透鏡或擴(kuò)束鏡(7)、高精度線(xiàn)陣CCD(8)，各自分別安裝在可微調(diào)的調(diào)整架上(本實(shí)施例采用上海聯(lián)誼光纖激光器械廠(chǎng)生產(chǎn)的AOM光學(xué)、AFM光纖調(diào)整架系列)。各器件的中心及待測(cè)聚合物光纖中心調(diào)節(jié)到一條水平線(xiàn)上。白熾燈置于導(dǎo)軌的一端，白熾燈中心置于凹面反射鏡的焦點(diǎn)上，以透鏡焦距為5cm為例，可調(diào)小孔離白熾燈約2cm，衰減片離小孔約2cm，小孔距離透鏡約15cm，聚合物光纖置于衰減片和透鏡之間，聚合物光纖離透鏡在一倍至兩倍的焦距范圍變化，近似放置在成像系統(tǒng)的入射光瞳位置，CCD離透鏡距離變化范圍為光纖像面前后2-4cm。CCD放在光纖經(jīng)透鏡所成像的像面附近，離透鏡為兩倍焦距以外，整個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)足準(zhǔn)成像關(guān)系，不需要準(zhǔn)確地放在所成像的像面上，在像面上柱透鏡效應(yīng)很強(qiáng)。其中白熾燈穩(wěn)壓電源、白熾燈光源、凹面反射鏡、可調(diào)小孔、可調(diào)衰減片、聚合物光纖構(gòu)成照明成像系統(tǒng)，CCD、CCD驅(qū)動(dòng)器和A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。穩(wěn)壓電源(1)使白熾燈發(fā)光光強(qiáng)穩(wěn)定，白熾燈(2)發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過(guò)凹面反射鏡(3)收集，經(jīng)過(guò)大小可調(diào)的小孔(4)，再經(jīng)過(guò)連續(xù)的衰減片(5)衰減后照射在聚合物光纖(6)上，聚合物光纖經(jīng)過(guò)成像透鏡(7)放大投影成像在CCD(8)的光敏面上，其中CCD離透鏡的距離可調(diào)，隨照明系統(tǒng)的光通量及聚合物光纖粗細(xì)變化可以相應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，CCD可以在光纖的像面的位置附近移動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)小孔大小、衰減片衰減程度、CCD積分時(shí)間，及CCD、光纖與透鏡的相對(duì)位置，可以調(diào)節(jié)入射到CCD光敏面上的光通量，從而得到較好的光纖的像。CCD把投射其上的反應(yīng)光纖像的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡(9)將其轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)處理并顯示。數(shù)據(jù)采集卡接收CCD采集的聚合物光纖像的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)(10)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理并顯示。采用的CCD的輸出信號(hào)的重復(fù)頻率為500kHz，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率高于500kHz。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)后，CCD光敏面上的空間上光強(qiáng)信息就由時(shí)間域變換為計(jì)算機(jī)內(nèi)存中廣義空間域，這和檢測(cè)對(duì)象的空間位置建立了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。光源采用1-3W的光強(qiáng)可調(diào)的白熾燈，穩(wěn)壓電源采用額定功率是3W可微調(diào)的穩(wěn)壓電源，小孔可以選擇孔徑0.1-1cm范圍的小孔，連續(xù)可調(diào)衰減片可采用偏振衰減片或吸收型衰減片，待測(cè)聚合物光纖的芯徑一般在1mm左右，CCD可采用EG&G公司生產(chǎn)的型號(hào)為RL20482AG型線(xiàn)陣CCD，CCD驅(qū)動(dòng)器采用型號(hào)DS0026驅(qū)動(dòng)器，高速數(shù)據(jù)采集卡可采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAZ120型A/D轉(zhuǎn)換器為核心的數(shù)據(jù)采集卡。所構(gòu)成的聚合物光纖在線(xiàn)檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物光纖的在線(xiàn)檢測(cè)。
測(cè)量時(shí)，可通過(guò)下列這四種方法減少柱透鏡效應(yīng)并提高像的質(zhì)量1、用白光作光源。柱透鏡效應(yīng)的影響主要通過(guò)白光取代傳統(tǒng)的激光作成像光源減少。白光照射在聚合物光纖上，因入射角向各個(gè)方向，經(jīng)過(guò)透明聚合物光纖及透鏡的折射后，部分偏離出CCD的接收范圍，這樣減弱了柱透鏡效應(yīng)的影響。
2、通過(guò)調(diào)節(jié)CCD積分時(shí)間調(diào)節(jié)光通量。通過(guò)調(diào)節(jié)光強(qiáng)和積分時(shí)間調(diào)節(jié)光通量，光強(qiáng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)小孔大小和連續(xù)衰減片衰減程度調(diào)節(jié)。在光強(qiáng)一定的情況下，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)積分時(shí)間變化，CCD輸出的信號(hào)強(qiáng)度也發(fā)生變化。在照射到CCD光敏面上的光強(qiáng)一定的情況下，不同直徑的聚合物光纖對(duì)應(yīng)一最佳積分時(shí)間。通過(guò)軟件調(diào)節(jié)可以找到最佳積分時(shí)間，步驟如下(1)確定飽和信號(hào)幅度。在保持光強(qiáng)不變的情況下，改變積分時(shí)間，直到輸出圖像上邊界幅值達(dá)到最高(飽和)，即為飽和信號(hào)。(2)確定臨界飽和積分時(shí)間，即最佳積分時(shí)間。選取積分時(shí)間使輸出信號(hào)強(qiáng)度峰值趨近飽和幅值。對(duì)應(yīng)最佳積分時(shí)間的光纖的像一般比較清晰穩(wěn)定。
3、采集處理系統(tǒng)中主要采取兩種方法提高圖像處理的精度，一是電路方法，即在電路上采用選取閾值電平方法，將所測(cè)的信號(hào)送往比較器的同相端，用一個(gè)電平作為閾值送到該比較器反相端進(jìn)行二值化。閾值電平的選取隨環(huán)境、光源、積分時(shí)間的變化而變化，閾值電平的確定可使得輸出圖象更規(guī)則，提高測(cè)量準(zhǔn)確度；另一是軟件方法，即軟件上采用合適的邊界處理的算法，尋找擋光物的左邊界與右邊界在像的左邊界附近，由軟件從右向左搜索，搜索到第一個(gè)最小點(diǎn)，再繼續(xù)搜索到邊界附近的幅值最大點(diǎn)，兩點(diǎn)橫坐標(biāo)取平均，即是要確定的左邊界點(diǎn)。同理可確定右邊界點(diǎn)。兩邊界的差值即是待測(cè)的光纖像的寬度。
4、通過(guò)在可調(diào)導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)CCD、光纖和透鏡之間的相對(duì)距離改變?nèi)肷涞紺CD上的光通量，CCD一般可放在離光纖幾何像面的前后2厘米的位置處。根據(jù)光纖的粗細(xì)、透明性及光源的光強(qiáng)調(diào)節(jié)CCD、光纖和透鏡的相對(duì)位置，并同時(shí)調(diào)節(jié)光纖像的放大倍數(shù)。CCD的位置確定后，光纖在CCD上的實(shí)際放大倍數(shù)通過(guò)多次測(cè)量不同粗細(xì)的聚合物光纖芯徑，比較像尺寸和光纖實(shí)際尺寸的關(guān)系確定放大倍數(shù)，達(dá)到對(duì)測(cè)徑儀的定標(biāo)。放大倍數(shù)確定后，各器件的位置保持不變，用螺絲固定，封裝在機(jī)箱內(nèi)。由數(shù)據(jù)采集得到的光纖像元多少，確定的光纖像的放大倍數(shù)，即可通過(guò)公式(2)求出光纖尺寸。
權(quán)利要求1.一種聚合物光纖在線(xiàn)測(cè)徑儀，其特征在于由白熾燈穩(wěn)壓電源(1)、白熾燈光源(2)、凹面反射鏡(3)、可調(diào)小孔(4)、連續(xù)可調(diào)的衰減片(5)、聚合物光纖(6)、消象差成像透鏡或擴(kuò)束鏡(7)、高精度線(xiàn)陣CCD(8)、CCD驅(qū)動(dòng)器和高速數(shù)據(jù)采集卡(9)、PC數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)(10)、高精度可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌(11)，各自分別安裝在可微調(diào)的調(diào)整架上，依次安裝在可調(diào)導(dǎo)軌上組成以透鏡為中心，光源放在距離透鏡4-6倍焦距，小孔距離白熾燈2-4cm，衰減片距離透鏡3-4倍焦距，聚合物光纖和CCD分別位于透鏡的兩側(cè)，滿(mǎn)足準(zhǔn)成像關(guān)系；各器件的中心及待測(cè)聚合物光纖中心調(diào)節(jié)到一條水平線(xiàn)上，白熾燈置于導(dǎo)軌的一端，白熾燈中心置于凹面反射鏡的焦點(diǎn)上；各器件封裝在機(jī)箱內(nèi)，光纖通過(guò)機(jī)箱側(cè)面的孔導(dǎo)入，使光纖與光路保持垂直；白熾燈穩(wěn)壓電源連接到白熾燈上，CCD連接到CCD驅(qū)動(dòng)器和A/D轉(zhuǎn)換卡，A/D轉(zhuǎn)換卡連接到計(jì)算機(jī)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型聚合物光纖在線(xiàn)測(cè)徑儀，特征是由穩(wěn)壓電源、白熾燈光源、凹面反射鏡、可調(diào)小孔、衰減片、聚合物光纖、消象差成像透鏡或擴(kuò)束鏡、高精度線(xiàn)陣CCD及驅(qū)動(dòng)器、高速數(shù)據(jù)采集卡、PC數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，分別裝在調(diào)整架上，依次安裝在可調(diào)導(dǎo)軌上組成光源距透鏡4－6倍焦距，小孔距白熾燈2－4cm，衰減片距透鏡3－4倍焦距，聚合物光纖和CCD分別位于透鏡兩側(cè)，滿(mǎn)足準(zhǔn)成像關(guān)系；光纖從機(jī)箱側(cè)面的孔導(dǎo)入，與光路保持垂直；各器件的中心及待測(cè)聚合物光纖中心調(diào)節(jié)到一條水平線(xiàn)上；CCD連接到驅(qū)動(dòng)器和A/D轉(zhuǎn)換卡再連接到計(jì)算機(jī)。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖芯徑的實(shí)時(shí)檢測(cè)，為閉環(huán)控制聚合物光纖的芯徑提供條件。
文檔編號(hào)G01B11/08GK2575604SQ0225761
公開(kāi)日2003年9月24日 申請(qǐng)日期2002年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月29日
發(fā)明者許興勝, 謝建平, 馬輝, 明海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)