沈亞強, 萬 旭, 彭保進, 金洪震

(1.浙江師范大學 職業(yè)技術學院,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院，浙江 金華 321004)

基于數(shù)字全息顯微術的光纖連接器端面形貌檢測技術*

沈亞強1, 萬 旭1, 彭保進2, 金洪震2

(1.浙江師范大學 職業(yè)技術學院,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院，浙江 金華 321004)

根據(jù)光纖連接器端面檢測的要求，設計了運用數(shù)字全息顯微術測量光纖連接器端面檢測的光學系統(tǒng)和相應的再現(xiàn)方法.實驗表明:該方法獲得的結果清晰，可對光纖連接器端面的幾何參數(shù)(如端面半徑、球面頂點偏芯度和纖芯高度等)進行檢測，同時可以重構端面的三維形貌.

光纖連接器;端面檢測;圖像處理;數(shù)字全息顯微術;三維形貌

0 引 言

光纖連接器端面面型的幾何參數(shù)，如纖芯中心坐標、球面頂點偏移、表面凹凸不平、纖芯的高度、端面傾斜角等，是影響光纖連接器性能的主要因素[1-5].傳統(tǒng)的測量光纖連接器端面的方法是顯微成像法，但這種方法測量精度不高[1].干涉法測量比顯微成像法測量的精度要高.在干涉法檢測中，牛頓環(huán)干涉法檢測是通常被采用的方法.牛頓環(huán)干涉法檢測系統(tǒng)結構簡單，使用方便，但它是一種接觸性測量,容易造成結構元件的損傷，以及被測件表面的損傷和污染.由于成品的光纖連接器光纖端面是采用FC/PC(或SC/PC、ST/PC)封裝的，這也給光纖端面直接測量帶來困難.因此，光纖連接器光纖端面形貌的測量，更好的檢測技術手段要求采用非接觸法測量.

數(shù)字全息術具有非破壞性、非侵入性、非接觸性和全場性等優(yōu)點[2]，已廣泛應用于形變測量、形貌分析、顯微成像、信息加密等技術領域[3-7].利用CCD 記錄全息圖，通過計算機數(shù)值重建全息像，可以得到物體的振幅和相位信息，并實現(xiàn)三維物場重構，將數(shù)字圖像處理技術引入數(shù)字全息圖的處理過程，可以消除像差、噪聲等的影響，改善全息再現(xiàn)像的質量[8].

基于數(shù)字全息顯微術的光纖連接器光纖端面檢測系統(tǒng)綜合了全息技術和數(shù)字技術的優(yōu)點，因此，這種方法可以精確地分析光纖端面的三維形貌和端面幾何信息，是一種理想的光纖端面測量手段和方法.

1 系統(tǒng)結構組成

圖1 是筆者設計的光纖端面檢測系統(tǒng).激光束經分束鏡BS1后變成2束：激光束1經分束鏡BS2反射照明光纖端頭，光纖端頭散射光再經分束鏡BS2分成2束，一束反射后被透鏡組L2放大成像，由CCD1接收;另一束經透鏡組L1成像于分束棱鏡BS3的p1表面.激光束2經壓電陶瓷微振鏡M1反射，經L3擴束,擴束的聚焦點處于分束鏡BS3的p2表面,經過BS3的透射光——物光和反射參考光在棱鏡BS3左側干涉，形成同軸無透鏡傅里葉變換全息圖，由CCD2記錄.

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

典型的光纖連接器纖芯的芯徑為9 μm，包層直徑為125 μm.光纖連接器的端面一般被研磨成球面形，在研磨過程中可能會造成缺陷，如光纖表面的劃痕、球面頂點偏移、表面凹凸不平、纖芯的高低等等.在作光纖端面檢測時，重點關注纖芯的表面形貌和纖芯在同心圓中的位置.測量時為了能同時得到纖芯表面的三維形貌和纖芯在包層位置的二維截面圖，系統(tǒng)用了2組CCD作為圖像的采集，如CCD1作為光纖端面二維截面圖接收，CCD2作為纖芯表面的三維形貌全息圖采集.這也是系統(tǒng)設計的獨特之處，這樣設計的目的是提高纖芯表面的三維形貌測量的精度.當系統(tǒng)采用放大率為10×的物鏡時，則有效成像區(qū)域的大小為125 μm×10=1.25 mm，如果選用光敏面尺寸為4.8 mm×3.6 mm的CCD(640像素×480 像素)，則CCD單像素所對應到物空間的尺度為0.75 μm×0.75 μm(當然實際用于系統(tǒng)的是GCI-070103 CMOS數(shù)字CCD像素單元尺寸3.2 μm×3.2 μm，總像素為2 048×1 536).為了獲得足夠高精度的纖芯區(qū)域的表面形貌圖，可以選擇成像的區(qū)域，充分利用CCD光敏面積和足夠多的像素來采集纖芯區(qū)域的表面形貌圖，同時也可以適當加大物鏡的放大倍數(shù)，這當然要以擴大系統(tǒng)的空間為代價.

圖2 記錄與再現(xiàn)坐標示意圖

2 光場記錄與再現(xiàn)計算

根據(jù)圖1的光路建立記錄與再現(xiàn)坐標的示意圖如圖2所示.(x,y)是物平面(光纖端面)，(xi,yi)是p1面上的像平面，(ξ,η)是全息面(CCD).

設p1面上像場的復振幅分布為

式(1)中:uimage(x,y)是像的振幅分布;φ(xi,yi)是像的位相分布.在滿足菲涅耳衍射條件下，在CCD接收面(ξ,η)上物光分布為

參考光在CCD面上的分布為

先將式(2)和式(3)所表示的光強分布利用CCD記錄下來.干涉后，CCD接收到干涉條紋強度分布為

通過控制壓電陶瓷微振鏡，改變參考光的相位，使參考光的相位改變π/2，相應的CCD面上全息圖的強度分布為

式(4)和式(5)中的|O|2和|R|2分別是物光和參考光單獨照明CCD時的強度分布，令

式(4),式(5)分別減式(6)得

(8)

將式(7)乘以虛數(shù)i，然后與式(8)相加,得

將式(2)的共軛和式(3)代入式(9),可以得

當參考光是球面波的時候，在菲涅耳近似下Ar(ζ,η)可以認為是常數(shù)，如果對式(10)進行傅里葉逆變換，就可以得到再現(xiàn)像的復振幅

顯然，式(11)除了常數(shù)和二次位相權重外，已經獲得了顯微物鏡像面上的物光分布的重構，這正是被稱作無透鏡傅里葉變換全息圖的本質.

3 圖像重構

以上再現(xiàn)計算過程采用了二步相移法.要對全息圖進行重構，應分別記錄參考光和物光的強度分布，再利用全息數(shù)字相減技術得到CCD平面的物光復振幅分布.利用計算機數(shù)字技術對CCD平面的物光復振幅分布再次進行菲涅耳衍射，傳播z0距離后到達像平面，實現(xiàn)像的重現(xiàn),最后得到的再現(xiàn)像為

根據(jù)二步相移法的分析過程可以得到如圖3所示的二步相移法重構圖像的流程圖.圖3中物光強度分布(|O|2)是用圖1中CCD1記錄的；相移前后2次的全息圖(I1,I2)是用CCD2記錄的；而重構時用的參考光|R(ζ,η)|2是用計算機模擬的球面波.

圖3 二步相移數(shù)字全息圖像重構流程圖

在圖1的檢測系統(tǒng)中，光纖端面結構畸變會引起式(12)的相位變化，假設光纖端面相對變化為h(xi,yi)，可以證明

其中φ(xi,yi)的表達式為

4 實驗結果

利用圖1所示的光路，光源為0.6 328 μm的LD激光器，通過計算機對9 μm芯徑光纖的FC連接器進行了多次檢測，所得典型結果如圖4 所示.圖4(a)為拍攝的全息圖(未處理);圖4(b)為對應的物光光強分布圖.利用圖4(a)可以檢測出連接器纖芯和包層的橢圓度、同心度.根據(jù)干涉條紋也可以判斷光纖表面是否有暇痕.

(a)CCD拍攝的全息圖 (b)物光光強分布圖

圖4 CCD拍攝的全息圖與對應的物光光強分布圖

圖5為利用二步相移法重構的三維形貌圖,利用該圖數(shù)據(jù)可得到光纖端面幾何參數(shù)，如端面拋光的高度、曲率等參數(shù).圖6是系統(tǒng)對光纖連接器端面幾何參數(shù)的檢測報告.

圖5 根據(jù)全息圖運用二步相移法重構的三維形貌圖

5 結 論

設計了一個基于數(shù)字全息顯微術的非接觸式光纖連接器端面檢測系統(tǒng).由光源、顯微透鏡組、CCD和PC 機等組成的硬件系統(tǒng)采集圖像并傳入計算機, 其中LD光源保證了足夠的對比度, 且連續(xù)穩(wěn)定; 用二步相移法對全息圖進行重構，使系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力.系統(tǒng)得到的光纖連接器端面的二維截面圖和三維形貌全息圖，不僅可以檢測出連接器纖芯和包層的橢圓度、同心度等參數(shù)，也能重構出端面纖芯區(qū)域表面的三維形貌圖，監(jiān)測到纖芯表面形貌和纖芯高度.

圖6 光纖連接器端面幾何參數(shù)的系統(tǒng)檢測報告

[1]Filipenko A I.End face nonperpendicularity analysis in fiber connectors[J].IEEE,2001,224:53-55.

[2]Schnars U,Juptner W P O.Digital recording and numerical reconstruction of holograms[J].Meas Sci Technol,2002,13(9):R85-R101.

[3]Ferraro P,Coppola G,Alfieri D,et al.Cont rolling images parameters in the reconst ruction process of digital holograms[J].IEEE J Selected Topics in Quant,Electron,2004,10(4):829-839.

[4]Carl D,Kemper B,Wernicke G,et al.Parameter-optimized digital holographic microscope for high resolution living-cell analysis[J].Appl Opt,2004,43(6):6536-6544.

[5]Cuche E,Marquet P,Depeursinge C.Simultaneous amplitude-contrast and quantitative phase-contrast microscopy by numerical reconst ruction of Fresnel off-axis holograms[J].Appl Opt,1999,38(34):6994-7001.

[6]Ferraro P,Nicola S D,Finizio A,et al.Compensation of the inherent wave front curvature in digital holographic coherent microscopy for quantitative phase-contrast imaging[J].Appl Opt,2003,42(11):1938-1946.

[7]Miccio L,Alfieri D,Grilli S,et al.Direct full compensation of the aberrations in quantitative phase microscopy of thin objects by a single digital hologram[J].Appl Phys Lett,2007,90(4):041104.

[8]Lü Qieni,Ge Baozhen,Zhang Yimo.Digital microscopic image plane holography[J].J Optoelectro Laser,2006,17(4):475-478.

(責任編輯 杜利民)

Thetechnologyforinspectingtheendfaceoffiberconnectorbasedondigitalmicro-holography

SHEN Yaqiang1, WAN Xu1, PENG Baojin2, JIN Hongzhen2

(1.CollegeofVocationalandTechnical,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China; 2.CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

In order to meet the requirement of inspecting the fiber connector end face, a new detection system based on digital holographic microscopy was designed and the method to reconstruct the three-dimensional image of the end face was proposed. The experimental results showed that the technology could inspect the concentricity of fiber connector end face, the ellipticity of fiber core and the cladding and other parameters. Meanwhile the three-dimensional shape of the fiber connector end face could be reconstructed.

fiber connector; inspecting the end face; digital micro-holography; image processing； three-dimensional shape

1001-5051(2010)01-0050-06

2009-11-23

浙江省科技廳科研項目(2007C31015)

沈亞強(1959-)，男，浙江武義人,教授.研究方向:光電技術.

O438.1

A