一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的装置及方法与流程 专利技术说明

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本发明涉及光纤加工技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的装置及方法。背景技术：2.光纤光栅是光纤激光器内的核心器件之一。目前行业内常用的生产工艺是使用248nm紫外激光经过柱面镜聚焦成一条线斑照射在光纤纤芯去改变纤芯的折射率，形成沿光纤轴线方向周期性变化的折射率，即在光纤纤芯上刻写光栅。但激光刻写光栅的生产过程中有一个很大的痛点是如何保证微米级大小激光焦点完全对齐到直径仅20微米的纤芯。3.目前行业内普遍采用人眼观察激光透过纤芯后在纤芯背后形成的光斑的位置来判断是否对齐，但每根光纤装夹后都有几十微米的位置差别，因此每根光纤都要人工调整，这是导致整个生产流程自动化水平低，光栅产品一致性差的重要因素。4.行业内之前有一些技术方案尝试过去解决这个难点，但效果并不理想：比如技术方案a，采用相机直接观察光纤的位置，然后每次上下料新的光纤后，自动让光纤调整到同一位置，但该技术方案只能保证光纤十几微米级的位置重复性，而且无法观察到紫外激光焦点的位置，即无法判断两者是否对齐。为此，我们提出一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的装置及方法。技术实现要素：5.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的装置及方法，采用了视觉识别自动对齐方式，效率提高，一致性得到极大改善，解决了现有技术无法判断光纤是否对齐的问题。6.本发明提供如下技术方案：一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的装置及方法，包括激光光源、位移台、观察背板，以及视觉相机一和视觉相机二中的至少一个；7.所述激光光源的激光光束照射在位移台的光纤上，激发荧光，并透过光纤的纤芯照射在观察背板上产生荧光光斑；8.所述视觉相机一用于获取观察背板上的荧光光斑与标准荧光光斑位置的偏差，所述位移台用于根据视觉相机一获取的偏差数据调整光纤位置；9.所述视觉相机二用于直接获取光纤激发产生的荧光，并根据荧光亮度来判断激光线斑焦点是否落在光纤上，所述位移台根据视觉相机二获取的荧光亮度信息调整光纤位置。10.优选的，所述激光光源包括紫外激光束、柱面镜和掩模板，所述紫外激光束经过柱面镜后被聚焦压缩成一个线斑，中间经过掩模板，照射在光纤的纤芯上。11.优选的，所述观察背板上标准荧光光斑位置是位于光纤正下方的光纤阴影位置。12.优选的，所述观察背板上设置有白纸，紫外激光束照射在白纸上产生蓝色波段的可见荧光。13.优选的，所述视觉相机一获取观察背板上的荧光光斑与标准荧光光斑位置的偏差过程如下：14.使用光学黑白棋格板进行标定后得到相机图片中单个像素对应0.3微米的实际距离；15.拍下荧光光斑位置和光纤阴影位置的图像，然后将彩色图像转为灰度图片；16.在灰度图中选取三个感兴趣区域，区域a贯穿整个x方向，用来寻找荧光光斑位置，区域b用来定位光纤阴影位置的上边界，区域c用来定位光纤阴影区域位置的下边界；17.将感兴趣区域a灰度值进行二值化处理，保留高亮度的像素点得到荧光光斑的位置，进一步找到荧光光斑最亮的区域中心点；18.在区域b和区域c内找到轮廓线，并截取对应的光纤阴影的边界线，然后算出光纤阴影的最暗区域中心点；19.移动光纤两端的两轴位移台带动光纤运动，即带动荧光光斑运动，并在运动过程中实时视觉检测，直到两个中心点重合，即实现激光焦点和光纤纤芯在xy平面上的对齐。20.优选的，所述视觉相机二根据荧光亮度来判断激光线斑焦点是否落在光纤上的具体过程如下：21.视觉相机二拍摄光纤在yz平面内的图片，光纤内荧光在图片中呈蓝色条状；22.将图片中蓝色通道单独提取出来再转化为灰度图；23.进行二值化处理，设置感兴趣区域d和感兴趣区域f，找到荧光的上下边界；24.将边界上的点进行线段拟合，然后计算上下线段的间距，即荧光的上下宽度；25.处理后的图片中荧光的z方向宽度大小与激光线斑的对齐度成正比；26.通过位移台的z方向移动，找到荧光宽度最大的位置，实现光纤在yz平面内与激光光斑的对齐。27.一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的方法，包括如下步骤：通过视觉相机获取光纤的位置偏移量，并通过位移台调整光纤位置；所述视觉相机包括视觉相机一和视觉相机二中的至少一个；28.所述视觉相机一获取观察背板上的荧光光斑与标准荧光光斑位置的偏差，所述荧光光斑是由激光光源的激光光束照射在位移台的光纤上，透过光纤的纤芯照射在观察背板上产生的；29.所述视觉相机二根据荧光亮度来判断激光线斑焦点是否落在光纤上，所述荧光是由激光光源的激光光束照射在位移台的光纤上激发产生的。30.优选的，所述视觉相机一获取观察背板上的荧光光斑与标准荧光光斑位置的偏差过程如下：31.使用光学黑白棋格板进行标定后得到相机图片中单个像素对应0.3微米的实际距离；32.拍下荧光光斑位置和光纤阴影位置的图像，然后将彩色图像转为灰度图片；33.在灰度图中选取三个感兴趣区域，区域a贯穿整个x方向，用来寻找荧光光斑位置，区域b用来定位光纤阴影位置的上边界，区域c用来定位光纤阴影区域位置的下边界；34.将感兴趣区域a灰度值进行二值化处理，保留高亮度的像素点得到荧光光斑的位置，进一步找到荧光光斑最亮的区域中心点；35.在区域b和区域c内找到轮廓线，并截取对应的光纤阴影的边界线，然后算出光纤阴影的最暗区域中心点；36.移动光纤两端的两轴位移台带动光纤运动，即带动荧光光斑运动，并在运动过程中实时视觉检测，直到两个中心点重合，即实现激光焦点和光纤纤芯在xy平面上的对齐。37.优选的，所述视觉相机二根据荧光亮度来判断激光线斑焦点是否落在光纤上的具体过程如下：38.视觉相机二拍摄光纤在yz平面内的图片，光纤内荧光在图片中呈蓝色条状；39.将图片中蓝色通道单独提取出来再转化为灰度图；40.进行二值化处理，设置感兴趣区域d和感兴趣区域f，找到荧光的上下边界；41.将边界上的点进行线段拟合，然后计算上下线段的间距，即荧光的上下宽度；42.处理后的图片中荧光的z方向宽度大小与激光线斑的对齐度成正比；43.通过位移台的z方向移动，找到荧光宽度最大的位置，实现光纤在yz平面内与激光光斑的对齐。44.本发明提供了一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的装置及方法，采用机器视觉的方法，从两个方向同时观察，可以实现纤芯与激光焦点高精度的对齐。采用机器视觉通过观察背板上的荧光实现了光纤和激光线斑焦点水平面方向的对齐；采用机器视觉通过直接观察光纤的荧光实现了光纤和激光线斑焦点竖直面方向的对齐。附图说明45.图1为本发明装置结构示意图；46.图2为本发明装置侧视图；47.图3为本发明视觉相机一的机器视觉示意图；48.图4为本发明视觉相机二的机器视觉示意图。49.图中：1、视觉相机一；2、视觉相机二；3、紫外激光束；4、柱面镜；5、掩模板；6、光纤；7、光栅；8、背板；9、光纤阴影位置；10、位移台；11、荧光光斑位置。具体实施方式50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。51.紫外激光为不可见光，但紫外激光打在光纤6和特定材质纸上(常用的白色打印纸)会产生蓝色波段的可见荧光。(荧光，是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线或x射线)照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光(通常波长在可见光波段)；很多荧光物质一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧光。以上荧光解释来源于百度百科。)52.本发明采用的观察方法是用工业相机去分别观察纸和光纤6被紫外激光照射所激发出来的蓝色荧光位置和强度来判断焦点是否对齐。如图1和2所示，图1中的箭头和图2中的虚线，均表示荧光的光路。53.一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的装置，紫外激光束3经过柱面镜4后被聚焦压缩成一个线斑，中间经过掩模板5，照射在光纤6的纤芯上，然后紫外激光束3透过纤芯后照射在贴有纸常用的白色打印纸的观察背板8上。纸被紫外激光照射后会在对应位置产生荧光光斑。图中视觉相机一1观察的是荧光光斑位置11以及光纤阴影位置9，因为光纤阴影位于光纤6的正下方，因此只要移动光纤6使荧光光斑位置11对齐光纤阴影位置9，就实现了激光焦点和光纤纤芯在xy平面上的对齐。54.如图3所示，视觉相机一1具体的机器视觉做法是：55.1、图中视觉相机一1的视野大小为20毫米*20毫米，相机最前端镜头到背板8的距离约90毫米，使用光学黑白棋格板进行标定后得到相机图片中单个像素对应0.3微米的实际距离；56.2、视觉相机一1拍下图3左侧所示的图像，然后调用opencv图像处理开源库中的函数将彩色图像转为灰度图片；57.3、在灰度图中选取三个感兴趣区域，感兴趣区域a贯穿整个x方向，用来寻找荧光光斑位置11，感兴趣区域b用来定位光纤阴影位置9的上边界，感兴趣区域c用来定位光纤阴影区域位置的下边界；58.4、将感兴趣区域a灰度值进行二值化处理，因激光激发的荧光非常亮，因此只需要保留亮度值230以上的像素点就能得到荧光光斑的位置，利用opencv的“找最大连通域函数”找到荧光光斑最亮的区域中心点；59.5、在感兴趣区域b和感兴趣区域c内分别使用opencv的“canny函数”找到轮廓线，并截取对应的光纤阴影的边界线，然后算出光纤阴影的最暗区域中心点。60.6、移动光纤6两端的两轴位移台带动光纤6运动即带动荧光光斑运动，并在运动过程中实时视觉检测，直到两个中心点重合。即实现了激光焦点和光纤纤芯在xy平面上的对齐。61.在实际使用过程中，视觉相机一1采用的是含镜头组件在内，价格几千块的国产usb相机系统，而理论对齐精度能达到0.3微米，相比于以前使用的基于激光功率计(或光束质量分析仪，价格一般在2万到6万左右)的自动对齐方案而言，本机器视觉对齐方案的整体物理结构更简单，整体价格也更低。62.如图4所示，视觉相机二2是直接观察光纤6上被紫外激光激发的蓝色荧光(激光线斑长度约为30毫米，在这个长度内的光纤6都会被激发出蓝色荧光)，相机可以根据荧光亮度来判断激光线斑焦点是否落在光纤6上。63.视觉相机二2拍摄光纤6在yz平面内的图片，即如图左侧所示，光纤6内荧光70在图片中呈蓝色条状；64.使用opencv函数库将图片中蓝色通道单独提取出来再转化为灰度图；65.进行二值化处理，设置感兴趣区域d和感兴趣区域f，使用opencv“findcontours”函数找到荧光的上下边界；66.将边界上的点进行线段拟合，然后计算上下线段的间距，即荧光的上下宽度；67.处理后的图片中荧光的z方向宽度大小与激光线斑的对齐度成正比；实际中发现激光线斑与光纤6相对位置偏移2微米就能让荧光的宽度发生明显的改变；68.通过位移台10的z方向移动，找到荧光宽度最大的位置，就能实现光纤6在yz平面内与激光光斑的对齐。69.一种基于机器视觉自动对齐光纤光栅的方法，其特征在于：包括如下步骤：通过视觉相机获取光纤6的位置偏移量，并通过位移台10调整光纤6位置；视觉相机包括视觉相机一1和视觉相机二2中的至少一个；70.视觉相机一1获取观察背板8上的荧光光斑与标准荧光光斑位置的偏差，荧光光斑是由激光光源的激光光束照射在位移台10的光纤6上，透过光纤6的纤芯照射在观察背板8上产生的；71.视觉相机二2根据荧光亮度来判断激光线斑焦点是否落在光纤6上，荧光是由激光光源的激光光束照射在位移台10的光纤6上激发产生的。72.视觉相机一1获取观察背板8上的荧光光斑与标准荧光光斑位置的偏差过程如下：73.使用光学黑白棋格板进行标定后得到相机图片中单个像素对应0.3微米的实际距离；74.拍下荧光光斑位置11和光纤阴影位置9的图像，然后调用opencv图像处理开源库中的函数将彩色图像转为灰度图片；75.在灰度图中选取三个感兴趣区域，感兴趣区域a贯穿整个x方向，用来寻找荧光光斑位置11，感兴趣区域b用来定位光纤阴影位置9的上边界，感兴趣区域c用来定位光纤阴影区域位置的下边界；76.将感兴趣区域a灰度值进行二值化处理，因激光激发的荧光非常亮，因此只需要保留亮度值230以上的像素点就能得到荧光光斑的位置，利用opencv的“找最大连通域函数”找到荧光光斑最亮的区域中心点；77.在感兴趣区域b和感兴趣区域c内分别使用opencv的“canny函数”找到轮廓线，并截取对应的光纤阴影的边界线，然后算出光纤阴影的最暗区域中心点；78.移动光纤6两端的两轴位移台带动光纤6运动，即带动荧光光斑运动，并在运动过程中实时视觉检测，直到两个中心点重合，即实现激光焦点和光纤纤芯在xy平面上的对齐。79.视觉相机二2根据荧光亮度来判断激光线斑焦点是否落在光纤6上的具体过程如下：80.视觉相机二2拍摄光纤6在yz平面内的图片，光纤6内荧光在图片中呈蓝色条状；81.使用opencv函数库将图片中蓝色通道单独提取出来再转化为灰度图；82.进行二值化处理，设置感兴趣区域d和感兴趣区域f，找到荧光的上下边界；83.将边界上的点进行线段拟合，然后计算上下线段的间距，即荧光的上下宽度；84.处理后的图片中荧光的z方向宽度大小与激光线斑的对齐度成正比；85.通过位移台10的z方向移动，找到荧光宽度最大的位置，实现光纤6在yz平面内与激光光斑的对齐。86.相对于行业内常用的人工观察对齐，本发明采用了视觉识别自动对齐方式，效率提高，一致性得到极大改善。87.另外相对于前面提到的技术方案a即只识别光纤6的位置的视觉方案而言，本发明能通过机器视觉观察到光纤6和激光线斑焦点的相对位置状况，而且还是从两个方向进行视觉观察，这大大提高了视觉识别的可靠性和直观性。而且前面提到的技术方案a中，相机是直接识别光纤6的位置，但因为光纤6是透明的，且是圆柱形，识别的精度不高；而本发明是识别激光光斑的位置，该光斑是激光通过纤芯后折射到背板8上的，存在很大的放大效应，即光纤6偏移1微米，能导致光斑偏移达到毫米级，即存在三个数量级的放大效应，因此本发明能够实现高精度的光纤6位置识别。88.而且相对于目前已知的单相机机器视觉方案而言，本发明使用了两个相机从不同角度观察激光线斑和光纤6的对齐状态，这给操作人员直接观察整个栅区是否对齐提供了更加直观的视角。89.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。









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