一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于图像处理的光纤‑波导自动对准耦合仪，属于光纤通信和光纤传感技术领域，包括图像采集模块、图像处理与控制模块、运动执行模块和人机交互模块。运动执行模块包括带尾纤衬块、Y波导元件、六维电动位移台、电机控制板、两套手动位移台等；图像处理与控制模块包括处理器、存储模块、通信接口和显示模块。图像采集模块采集到清晰成像的侧面图像和端面图像，经图像处理与控制模块处理后，运动执行模块对清晰成像的侧面图像提取边缘特征直线并计算相对偏差，消除偏差实现初通光，确定输出点位置，控制输出光点的最大灰度值，实现光纤‑Y波导的自动对准耦合。本发明专利技术具有体积小，成本低，人机交互友好，运算速度快的优点，避免了人工对准的长时间操作。

An optical fiber waveguide automatic alignment coupling device based on image processing

The invention discloses an optical fiber waveguide automatic alignment coupling instrument based on image processing, which belongs to the technical field of optical fiber communication and optical fiber sensing, including image acquisition module, image processing and control module, motion execution module and human-computer interaction module. The motion execution module includes fiber lining, Y waveguide element, six-dimensional electric displacement table, motor control board, two sets of manual displacement table, etc. The image processing and control module includes processor, memory module, communication interface and display module. The image acquisition module captures the side image and the end image of the clear image. After processing by the image processing and control module, the motion execution module extracts the edge feature line from the side image of the clear image and calculates the relative deviation, eliminates the deviation to realize the initial pass light, determines the position of the output point, and controls the maximum gray level of the output light point. The automatic alignment coupling of optical fiber Y waveguide is achieved. The invention has the advantages of small volume, low cost, friendly human-computer interaction and fast calculation speed, and avoids the long-time operation of manual alignment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪
本专利技术属于光纤通信和光纤传感
，涉及一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪。
技术介绍
21世纪，光电子器件的研发和使用在通信、传感等领域已成为各国竞相发展的战略技术。在光纤通信方面，集成光电子器件由于性能稳定、集成程度高、处理速度快和可靠性高等特点，使其成为支撑下一代光纤通信快速发展的关键器件。波导器件是集成光电子器件的重要基础性部件，光纤与波导的低损耗连接封装技术是集成光电子技术的关键技术。在光纤传感方面，光纤陀螺是一个重要应用，它已成为惯性技术研究领域的主流陀螺，在军事、航空和诸多民用领域都有着较高的应用价值。目前的高精度光纤陀螺普遍采用高双折射光纤环和Y波导器件直接耦合方案。保偏光纤与Y波导耦合点所带来的损耗和噪声是制约光纤陀螺测量精度提高的主要因素。光纤与光波导器件的耦合损耗，主要有模场失配损耗，菲涅尔反射损耗，传输损耗以及对准偏差损耗。现有的光纤与波导的对准耦合技术，主要分为有源主动对准方式和无源被动对准方式。有源主动对准方式，一般采用在输入光纤处引入光源，在波导输出端或输出光纤末端使用光功率计检测输出，反馈引导各自由度的调节使得耦合功率达到最优，实现高精度的姿态调整。这种方式精度较高，但是一般在初通光阶段采用人工对准，对准速度慢；目前针对反馈调节细对准的算法有爬山法，多项式拟合法，单纯形法，汉密尔顿算法，质心法，遗传法等，可有效搜索最大耦合位置，但是都受限于光功率计较低的反馈实时性及较大的数据波动性，各有优劣。无源被动对准方式采用半导体加工工艺在波导芯片上加工U型槽或V型槽，直接将光纤与波导耦合封装起来，这种方式对准速度快，不需要精密昂贵的仪器和对准工艺，但是U型槽的定位精度和器件的装配精度严重影响器件耦合效率，同时芯片制造工艺复杂，耦合损耗高，因此在实际应用中一般还是采用有源主动对准的方式。数字图像处理是指借助数字计算机处理数字图像，以改善图示信息便于人们解释或机器理解。一幅数字图像是在空间坐标和亮度上都离散化的图像f(x,y)，它可以用一个二维整数数组来表示。数字图像处理技术具有丰富的内容，它可以如通过滤波来减小噪声，可以通过阈值分割、二值化操作从背景提取目标物体，也可以通过边缘检测、特征提取等来识别目标特征及边界区域。数字图像处理具有处理精度高、再现性好、成本低和适用面广等特点，广泛地应用在各种各样的
中。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要有硬件体系和软件程序。硬件体系的核心是微处理器，还有存储器，各类接口、测控电路等组成部分。ARM微处理器一般都具有体积小、功耗低、成本低、性能高、速度快的特点，其内部硬件资源的性能较高，可以加载实时操作系统，能够运行界面和应用程序，具有高速的处理和计算能力，完全能够胜任一般的数字图像采集和处理需求，非常适合应用于图像处理系统。
技术实现思路
本专利技术为了实现光纤与波导的位姿调整，搜索到最大耦合点，实现光纤-波导的快速、高效的自动对准耦合，提出一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪。所述的光纤-波导自动对准耦合仪，包括图像采集模块、图像处理与控制模块、运动执行模块和人机交互模块。图像采集模块包括白光光源、激光器及光纤转换器、两组显微镜-CMOS相机；激光器通过裸光纤转接器将红光直接耦合进入带尾纤衬块；带尾纤衬块与Y波导元件相对，进行耦合；第一组显微镜-CMOS相机垂直固定在光纤-波导耦合点上方，白光光源加持在第一组显微镜-CMOS相机的侧方，对耦合点处同轴照明。第二组显微镜-CMOS相机水平固定在Y波导元件的输出端后方。运动执行模块包括带尾纤衬块、Y波导元件、六维电动位移台、电机控制板、两套手动位移台等；带尾纤衬块被衬块夹具所夹持，固定在六维电动位移台上；处理器向电机控制板发送指令，使六维电动位移台实现六维方向的空间位姿调整。Y波导元件作为对准材料，固定在波导架上。第一组显微镜-CMOS相机固定在第一手动位移台上，第二组显微镜-CMOS相机固定在第二手动位移台上，通过手动调节来实现相机的对焦。图像处理与控制模块包括处理器、存储模块、通信接口和显示模块。通信接口包括RS232串口和USB接口，RS232串口连接电机控制板和六维电动位移台，用来发送指令控制六维电动位移台，处理器通过USB接口分别连接两组显微镜-CMOS相机，用来向处理器传输图像；显示模块通过LCD接口与触摸屏连接；处理器分析两组显微镜-CMOS相机传输的图像中带尾纤衬块与Y波导元件的位姿关系及耦合输出光强，向电机控制板发送指令来搜索最大耦合点；人机交互模块包括触摸屏，鼠标和键盘。通过触摸屏上打开自动耦合软件，来实现光纤-Y波导的自动对准耦合。光纤-Y波导的自动对准耦合过程，具体步骤如下：步骤一、将待对准耦合的带尾纤衬块与Y波导元件分别固定夹持，并粗调两者至合适的相对位置；步骤二、打开自动对准软件并运行，两组显微镜-CMOS相机分别采集图像并呈现；步骤三、分别手动调节两套手动位移台，使两组显微镜-CMOS相机的侧面图像和端面图像都达到最清晰；第一组显微镜-CMOS相机对应侧面图像；第二组显微镜-CMOS相机对应端面图像；步骤四、针对清晰成像的侧面图像，自动提取带尾纤衬块与Y波导元件的边缘特征直线并标注；所提取的边缘特征直线分别为带尾纤衬块的横纵向边缘及角点位置，Y波导元件的纵向边缘和Y波导元件通道的直线位置。具体提取过程为：第一组显微镜-CMOS相机采集图像传递给处理器，处理器将彩色图像转换为灰度图，并滤波降噪；然后利用大津法求出灰度图的分割阈值，将图像转换为二值图，分割目标物体与背景；分别采用纵向和横向的移窗法，搜索到灰度变化最剧烈的区域，即为Y波导元件和带尾纤衬块的边缘位置；设置ROI区域对其中的直线段进行提取拟合，并在图像上进行标注。对于Y波导元件的通道所在，通过两根电极条的位置来确定。处理方法类似于边缘直线的提取，不同的是灰度分割阈值根据电极及附近小区域的灰度值计算所得，分割电极与铌酸锂基底；提取拟合处两根电极条的直线方程，取其中间位置的直线作为Y波导输入端的位置直线，并标注在图像中。步骤五、根据边缘特征直线计算带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度差、衬块角点位置到波导通道的横纵向距离偏差，并移动带尾纤衬块至预定位置；首先，根据简单的点到直线距离公式，或直线距离公式分别求出：带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度差、衬块角点位置到Y波导元件通道的纵向偏差和横向偏差。带尾纤衬块横向下边缘是指带尾纤衬块中光纤纤芯所在位置。然后，根据每个像素点的大小将图像上用像素值所表示的距离转换为实际空间距离，根据六维电动位移台的最小步距，结合各偏差距离，相除即可得到消除偏差对应的电机运行步数；最后，处理器发送指令给电机控制板控制六维电动位移台实现平移和旋转操作，消除偏差的同时带尾纤衬块与Y波导元件到达预定位置。在消除偏差的过程中，按照先消除角度偏差，然后消除纵向距离偏差，最后消除横向距离偏差的顺序进行；在消除距离的过程中，在六维电动位移台的每一轴移动之后重新处理侧面耦合图像，拟合带尾纤衬块和Y波导元件的特征直线，再次计算相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像处理的光纤‑波导自动对准耦合仪，其特征在于，包括图像采集模块、图像处理与控制模块、运动执行模块和人机交互模块；图像采集模块包括白光光源、激光器及光纤转换器、两组显微镜‑CMOS相机；激光器通过裸光纤转接器将红光直接耦合进入带尾纤衬块；带尾纤衬块与Y波导元件相对，进行耦合；第一组显微镜‑CMOS相机垂直固定在光纤‑波导耦合点上方，白光光源加持在第一组显微镜‑CMOS相机的侧方，对耦合点处同轴照明；第二组显微镜‑CMOS相机水平固定在Y波导元件的输出端后方；运动执行模块包括带尾纤衬块、Y波导元件、六维电动位移台、电机控制板和两套手动位移台；带尾纤衬块被衬块夹具所夹持，固定在六维电动位移台上；处理器向电机控制板发送指令，使六维电动位移台实现六维方向的空间位姿调整；Y波导元件作为对准材料，固定在波导架上；第一组显微镜‑CMOS相机固定在第一手动位移台上，第二组显微镜‑CMOS相机固定在第二手动位移台上，通过手动调节来实现相机的对焦；图像处理与控制模块包括处理器、存储模块、通信接口和显示模块；通信接口包括RS232串口和USB接口，RS232串口连接电机控制板和六维电动位移台，用来发送指令控制六维电动位移台，处理器通过USB接口分别连接两组显微镜‑CMOS相机，用来向处理器传输图像；显示模块通过LCD接口与触摸屏连接；处理器分析两组显微镜‑CMOS相机传输的图像中带尾纤衬块与Y波导元件的位姿关系及耦合输出光强，向电机控制板发送指令来搜索最大耦合点；人机交互模块包括触摸屏，鼠标和键盘；通过触摸屏上打开自动耦合软件，来实现光纤‑Y波导的自动对准耦合。...

【技术特征摘要】
1.一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，其特征在于，包括图像采集模块、图像处理与控制模块、运动执行模块和人机交互模块；图像采集模块包括白光光源、激光器及光纤转换器、两组显微镜-CMOS相机；激光器通过裸光纤转接器将红光直接耦合进入带尾纤衬块；带尾纤衬块与Y波导元件相对，进行耦合；第一组显微镜-CMOS相机垂直固定在光纤-波导耦合点上方，白光光源加持在第一组显微镜-CMOS相机的侧方，对耦合点处同轴照明；第二组显微镜-CMOS相机水平固定在Y波导元件的输出端后方；运动执行模块包括带尾纤衬块、Y波导元件、六维电动位移台、电机控制板和两套手动位移台；带尾纤衬块被衬块夹具所夹持，固定在六维电动位移台上；处理器向电机控制板发送指令，使六维电动位移台实现六维方向的空间位姿调整；Y波导元件作为对准材料，固定在波导架上；第一组显微镜-CMOS相机固定在第一手动位移台上，第二组显微镜-CMOS相机固定在第二手动位移台上，通过手动调节来实现相机的对焦；图像处理与控制模块包括处理器、存储模块、通信接口和显示模块；通信接口包括RS232串口和USB接口，RS232串口连接电机控制板和六维电动位移台，用来发送指令控制六维电动位移台，处理器通过USB接口分别连接两组显微镜-CMOS相机，用来向处理器传输图像；显示模块通过LCD接口与触摸屏连接；处理器分析两组显微镜-CMOS相机传输的图像中带尾纤衬块与Y波导元件的位姿关系及耦合输出光强，向电机控制板发送指令来搜索最大耦合点；人机交互模块包括触摸屏，鼠标和键盘；通过触摸屏上打开自动耦合软件，来实现光纤-Y波导的自动对准耦合。2.如权利要求1所述的一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，其特征在于，所述的光纤-Y波导的自动对准耦合过程，具体步骤如下：步骤一、将待对准耦合的带尾纤衬块与Y波导元件分别固定夹持，并粗调两者至合适的相对位置；步骤二、打开自动对准软件并运行，两组显微镜-CMOS相机分别采集图像并呈现；步骤三、分别手动调节两套手动位移台，使两组显微镜-CMOS相机的侧面图像和端面图像都达到最清晰；第一组显微镜-CMOS相机对应侧面图像；第二组显微镜-CMOS相机对应端面图像；步骤四、针对清晰成像的侧面图像，自动提取带尾纤衬块与Y波导元件的边缘特征直线并标注；所提取的边缘特征直线分别为带尾纤衬块的横纵向边缘及角点位置，Y波导元件的纵向边缘和Y波导元件通道的直线位置；步骤五、根据边缘特征直线计算带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度偏差、衬块角点位置到波导通道的横纵向距离偏差，并移动带尾纤衬块至预定位置；步骤六、当带尾纤衬块到达预定位置后实现初通光，在端面图像上出现Y波导元件尾端的两个输出光点；步骤七、系统自动检测两个输出光点的中心位置并标注，判断输出图像上标注框是否将输出光点完整的包含进去，如果是，则固定输出端位置；否则，对带尾纤衬块进行微调直至到达正确位置；处理器自动对两个输出光点进行灰度重心的计算；公式为：其中f(i，j)为图像中(i，j)像素点的灰度值；所求出的灰度重心即为输出光点的中心位置，固定选择此中心位置的预定大小邻域，并标注出来，作为输出点的位置进行统计处理；步骤八、确定了输出端位置后，系统自动调节端面图像的曝光时间，控制输出光点的图像最大值，并计算输出光功率；系统根据输出端的光强检测反馈，对端面图像自动调节曝光时间，将输出光点图像最大值控制在50-150之间；此时系统自动检测图像中只余两个暗淡的小光点，提取小光点图像邻域每个像素点的红色通道值记为pij，进行加和得到P＝∑i，jpij作为输出光功率；步骤九、系统按照逐轴迭代拟合的自动搜索算法搜索最大耦合点，找到使输出光功率达到最大的带尾纤衬块位置。3.如权利要求2所述的一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，其特征在于，所述的步骤四中，所提取的边缘特征直线分别为带尾纤衬块的横...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋凝芳，李亮，冯迪，张春熹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11