CN112230345A - 光纤自动耦合对准设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤自动耦合对准设备和方法，用于对第一光纤和第二光纤进行耦合对准。光纤自动耦合对准设备包括：光纤通讯光器件，光纤通讯光器件用于与第一光纤和第二光纤连接；处理装置，处理装置与第一光纤或第二光纤连接；图像采集装置，图像采集装置用于在至少两个不同的方向上分别采集光纤通讯光器件的轮廓图像并发送至处理装置；控制装置，控制装置与处理装置连接，且控制装置用于调节第一光纤和第二光纤的位置以实现耦合对准。本发明通过两步实现了对第一光纤和第二光纤的自动对准耦合，提高了效率。

Description

光纤自动耦合对准设备和方法

技术领域

本申请属于封装技术领域，具体而言，涉及一种光纤自动耦合对准设备和光纤自动耦合对准方法。

背景技术

在相关技术中，目前国内光纤器件价格高居不下，光纤器件的成本主要在于封装过程，封装成本约占其总成本的70％至90％。光纤与光纤的耦合对接，以及生产中光纤与光纤的耦合对光80％以上靠传统的劳动密集型手工或半自动完成。在这种生产模式下，由于光在光纤中有一定的散射角，直接耦合导致效率太低。

发明内容

根据本发明的实施例旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

根据本发明的实施例的第一目的在于提供一种光纤自动耦合对准设备。

根据本发明的实施例的第二目的在于提供一种光纤自动耦合对准方法。

为实现根据本发明的实施例的第一目的，本发明的技术方案提供了一种光纤自动耦合对准设备，用于对第一光纤和第二光纤进行耦合对准，光纤自动耦合对准设备包括：光纤通讯光器件，光纤通讯光器件用于与第一光纤和第二光纤连接；处理装置，处理装置用于接收第一光纤或第二光纤的光信号；图像采集装置，图像采集装置用于在至少两个不同的方向上分别采集光纤通讯光器件的轮廓图像并发送至处理装置；控制装置，控制装置与处理装置连接，且控制装置用于调节第一光纤和第二光纤的位置以实现耦合对准。

在该技术方案中，光在光纤中有一定的散射角，直接耦合效率太低。如果采用视觉技术直接对光纤进行图像处理，由于光纤直径太小而不易提取图像边缘。光纤通讯光器件可以是光纤准直器，第一光纤可作为输入光纤，第二光纤作为输出光纤，第一光纤和第二光纤分别连接到光纤通讯光器件上。通过图像采集装置采集光纤通讯光器件的轮廓图像，使得提取图像边缘更容易。而通过在至少两个不同的方向上提取光纤通讯光器件的轮廓图像，在处理装置内通过计算机程序对两个方向上的轮廓图像进行轮廓图像的特征提取，然后通过分析得出分析结果，处理装置根据分析结果控制控制装置的动作，使得控制装置驱动光纤通讯光器件在不同的方向上可以移动，从而可以使得第一光纤和第二光纤能够实现耦合的粗对准。当处理装置接收到第一光纤或第二光纤的光信号，处理装置对光信号进行处理，得出处理结果，处理装置根据处理结果，在粗对准的基础上，进一步对第一光纤和第二光纤进行精对准。因此，通过两步能够实现对光纤的自动对准耦合。

另外，根据本发明的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：

上述技术方案中，光纤自动耦合对准设备还包括：光功率测量装置，光功率测量装置设于处理装置与第一光纤或第二光纤与之间，光功率测量装置用于测量光功率并发送至处理装置。

在该技术方案中，当第一光纤作为输入光纤将光信号输入第一光纤内，而第二光纤作为输出光纤，可通过激光器发射激光作为进入第一光纤的输入光，激光器连接第一光纤，将红光直接耦合进入第一光纤，第二光纤连接光功率测量装置，光功率测量装置可以是光功率计，用于实时测量接收到的红外光波长以及红外光功率值并发送至处理装置，处理装置根据光功率计实时测量的光功率值，并根在粗调阶段检测到的光功率值为基准，向控制装置发出驱动信号，控制装置根据驱动信号，在不同的方向上依次调节光纤通讯光器件的最大耦合率位置处，此时，最大耦合率位置处为光纤对准耦合的最佳处。

上述任一技术方案中，图像采集装置包括：第一图像采集元件，第一图像采集元件设于第一方向上，且第一图像采集元件与处理装置连接；第二图像采集元件，第二图像采集元件设于第二方向上，且第一图像采集元件与处理装置连接；其中，第一图像采集元件和第二图像采集元件分别用于采集光纤通讯光器件的轮廓图像。

在该技术方案中，第一图像采集元件和第二图像采集元件可以分别为能够将光学图像转化为数字信号的相机，在坐标***的坐标上，可以作为第一方向用于设置第一图像采集元件，在坐标***的坐标上，可以作为第二方向用于设置第二图像采集元件。第一图像采集元件和第二图像采集元件分别在两个方向上对光纤通讯光器件的轮廓进行图像采集，以分别获得轮廓图像。为了使得第一图像采集元件采集到清晰的轮廓图像，在第一方向上设置第一光源，第一光源与第一图像采集元件同轴设置。同样地，为了使得第二图像采集元件采集到清晰的轮廓图像，在第二方向上设置第二光源，第二光源与第二图像采集元件同轴设置。第一图像采集元件和第二图像采集元件将分别采集到的轮廓图像转化成数字信号发送到处理装置进行图像处理。

上述任一技术方案中，控制装置包括：第一控制组件，第一控制组件与光纤通讯光器件和处理装置分别连接；第二控制组件，第二控制组件与光纤通讯光器件和处理装置分别连接；控制器，控制器与第一控制组件和第二控制组件分别连接。

在该技术方案中，第一控制组件和第二控制组件分别与光纤通讯光器件连接，第一控制组件用于调节光纤通讯光器件的位移，以达到对第一光纤和第二光纤进行粗调节的目的。第二控制组件用于调节光纤通讯光器件的转动角度，以达到对第一光纤和第二光纤进行精调节，从而使得第一光纤和第二光纤能够自动耦合对准。其中，控制器分别向第一控制组件和第二控制组件发送信号。控制器可控制电机驱动第一控制组件在不同的方向产生位移的变化，或七轴电机控制器驱动第二控制组件产生转动角度的变化，从而达到控制光纤通讯光器件的移动或转动，达到调节第一光纤和第二光纤对准耦合的目的。

上述任一技术方案中，第一控制组件包括：第一夹具，第一夹具与光纤通讯光器件连接；第一微调架，第一微调架与第一夹具和控制器分别连接，第一微调架用于调节光纤通讯光器件的位移。

在该技术方案中，第一夹具为专用夹具，第一微调架为三维高精度电控微调架，可以在坐标轴的轴、轴、轴的三方向向上发生位移的变动。第一微调架由控制器进行控制，对光纤通讯光器件分别进行三个方向上的位移调节，达到对第一光纤和第二光纤进行粗调节的目的。

上述任一技术方案中，第二控制组件包括：第二夹具，第二夹具与光纤通讯光器件连接；第二微调架，第二微调架与第二夹具和控制器分别连接，第二微调架用于调节光纤通讯光器件转动的角度。

在该技术方案中，第二夹具为专用夹具，第二微调架为二维高精度电控微调架，可以在二维角度上进行转动。第二微调架由控制器进行控制，对光纤通讯光器件进行转动角度的控制，单自由度依次摆动光纤通讯光器件的直径对应弧度后寻找最大耦合率位置处，此时为光纤对准耦合最佳处，达到对第一光纤和第二光纤进行精调节的目的。

上述任一技术方案中，光纤自动耦合对准设备还包括：光学防震平台；其中，控制装置的至少一部分设于光学防震平台上。

在该技术方案中，光学防震平台用于安装轨道，控制装置中的第一微调架设于轨道上，可在控制器的控制下沿轨道移动。控制装置中的第二微调架设于轨道上，可在控制器的控制下转动角度。光学防震平台能够减少第二微调架在转动过程中或第一微调架在移动过程中产生的震动，从而可以保证第一光纤与第二光纤在耦合对准过程中的效率和准确性。

为实现根据本发明的实施例的第二目的，本发明的技术方案提供了一种光纤自动耦合对准方法，采用任一技术方案中的光纤自动耦合对准设备，光纤自动耦合对准方法包括：在至少两个方向上分别采集光纤通讯光器件的轮廓图像；对轮廓图像进行处理，得到第一处理结果；根据第一处理结果对光纤通讯光器件进行位移调节；对光纤输出的光源信号进行处理，得到第二处理结果；根据第二处理结果对光纤通讯光器件进行角度调节。

在该技术方案中，通过在至少两个方向上采集光纤通讯光器件的轮廓图像，对两个方向上的光纤通讯光器件的轮廓图像进行对比等处理，得到第一处理结果，根据第一处理结果能够对光纤通讯光器件进行位移调节。通过对光纤输出的光源信号进行处理得到第二处理结果，根据第二处理结果对光纤通讯光器件进行角度，从而达到了对第一光纤和第二光纤进行对准耦合的目的。

上述任一技术方案中，对轮廓图像进行处理，得到第一处理结果，具体包括：对至少两个方向的轮廓图像分别进行高斯模糊后降采样的高斯金字塔算法；根据高斯金字塔算法提取轮廓图像的边缘特征；根据边缘特征计算相对偏差并纠正偏差；计算出纠正偏差之后的边缘特征相互平行的位置坐标；根据位置坐标得到第一处理结果。

在该技术方案中，采用高斯金字塔算法提取轮廓图像的边缘特征，根据边缘特征计算相对偏差并纠正偏差，然后计算出纠正偏差之后的边缘特征相互平行的位置坐标，再根据位置坐标得到第一处理结果。本实施例中，在坐标轴上，可基于粗调基础后的单自由度依次摆动光纤准直器直径对应弧度后寻找最大耦合率位置，即在粗调位置的基础上，第二微调架在一定转动方向上摆动此时光纤准直器直径对应的弧度，并存储实时摆动的光功率计值为一个数组，摆动完成后寻找光功率计值最大数值。其对应的位置即为第一转动方向上光耦合最大处。然后第二微调架在第二转动方向上摆动此时光纤准直器直径对应的弧度，并存储实时摆动的光功率计值为一个数组，摆动完成后寻找光功率计值最大数值。其对应的位置即为第二个转动方向上光耦合最大处。

上述任一技术方案中，对光纤输出的光源信号进行处理，得到第二处理结果，具体包括：实时监控光功率测量装置的测量值；对光纤通讯光器件进行位移调节后检测光功率值；根据光功率测量装置的测量值和光功率值得到第二处理结果。

在该技术方案中，通过光功率计实时测量光功率值。通过实时监控光功率计值并在粗调阶段检测到的光功率值为基准的第一转动方向和第二转动方向的单自由度依次摆动准直器直径对应弧度后寻找最大耦合率位置处，此时为光纤对准耦合最佳处。

根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。

附图说明

根据本发明的实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为相关技术中机械视觉***示意图；

图2为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的组成示意图；

图3为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的结构框图；

图4为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的图像采集装置的组成示意图；

图5为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的主视结构示意图；

图6为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的俯视结构示意图；

图7为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的结构示意图；

图8为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的光纤通讯光器件的主视结构示意图；

图9为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的光纤通讯光器件的侧视结构示意图；

图10为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的光纤通讯光器件的应用状态的结构示意图；

图11为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准方法的流程图之一；

图12为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准方法的流程图之二；

图13为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的图像金字塔图；

图14为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的高斯金字塔与拉普拉斯金字塔的结构图；

图15为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的实时监测梯度搜索陷入局部最大死循环示意图之一；

图16为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的实时监测梯度搜索陷入局部最大死循环示意图之二；

图17为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准设备的实时监测梯度搜索陷入局部最大死循环示意图之三；

图18为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准方法的流程图之三；

图19为根据本发明的一些实施例的光纤自动耦合对准方法的流程图之四。

其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

100′：机器视觉***。

其中，图2至图19中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

100：光纤自动耦合对准设备；110：光纤通讯光器件；112：第一1/4节距自聚焦透镜；114：第二1/4节距自聚焦透镜；120：处理装置；122：运动控制模块；124：显示处理模块；126：图像识别与处理模块；128：粗扫描算法模块；1210：精扫描算法模块；130：图像采集装置；132：第一图像采集元件；134：第二图像采集元件；140：控制装置；142：第一控制组件；1422：第一夹具；1424：第一微调架；144：第二控制组件；1442：第二夹具；1444：第二微调架；146：控制器；150：光功率测量装置：160：光学防震平台；170：激光器；180：显示器；200：第一光纤；300：第二光纤；400：等高线；500：金字塔；X：第一方向；Z：第二方向；Y：第三方向。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解根据本发明的实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对根据本发明的实施例进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在相关现有技术中，光纤与光纤的耦合对接或对光，使产品存在重复性差、性能一致性差、成品率低、生产效率很低、生产成本高的问题，高效率、缩短对准耦合时间的需求被显现出来。

近年来机器视觉技术在各个领域得到了广泛的应用。作为一种高精度、高自动化的先进技术，机器视觉技术已经有着较完善的***，构成了机器视觉***100′，如图1所示。机器视觉技术从1930年后期诞生到现在近90年的时间,使多种机器具有了视觉的功能。机器视觉技术主要用于质量控制、过程控制和运动控制,其优越性吸引了越来越多人的关注。许多基于机械视觉的***已经发展的相当成熟，例如,利用机器视觉技术完成了对机械筛分集料按颗粒大小进行分级的***,其检测精度和速度已远远超过人工检测，而且工作质量高,可以长时间处在作业状态当中。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解根据本发明的实施例，但是，根据本发明的实施例还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，根据本发明的实施例的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

如图2所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准设备100，用于对第一光纤200和第二光纤300进行耦合对准，光纤自动耦合对准设备100包括：光纤通讯光器件110、处理装置120、图像采集装置130和控制装置140，光纤通讯光器件110用于接收第一光纤200和第二光纤300连接。处理装置120用于接收第一光纤200或第二光纤300的光信号。图像采集装置130用于在至少两个不同的方向上分别采集光纤通讯光器件110的轮廓图像并发送至处理装置120。控制装置140与处理装置120连接，且控制装置140用于调节第一光纤200和第二光纤300的位置以实现耦合对准。

本实施例中，光在光纤中有一定的散射角，直接耦合效率太低。如果采用视觉技术直接对光纤进行图像处理，由于光纤直径太小而不易提取图像边缘。光纤通讯光器件110可以是光纤准直器，第一光纤200可作为输入光纤，第二光纤300作为输出光纤，第一光纤200和第二光纤300分别连接到光纤通讯光器件110上。通过图像采集装置130采集光纤通讯光器件110的轮廓图像，使得提取图像边缘更容易。而通过在至少两个不同的方向上提取光纤通讯光器件110的轮廓图像，在处理装置120内通过计算机程序对两个方向上的轮廓图像进行轮廓图像的特征提取，然后通过分析得出分析结果，处理装置120根据分析结果控制控制装置140的动作，使得控制装置140驱动光纤通讯光器件110在不同的方向上可以移动，从而可以使得第一光纤200和第二光纤300能够实现耦合的粗对准。当处理装置120接收到第一光纤200或第二光纤300的光信号，处理装置120对光信号进行处理，得出处理结果，处理装置120根据处理结果，在粗对准的基础上，进一步对第一光纤200和第二光纤300进行精对准。因此，通过两步能够实现对光纤的自动对准耦合。

实施例2

如图3所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准设备100。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

光纤自动耦合对准设备100还包括：光功率测量装置150，光功率测量装置150设于处理装置120与第一光纤200或第二光纤300与之间，光功率测量装置150用于测量光功率并发送至处理装置120。

本实施例中，当第一光纤200作为输入光纤将光信号输入第一光纤200内，而第二光纤300作为输出光纤，可通过激光器发射激光作为进入第一光纤200的输入光，激光器连接第一光纤200，将红光直接耦合进入第一光纤200，第二光纤300的FC接口(光纤对接的一种接口标准形式)连接光功率测量装置150，光功率测量装置150可以是光功率计，用于实时测量接收到的红外光波长以及红外光功率值并发送至处理装置120，处理装置120根据光功率计实时测量的光功率值，并根在粗调阶段检测到的光功率值为基准，向控制装置140发出驱动信号，控制装置140根据驱动信号，在不同的方向上依次调节光纤通讯光器件110的最大耦合率位置处，此时，最大耦合率位置处为光纤对准耦合的最佳处。

实施例3

如图4所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准设备100。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

图像采集装置130包括：第一图像采集元件132和第二图像采集元件134，第一图像采集元件132设于第一方向X上，且第一图像采集元件132与处理装置120连接。第二图像采集元件134设于第二方向Z上，且第一图像采集元件132与处理装置120连接。其中，第一图像采集元件132和第二图像采集元件134分别用于采集光纤通讯光器件110的轮廓图像。

本实施例中，第一图像采集元件132和第二图像采集元件134可以分别为能够将光学图像转化为数字信号的相机，例如电荷耦合元件(Charge Coupled Device，简称CCD),CCD相机ZE可以称为CCD图像传感器,CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。在坐标***的X坐标上，X坐标为第一方向X，Z坐标为第二方向Z，Y坐标为第三方向Y。第一方向X用于设置第一图像采集元件132，在坐标***的Z坐标上，可以作为第二方向Z用于设置第二图像采集元件134。第一图像采集元件132和第二图像采集元件134分别在两个方向上对光纤通讯光器件110的轮廓进行图像采集，以分别获得轮廓图像。为了使得第一图像采集元件132采集到清晰的轮廓图像，在第一方向X上设置第一光源，第一光源与第一图像采集元件132同轴设置。同样地，为了使得第二图像采集元件134采集到清晰的轮廓图像，在第二方向Z上设置第二光源，第二光源与第二图像采集元件134同轴设置。第一图像采集元件132和第二图像采集元件134将分别采集到的轮廓图像转化成数字信号发送到处理装置120进行图像处理。

实施例4

如图5和图7所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准设备100。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

控制装置140包括：第一控制组件142和第二控制组件144，第一控制组件142与光纤通讯光器件110和处理装置120分别连接。第二控制组件144与光纤通讯光器件110和处理装置120分别连接。控制器146与第一控制组件142和第二控制组件144分别连接。

本实施例中，第一控制组件142和第二控制组件144分别与光纤通讯光器件110连接，第一控制组件142用于调节光纤通讯光器件110的位移，以达到对第一光纤200和第二光纤300进行粗调节的目的。第二控制组件144用于调节光纤通讯光器件110的转动角度，以达到对第一光纤200和第二光纤300进行精调节，从而使得第一光纤200和第二光纤300能够自动耦合对准。其中，控制器146分别向第一控制组件142和第二控制组件144发送信号。控制器146可以是七轴电机控制器，七轴电机控制器为电机控制器，可控制电机驱动第一控制组件142在不同的方向产生位移的变化，或七轴电机控制器驱动第二控制组件144产生转动角度的变化，从而达到控制光纤通讯光器件110的移动或转动，达到调节第一光纤200和第二光纤300对准耦合的目的。

实施例5

如图2所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准设备100。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

第一控制组件142包括：第一夹具1422和第一微调架1424，第一夹具1422与光纤通讯光器件110连接。第一微调架1424与第一夹具1422和控制器146分别连接，第一微调架1424用于调节光纤通讯光器件110的位移。

本实施例中，第一夹具1422为专用夹具，第一微调架1424为三维高精度电控微调架，可以在坐标轴的X轴、Y轴、Z轴的三方向向上发生位移的变动。第一微调架1424由控制器146进行控制，对光纤通讯光器件110分别进行三个方向上的位移调节，达到对第一光纤200和第二光纤300进行粗调节的目的。

实施例6

如图2所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准设备100。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

第二控制组件144包括：第二夹具1442和第二微调架1444，第二夹具1442与光纤通讯光器件110连接。第二微调架1444与第二夹具1442和控制器146分别连接，第二微调架1444用于调节光纤通讯光器件110转动的角度。

本实施例中，第二夹具1442为专用夹具，第二微调架1444为二维高精度电控微调架，可以在二维角度上进行转动。第二微调架1444由控制器146进行控制，对光纤通讯光器件110进行转动角度的控制，按单自由度依次摆动光纤通讯光器件110的直径对应弧度后寻找最大耦合率位置处，此时为光纤对准耦合最佳处，达到对第一光纤200和第二光纤300进行精调节的目的。

实施例7

如图6所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准设备100。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

光纤自动耦合对准设备100还包括：光学防震平台160。其中，控制装置140的至少一部分设于光学防震平台160上。

本实施例中，光学防震平台160用于安装轨道，控制装置中140中的第一微调架1424设于轨道上，可在控制器146的控制下沿轨道移动。控制装置中140中的第二微调架1444设于轨道上，可在控制器146的控制下转动角度。光学防震平台160能够减少第二微调架1444在转动过程中或第一微调架1424在移动过程中产生的震动，从而可以保证第一光纤200与第二光纤300在耦合对准过程中的效率和准确性。

实施例8

如图11所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准方法，采用任一实施例的光纤自动耦合对准设备100，光纤自动耦合对准方法包括：

步骤S102：在至少两个方向上分别采集光纤通讯光器件的轮廓图像。

步骤S104：对轮廓图像进行处理，得到第一处理结果。

步骤S106：根据第一处理结果对光纤通讯光器件进行位移调节。

步骤S108：对光纤输出的光源信号进行处理，得到第二处理结果。

步骤S110：根据第二处理结果对光纤通讯光器件进行角度调节。

本实施例中，通过在至少两个方向上采集光纤通讯光器件的轮廓图像，对两个方向上的光纤通讯光器件的轮廓图像进行对比等处理，得到第一处理结果，根据第一处理结果能够对光纤通讯光器件进行位移调节。通过对光纤输出的光源信号进行处理得到第二处理结果，根据第二处理结果对光纤通讯光器件进行角度，从而达到了对第一光纤200和第二光纤300进行对准耦合的目的。

实施例9

如图12所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准方法。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

对轮廓图像进行处理，得到第一处理结果，具体包括：

步骤S202：对至少两个方向的轮廓图像分别进行高斯模糊后降采样的高斯金字塔算法。

步骤S204：根据高斯金字塔算法提取轮廓图像的边缘特征。

步骤S206：根据边缘特征计算相对偏差并纠正偏差。

步骤S208：计算出纠正偏差之后的边缘特征相互平行的位置坐标。

步骤S210：根据位置坐标得到第一处理结果。

本实施例中，依据小孔成像原理可知，同规格的光纤准直器在远近角度不同的情况下所采样的图形效果是不一样的，近端的比较大，远端的比较小，近端的能知道图像的细节信息，远端的能看到图像的轮廓的信息，即在二维图像的基础之上加入了图像中自然存在的另一个维度：尺度。因为高斯核是唯一的线性核，也就是说使用高斯核对图像模糊不会引入其他噪声。因此，本实施例中选用了高斯核来构建轮廓图像的尺度。一幅图像的金字塔500是一系列以金字塔形状排列的分辨率逐步降低，且来源于同一张原始图的图像集合，如图13所示。金字塔500通过梯次向下采样可以在获得，直到达到某个终止条件才停止采样。金字塔500的底部是待处理图像的高分辨率表示，而顶部是低分辨率的近似。我们将一层一层的图像比喻成金字塔500，层级越高，则图像越小，分辨率越低。拉普拉斯金字塔用来从金字塔低层图像重建上层未采样图像，在数字图像处理中也即是预测残差，可以对轮廓图像进行最大程度的还原，配合高斯金字塔一起使用。如图14所示，这样使用高斯模糊后降采样的算法可以将同张图片上远近不同的目标物-光纤准直器的轮廓识别提取出来。

如图15所示，梯度搜索是一维搜索方法，而光纤对准需要多个自由度的调整，爬山法通过单自由度交替循环完成多轴对准，对准时间随自由度数的增加而增加，搜索时间较长的原因还在于爬山法采样点数较多。而且实际上，受平台直线度和垂直度的影响，对准时各运动方向上不可避免的存在交叉耦合，即一个方向的运动可能引起另一个方向的微小变化，梯度搜索通过变量轮换的原理实现多自由度搜索无法克服各方向变量之间的相互作用影响，如图16中，横轴与纵轴两个变量存在一定的相互作用，则等高线400不为圆形，两自由度之间的搜索将会多次反复搜索且当两变量的相互影响较大时会出现如图17中的“脊线”陷入局部最大点。实际操作时是更为不规则的函数，梯度搜索难以克服多自由度交叉耦合的影响，经常陷入局部最大而不能达到搜索目标。

基于以上分析，采用高斯金字塔算法提取轮廓图像的边缘特征，根据边缘特征计算相对偏差并纠正偏差，然后计算出纠正偏差之后的边缘特征相互平行的位置坐标，再根据位置坐标得到第一处理结果。本实施例中，在坐标轴上，可基于粗调基础后的θX和θY的转动方向上按单自由度依次摆动光纤准直器直径对应弧度后寻找最大耦合率位置。θX为第一转动方向，θY为第二转动方向。即在粗调位置的基础上，第二微调架1444先在第一转动方向上摆动此时光纤准直器直径对应的弧度，并存储实时摆动的光功率计值为一个数组，摆动完成后寻找光功率计值最大数值。其对应的位置即为第一转动方向上光耦合最大处。然后第二微调架1444在第二转动方向上摆动此时光纤准直器直径对应的弧度，并存储实时摆动的光功率计值为一个数组，摆动完成后寻找光功率计值最大数值。其对应的位置即为第二转动方向上光耦合最大处。

实施例10

如图18所示，本实施例提供了一种光纤自动耦合对准方法。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征：

对光纤输出的光源信号进行处理，得到第二处理结果，具体包括：

步骤S302：实时监控光功率测量装置的测量值。

步骤S304：对光纤通讯光器件进行位移调节后检测光功率值。

步骤S306：根据光功率测量装置的测量值和光功率值得到第二处理结果。

本实施例中，通过光功率计实时测量光功率值。通过实时监控光功率计值并在粗调阶段检测到的光功率值为基准，以θX为第一转动方向，以θY为第二转动方向，按单自由度依次摆动光纤准直器直径对应弧度后寻找最大耦合率位置处，此时为光纤对准耦合最佳处。

实施例11

如图3和图19所示，本实施例提供了一种基于图像处理的光纤自动耦合对准设备和方法，主要由硬件***和软件***两部分构成。硬件***主要由处理装置120、光纤通讯光器件110、第一微调架1424、第一夹具1422、第二微调架1444、第二夹具1442、图像采集装置130、控制器146、光源及测量***、光学防震平台160等构成。处理装置120为计算机控制部分，光纤通讯光器件110为光纤准直器，第一微调架1424、第二微调架1444为七维高精度电控微调架，图像采集装置130为XZ轴机器视觉观察***，控制器146为七轴电机控制器。软件***由运动控制模块122、图像识别与处理模块126、算法处理模块和显示处理模块124等构成，其中，算法处理模块包括粗扫描算法模块128和精扫描算法模块1210。显示处理模块124连接有显示器180。

如图5和图6所示，七维高精度电控微调架包括电动直线导轨、XY二维电动位移台、Z轴电动位移台和二维电动角度位移台，XY二维电动位移台、Z轴电动位移台构成第一微调架1424，第一微调架1424为七维电动位移台。第一夹具1422和第二夹具1442分别为光纤夹具。光源及测量***为光功率感应模块，光功率感应模块包括白光环形光源、激光器和光功率计。白光环形光源在X轴和Z轴方向各设置一个，CCD相机在X轴Z轴方向各一个。图像采集装置130由X轴方向和Z轴方向各一个白光光源和CCD相机实时采集清晰成像的侧视轮廓图像和俯视轮廓图像，处理装置120通过图像识别与处理模块126对轮廓图像进行边缘特征提取并计算相对偏差。光功率计对光纤输出端进行实时检测，运动控制部分包括七维电动位移台、七轴电机控制器和光纤夹具。由图像识别与处理模块126和光功率感应模块所得实时数据确定对准位置控制机器运作实现第一光纤200和第二光纤300进行高精度自动对准耦合，处理装置120为人机交互模块，包括PC端、鼠标和键盘，此实验PC端装载Halcon软件与Visual Studio软件，采用Halcon与C#联合编程进行二次开发。

如图8和图9所示，光在光纤中传输具有一定的散射角，即直接耦合效率较低。如图8所示的自聚焦透镜光纤准直器是通过自聚焦透镜将光纤中的光束进行扩束，其准直度较高。如图10所示，为光纤准直器型光纤耦合示意图，光纤准直器的自聚焦透镜包括第一1/4节距自聚焦透镜112和第二1/4节距自聚焦透镜114。输入光纤出射的光束经过自聚焦透镜后变成平行光束，平行光束再耦合进入对应的自聚焦透镜(高稳定性，高可靠性，小光束发散角)，由自聚焦透镜耦合光信号进入光纤。然而相比光纤与光纤直接耦合光信号的***，自聚焦透镜耦合光信号的***对轴向误差和离轴偏差的敏感度较低。此时，使用图像粗调的方式避开了对轴向误差和离轴误差的敏感度的要求。

如图13和图14所示，依据小孔成像原理可知，同规格的光纤准直器在远近角度不同的情况下所采样的图形效果是不一样的，近端的比较大，远端的比较小，近端的能知道图像的细节信息，远端的能看到图像的轮廓的信息，即在二维图像的基础之上加入了图像中自然存在的另一个维度：尺度。因为高斯核是唯一的线性核，也就是说使用高斯核对图像模糊不会引入其他噪声，因此就选用了高斯核来构建图像的尺度。一幅图像的金字塔是一系列以金字塔形状排列的分辨率逐步降低，且来源于同一张原始图的图像集合。其通过梯次向下采样可以在获得，直到达到某个终止条件才停止采样。金字塔的底部是待处理图像的高分辨率表示，而顶部是低分辨率的近似。我们将一层一层的图像比喻成金字塔(如图13所示)，层级越高，则图像越小，分辨率越低。拉普拉斯金字塔(如图14所示)用来从金字塔低层图像重建上层未采样图像，在数字图像处理中也即是预测残差，可以对图像进行最大程度的还原，配合高斯金字塔一起使用。这样使用高斯模糊后降采样的算法可以将同张图片上远近不同的目标物准直器轮廓识别提取出来。

如图15所示，梯度搜索是一维搜索方法，而光纤对准需要多个自由度的调整，爬山法通过单自由度交替循环完成多轴对准，对准时间随自由度数的增加而增加，搜索时间较长的原因还在于爬山法采样点数较多。而且实际上，受平台直线度和垂直度的影响，对准时各运动方向上不可避免的存在交叉耦合，即一个方向的运动可能引起另一个方向的微小变化，梯度搜索通过变量轮换的原理实现多自由度搜索无法克服各方向变量之间的相互作用影响，如图15中，横轴与纵轴两个变量存在一定的相互作用，则等高线400不为圆形，两自由度之间的搜索将会多次反复搜索且当两变量的相互影响较大时会出现如图16中的“脊线”陷入局部最大点。实际操作时是更为不规则的函数，梯度搜索难以克服多自由度交叉耦合的影响，经常陷入局部最大而不能达到搜索目标。

基于以上分析，采用高斯金字塔算法提取轮廓图像的边缘特征，根据边缘特征计算相对偏差并纠正偏差，然后计算出纠正偏差之后的边缘特征相互平行的位置坐标，再根据位置坐标得到第一处理结果。本实施例中，在坐标轴上，可基于粗调基础后的θX和θY单自由度依次摆动光纤准直器直径对应弧度后寻找最大耦合率位置，即在粗调位置的基础上，第二微调架1444先在θX方向上摆动此时光纤准直器直径对应的弧度，并存储实时摆动的光功率计值为一个数组，摆动完成后寻找光功率计值最大数值。其对应的位置即为θX方向上光耦合最大处。然后第二微调架1444在θY方向上摆动此时光纤准直器直径对应的弧度，并存储实时摆动的光功率计值为一个数组，摆动完成后寻找光功率计值最大数值。其对应的位置即为θY方向上光耦合最大处。

如图3和图19所示，一种基于图像处理的光纤自动对准方法包括如下步骤：

粗调阶段：

步骤S402：XZ轴相机视野内拍摄左右目标位置图像至PC端。

在Z轴方向第一组CCD相机垂直固定在光纤准直器-光纤准直器耦合位置的上方，白光环形光源固定在相机之下对耦合处进行照明，在X轴方向第二组CCD相机水平固定在光纤准直器-光纤准直器耦合位置的前方，白光环形光源固定在相机之下对耦合处进行照明。XZ轴两组CCD相机实时采集视野内图像并传输至PC端。

步骤S404：PC端进行图像处理获取左右目标位置坐标。

PC端通过图像处理对图像中的光纤准直器边缘特征进行提取并计算相对偏差(为0时停止)，通过算法矫正偏差计算出使边缘特征平行的位置坐标。

步骤S406：判断是否目标位置坐标平行。

步骤S408：如果判断结构为否，则七轴控制器控制微调架使左右目标粗对准，并回到步骤S404。

PC端通过七轴电机控制器控制左右微调架多次调整达到矫正的位置坐标完成粗调。

步骤S410：如果判断结果为是，则PC端读取光功率计值。

步骤S412：判断是否光功率计值最大。

如果判断结果为是，则结束。

步骤S414：如果判断结果为否，则控制二维角度位移台精对准，并回到步骤S410。

精调阶段：激光器170连接第一光纤200，将红光直接耦合进入第一光纤200，第二光纤300的FC接口连接光功率实时测量接收到的红外光波长以及红外光功率值并发送至PC端。

PC端通过七轴电机控制器控制二维角度位移微调架进行微调，实时监控光功率计值并在粗调阶段检测到的光功率值为基准θX和θY单自由度依次摆动准直器直径对应弧度后寻找最大耦合率位置处，此时为光纤对准耦合最佳处。

在根据本发明的实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在根据本发明的实施例中的具体含义。

根据本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述根据本发明的实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对根据本发明的实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于根据本发明的实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为根据本发明的实施例的优选实施例而已，并不用于限制根据本发明的实施例，对于本领域的技术人员来说，根据本发明的实施例可以有各种更改和变化。凡在根据本发明的实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在根据本发明的实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤自动耦合对准设备，用于对第一光纤和第二光纤进行耦合对准，其特征在于，所述光纤自动耦合对准设备包括：

光纤通讯光器件，所述光纤通讯光器件用于与所述第一光纤和所述第二光纤连接；

处理装置，所述处理装置用于接收所述第一光纤或所述第二光纤的光信号；

图像采集装置，所述图像采集装置用于在至少两个不同的方向上分别采集所述光纤通讯光器件的轮廓图像并发送至所述处理装置；

控制装置，所述控制装置与所述处理装置连接，且所述控制装置用于调节所述第一光纤和所述第二光纤的位置以实现耦合对准。

2.根据权利要求1所述的光纤自动耦合对准设备，其特征在于，还包括：

光功率测量装置，所述光功率测量装置设于所述处理装置与所述第一光纤或所述第二光纤之间，所述光功率测量装置用于测量光功率并发送至所述处理装置。

3.根据权利要求1所述的光纤自动耦合对准设备，其特征在于，所述图像采集装置包括：

第一图像采集元件，所述第一图像采集元件设于第一方向上，且所述第一图像采集元件与所述处理装置连接；

第二图像采集元件，所述第二图像采集元件设于第二方向上，且所述第一图像采集元件与所述处理装置连接；

其中，所述第一图像采集元件和所述第二图像采集元件分别用于采集所述光纤通讯光器件的轮廓图像。

4.根据权利要求1所述的光纤自动耦合对准设备，其特征在于，所述控制装置包括：

第一控制组件，所述第一控制组件与所述光纤通讯光器件和所述处理装置分别连接；

第二控制组件，所述第二控制组件与所述光纤通讯光器件和所述处理装置分别连接；

控制器，所述控制器与所述第一控制组件和所述第二控制组件分别连接。

5.根据权利要求4所述的光纤自动耦合对准设备，其特征在于，所述第一控制组件包括：

第一夹具，所述第一夹具与所述光纤通讯光器件连接；

第一微调架，所述第一微调架与所述第一夹具和所述控制器分别连接，所述第一微调架用于调节所述光纤通讯光器件的位移。

6.根据权利要求4所述的光纤自动耦合对准设备，其特征在于，所述第二控制组件包括：

第二夹具，所述第二夹具与所述光纤通讯光器件连接；

第二微调架，所述第二微调架与所述第二夹具和所述控制器分别连接，所述第二微调架用于调节所述光纤通讯光器件转动的角度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤自动耦合对准设备，其特征在于，还包括：

光学防震平台；

其中，所述控制装置的至少一部分设于所述光学防震平台上。

8.一种光纤自动耦合对准方法，采用如权利要求1至7中任一项所述的光纤自动耦合对准设备，其特征在于，所述光纤自动耦合对准方法包括：

在至少两个方向上分别采集光纤通讯光器件的轮廓图像；

对所述轮廓图像进行处理，得到第一处理结果；

根据第一处理结果对所述光纤通讯光器件进行位移调节；

对光纤输出的光源信号进行处理，得到第二处理结果；

根据第二处理结果对光纤通讯光器件进行角度调节。

9.根据权利要求8所述的光纤自动耦合对准方法，其特征在于，所述对所述轮廓图像进行处理，得到第一处理结果，具体包括：

对所述至少两个方向的所述轮廓图像分别进行高斯模糊后降采样的高斯金字塔算法；

根据所述高斯金字塔算法提取所述轮廓图像的边缘特征；

根据所述边缘特征计算相对偏差并纠正偏差；

计算出纠正偏差之后的所述边缘特征相互平行的位置坐标；

根据所述位置坐标得到所述第一处理结果。

10.根据权利要求8所述的光纤自动耦合对准方法，其特征在于，所述对光纤输出的光源信号进行处理，得到第二处理结果，具体包括：

实时监控光功率测量装置的测量值；

对所述光纤通讯光器件进行位移调节后检测光功率值；

根据所述光功率测量装置的测量值和所述光功率值得到所述第二处理结果。

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