摘 要

Abstract II

绪论 1

1.1 课题的目的 1

1.2 研究背景及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国外研究现状 2

1.3.2 国内研究现状 3

第2章 光纤发散角的测量方案设计 4

2.1光纤发散角检测 4

2.2 光斑大小 5

2.3 光斑大小的测量方法 6

2.3.1 基于CCD的面阵探测法 6

2.3.2 机械扫描法 7

2.4 光斑中心的测量 7

2.4.1 重心法 8

2.4.2 最小二乘法拟合 8

2.5 系统方案设计 8

2.5 本章小结 9

第3章 硬件系统的设计 10

3.1系统平台设计 10

3.2 本章小结 12

第4章 软件系统的设计 13

4.1软件系统与相机SDK的介绍 13

4.2 系统的软件结构与流程图 14

4.3曝光时间的调整 16

4.4 软件界面 17

4.5 滤波 19

4.6 本章小结 20

第5章 实验结果与分析 22

5.1曝光时间自动调节 22

5.2 实验结果 23

5.3误差分析 25

5.4 本章小结 25

第6章 总结 26

致 谢 27

摘 要

随着光纤在各个市场领域中被广泛应用，导致市场对光纤的需求量也日益增加。所以生产光纤的效率和光纤的质量成了很重要的问题。其中，光纤发散角是能体现光纤质量的一个重要参数，我们必须想办法检测光纤的发散角。常规的发散角测量方法有刀口法、滚筒扫描法、空心探针扫描法等，不过这些方法中存在着机械运动，导致较大的机械位移误差。随之产生了更为有效的机器视觉技术，机器视觉技术属于一种综合技术，包括图像处理、计算机软硬件技术、图像卡、模拟与数字视频技术等。我们这里所运用的机器视觉技术主要研究用计算机来模拟人的视觉功能，即通过摄像机等得到图像，然后将它转换成数字化图像信号，再送入计算机，利用软件对数字图像信息进行计算和处理，通过计算机处理的结果我们可以得到我们想要的光纤发散角以及其他参数。

本文主要研究了光纤发散角的测量。软件系统是运用visual studio 2010软件搭建了MFC框架，成功读取拍摄到的图片并显示出来，再调用opencv对图像进行处理，从而得到光纤发散角。并且在此基础上，对实验结果和误差进行了分析。

关键词：机器视觉技术；光纤发散角；图像处理

Abstract

With the development of optical fiber has been widely used in various fields in the market, leading to market demand for fiber quantity is increasing. So the production efficiency and the quality of optical fiber has become a very important problem. The optical divergence angle is an important parameter to reflect the quality of the fiber, we must detect optical fiber to divergence angle the conventional method of measuring the divergence angle. With the knife edge method, drum scanning method, hollow probe scanning method, but there is a mechanical movement of these methods, leading to mechanical displacement of large errors. The resulting more machine vision technology, machine vision technology is a comprehensive technology, including image processing, computer hardware and software Technology, image card, analog and digital video technology. Based on the machine vision technology mainly used here we use the computer to simulate the human visual function, namely the images obtained by the camera, and then it is converted into digital image signal, and then sent to the computer, the digital image information computing and processing by software, to the control field according to the recognition results of the equipment movement.

This paper mainly studies the measurement of fiber divergence angle. The software system is the use of Visual Studio 2010 software to build the MFC framework, read successfully captured images and displayed, and then call the opencv for image processing, in order to get the fiber divergence angle. And on this basis, the experimental results and error analysis.

Key Words：Machine vision technology; optical divergence angle; image processing

绪论

1.1 课题的目的

随着信息化时代的到来，光纤已经被广泛应用到各个领域，其重要性不言而喻。不仅如此，光纤还有许多出众的优点吸引着人们，如重量轻，传输损耗低，占空间小，容量大，有极强的抗外界干扰能力等。尤其是在通信方面，已经从实验室走向了实用阶段^[1]。

但是又出现了一个很重要的问题，光纤虽然被广泛使用，但其生产效率和其质量成了一个重要的研究目标。而光纤发散角是说明光纤质量的一个重要参数，所以如何检测光纤发散角成了一个急需解决的问题。随之诞生了机器视觉技术，机器视觉检测系统的原理是在测量被测物体的过程中^[2]，从拍摄到的被测物体的图像中提取有用的信号并且传输到电脑中，然后将此信号转化成能被电脑软件处理的数字信号，通过对拍摄到的图像进行处理从而得到我们想要的参数^[3]。

1.2 研究背景及意义

自从光纤被用于通信，光纤逐渐出现在人们的视野中。但是在光纤使用的最初阶段，由于生产技术的不足，导致生产效率不高和生产出的光纤质量一般，开始并没有引起大家的关注。但是随着互联网的迅猛发展，最开始的通信网络已经无法满足客户的需求。后来随着生产工艺的慢慢提高，光纤在传输中的损耗渐渐降低达到了客户的需求。不仅如此，光纤通信高速度、大容量、低损耗等优点也渐渐被人们所发现，导致光纤慢慢受到大家的青睐。

目前光纤大部分运用在光纤通信领域中，在光纤通信领域中，光纤的应用非常多而且广泛，它一定会在未来的社会中起到非常关键的作用。依照我国现在的通信技术领域的发展，光纤的应用必然会在一定程度上代替其他的信息传送方式，而成为未来的主流技术^[4]。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

目前，在国外一些发达国家机器视觉技术发展的相对较快，光纤的各方面应用也比较成熟，主要集中在电子行业和半导体行业。不仅如此，国外对光束分析系统研究的比较早，也形成了比较成熟的测量理论^[5]。然而，国外最先开始并不看好光纤，他们研究的对象是激光器。激光器发出的光束发散角特别小，光束能量非常集中，导致无法保证激光器与探测器的距离适中，不好对其发散角进行很好的测量。后来研究方向转向了光纤，光纤的直径比较小，相对而言，其发出的光线发散角远远大于激光器，更加易于测量。但是，二者的测量原理几乎大同小异，都是通过测量光斑的大小来计算光纤发散角^[6]。

国外对光束质量分析按照其测量原理主要可以分为：机械扫描法和基于CCD的面阵探测法。机械扫描法是一种比较成熟的光束质量检查的发放，它的原理是利用狭缝等器件直接对光束进行反复扫描来计算光斑的大小，从而去得到光纤发散角。虽说技术已经很成熟，但是还是存在不少问题。因为是机械扫描，不可避免的会出现许多外界干扰和人为因素，导致测量结果不准确。而且扫描的时间很长，所以精确度和稳定性不是那么让人满意。

相对而言，基于CCD的面阵探测法在稳定性和精度方面比机械扫描法要好很多。它是使用CCD直接去捕获光斑的图像，然后送入计算机，通过计算机对光斑图像进行处理从而得到光束的相关参数。由于不像机械扫描那样需要来回扫描，测量的时间会变短，也就是测量速度加快了，而且稳定性更好，结构简单。现在，很多比较常用的光束检测系统都会采用这种方法。虽然这种方法比较好，但是还有一点点小缺陷，对于大功率的激光光束，CCD比较容易饱和，导致测量结果不那么准确^[8]。

1.3.2 国内研究现状

相比国外而言，国内对光束参数测量的研究相对较晚。但是随着光纤和激光器被广泛应用于各个领域，很多研究机构开始了对光束质量分析系统的研究。

早在1965年，麻省理工学院的Roberts在他的论文中叙述了以计算机理论为基础实现从拍摄物体的二维图像得到物体三维形状信息具备可能性，从此开辟了以解析物体三维场景为目的的机器视觉理论与实践研究。自20世纪70年代中开始，Marr领衔的研究学者们创立了系统化的计算机视觉理论，该理论奠定了计算机视觉理论部分研究的基础，可称得上是里程碑式的进展，理论的核心内容即是以二维图像为基础恢复出物体三维几何形状^[7]。自从20世纪80年代以来，机器视觉的研究一直属于现代高科技研究中一块非常活跃的研究领域，并且逐渐从实验室研究转向实际的应用。到90年代，计算机视觉在工业环境中得到广泛应用，同时，基于多视几何的视觉理论也得到迅速发展^[9]。

和国外相比，国内对光束质量参数的测量还不那么成熟，尚且还在试验阶段，并没有完全的应用到工业生产中。虽然国内的机器视觉还存在一些问题，但是随着我国科研技术的不断发展，在视觉软件、光源等机器视觉产品上还是取得了一些研究成果，仍有较大的改善空间^[10]。

第2章 光纤发散角的测量方案设计

2.1光纤发散角检测

由于光纤的广泛应用，光纤的数值孔径也慢慢开始被研究。光纤的数值孔径与光纤的生产材料的折射率有关。不同的厂生产出来的光纤的数值孔径也必然不一样，在实际生活中，光纤的数值孔径是通过测量光纤的发散角来得到的。

图2.1 光纤发散角测量示意图

光纤发散角的测量方法如图2.1所示，图中d代表距离光纤断面L处的光斑半径，Z轴是光纤的中轴。这样我们只要知道距离L和宽度d就能够测得光纤的发散角，从而进行光纤参数的质量分析。

其中，tanθ = d/L。 我们可以对其求反三角从而求得光纤的发散角。现在，我们知道了如何去测的光纤的发散角，但是现在关键在于如何去得到光斑的半径d.光纤发出的光束可以近似看成高斯分布。因此，对光纤发散角的测量也转变成了对光斑的半径的测量。

2.2 光斑大小

根据电磁场理论可以推导出光纤发出的光束的分布近似于高斯分布，所以光纤端面模场分布可以表示为