中北大学学位论文ｎｅｗｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ，ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｃｈｅａｐｃｏｓｔａｎｄｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅＦＯＴｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ。Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔａｐｅｒ，Ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ，Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ，Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ知识水坝@pologoogle为您整理
原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：｝日期：翻：！：二二关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括；①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。中北大学学位论文第１章绪论１．１光纤光锥光学特性研究的背景及意义１．１．１光纤光锥简介光纤光锥是由成千上万根光学纤维经规则排列、加热、加压融合、扭转、拉锥等一系列工艺制成，其中每一根纤维由高折射率的芯玻璃和低折射率的包皮玻璃构成，入射光依据全反射原理从每根纤维的一端传向另一端。光纤传像元件包括光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥。光纤光锥是光纤面板的一种特殊形式。图１．ｉ光纤面板图１．２光纤光锥ｌＪ光纤面板如图１．１所示，由数千万根直径为５～６ｍ的光导纤维规则排列后，加温、加压熔合而成。它在光学上具有零厚度，有很高的集光能力和分辨率，可无失真地传递高清晰度图像，是性能优越的光电成像和图像传输器件。主要用于微光像增强器的输入窗或输出窗和ＣＲＴ象管的显示屏，对改善器件的像质起着无法替代的作用““２Ｍ“¨”。光纤光锥如图１．２所示，是另一种形式的光纤面板，也是由直径为５～６ｐｍ的光导纤维规则排列，每根纤维均匀拉伸成锥型的图像传输器件。目前世界上最大的商用光纤光锥直径能达２００ｒａｍ删。光纤光锥具有将图像放大和缩小特定倍数的作用，可以获得短的物像距。理论上，光锥的大端和小端的直径之比可以达到４０：１，但由于制造过程中技术的限制，实际的光纤光锥的大端和小端直径比的范围为２：１到１０：１”１。中北大学学位论文１．１．２光纤光锥应用目前光纤光锥的主要用途是将图像从像增强器耦合到ＣＣＤ（电荷耦合器件）上或作为图像放大缩小器件。１）光纤光锥与ＣＣＤ的耦合ＩＣＣＤ图像传感器已经广泛的应用于微光夜视、目标识别及探测、激光制导、机器人视觉以及高分辨率ｘ射线医学成像等领域。利用光学中继元件，将微光管光纤面板荧光屏输出的图像耦合到ＣＣＤ的光敏面上，如图１．３所示，实现微光摄像和高分辨率成像。在设计或采用光学中继元件时，必须考虑尽可能的收集从增强器输出的光子能量，并且能够以最小的像差投影到ＣＣＤ的光敏面上。像增强器和ＣＣＤ耦合的最常用的方法就是利用成像物镜或者是采用光锥作为中继元件吲。图１．４是一个光学中继器与ＣＣＤ耦合的示意图，荧光屏发出的光分布于１８０。半个空间，可以看作是一个朗伯源，利用物镜作为中继元件只能传输其小部分的光子能量。如图１．４（ａ），透镜与ＣＣＤ耦合的效率仅为５％，而高质量光锥与ＣＣＤ耦合时的耦合效率能达到７０％Ｃ９１。图１．３光纤光锥与ＣＣＤ耦台实物图中北大学学位论文ｐｈｏｔｃｘａｔｈⅨｉｅｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔｓｃｒｅｅｎｌ三＼；三＼、Ｌ三三一ｊ／习』ｒｄａｙｏ哦ｉｃｊ三／／／ｌ曩ｆｉｂｅｒａ叫ｃｔａｐｅｒｍＩ憎Ｖｎｇ（ａ）透镜系统（ｂ）光纤光锥耦合系统图１．４ＣＣＤ耦台应用光纤光锥与ＣＣＤ祸合可制成ｘ射线探测器，广泛的应用于同步加速器大分子化合物结晶学和ｘ射线散射实验““。但由于工艺上的原因，研制一个大面积高灵敏度的光纤光锥与ＣＣＤ耦合的ｘ射线探测器还存在一定的困难ｍ１。目前，ＣｏｎｄｏｒＴＭ－４８６：２００超敏感探测器是世界上商用像敏面积最大的科学级相机与直径为２００ｒａｍ的光纤光锥耦合而成，其ＣＣＤ有效面积达到６０×６０ｍｍ２，分辨率是４ＫＸ４Ｋ“１。２）像的增大与缩小光纤光锥的放大倍率通常是光纤光锥的大端与小端的直径之比。由于任何方向的光线进入光锥后都能够传播，所以光锥相当于一个放大镜或缩小镜。通常，利用光纤光锥来放大或缩小数字图像。这种技术广泛的应用于ｘ射线结晶学、ｘ射线高分辨率传像、非接触式测量（ＮＤＴ）等各个领域“”。此外还可以根据需要，经过严格的工艺，制成非线性放大光纤光锥，如中间放大倍率高，边缘放大倍率低的光锥，可以用来对人眼视力进行矫正ｍ。光纤光锥可以广泛应用于军事、刑侦、航天、医疗等领域的ＣＣＤ耦合、象增强器耦合、光电倍增管耦合和医疗射线拍片，以及高清晰度电视成像和先进的办公设备图像应用方面，是一种很有前途的光学纤维元件，不久将会在各种光学和电子光学仪器中越来越显示出它的优越性。１．１．３光纤光锥光学特性研究背景及意义鉴于光纤光锥的优越性及其广泛的用途，对光纤光锥的研究尤为重要。透过率、分辨率、放大率和传像质量是反映光纤光锥特性的主要参数。影响透过率的因素有填充系３中北大学学位论文数、光纤端面反射损失、纤芯吸收损失、光纤内全反射损失、不满足全反射的泄漏、包层过薄的消逝波损失、纤芯与包皮接触面存在缺陷或污染物、纤芯内部气泡及结石缺陷、工艺过程造成的芯皮问扩散现象和折射率分布改变等，这些不完善的光学绝缘性产生的杂散光还会造成光纤间的串光，降低分辨率。影响这些特性参数的因素很多，为了改进工艺，提高产品质量，必须对这些参数进行测量。山西长城微光器材股份有限公司所生产的光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥产品技术先进，应用领域广，发展潜力大，产品出口法国、日本、俄罗斯、美国、以色列等多个国家，被业内人士认为是最大的光纤传像元件生产基地。不同的应用领域，对光纤传像元件性能要求也不同，为了满足不同领域对光纤传像元件的需求，需要对光纤传像元件的参数进行测量，特别是对光纤光锥光学特性的测量。目前国内光纤传像元件的参数测试一直没有明确的规定标准，光纤面板的相关标准已经制定，有待更新，而光纤倒像器、光纤光锥的国家标准国家有关部门正在制定。本课题就是在这样的背景下，与山西长城微光器材股份有限公司合作研制出一套简洁方便的光纤传像元件参数测量方案，主要是针对光纤光锥的光学特性进行测试，在理论上解决光纤传像元件，特别是光纤光锥的光学特性参数测量的系列问题。将光纤传像元件参数测试仪的测试结果与国外的测试结果相比对，以验证其测量的准确性。同时本课题组还与国标制定参与单位积极联系，达成合作共识，促进光纤传像元件的参数测试标准制定工作。１．２光纤光锥特性参数光纤光锥作为一种图像耦合器件，其传像质量的好坏直接关系到整个系统成像的品质。它的性能设计要求及生产工艺控制均十分严格。１）漫射光积分整体透过率在要求的光谱覆盖范围（这里可理解为白光）的漫射光照射下，光纡光锥的出入射光辐射通量之比，即为漫射光透过率。２１漫射光光谱透过率在某一光谱范围的漫射光照射下，光纤光锥的出入射光谱辐射通量之比，即为漫射光光谱透过率。４中北大学学位论文３）局部透过率局部透过率是指光纤光锥表面某局部区域的透过率。４）透过率相对误差根据用户定单要求，可对特定部位（如中心和边缘部位）、一定大小和形状区域（直径为ｌ嘲的圆等）的两个局部透过率（乇和％），按△＝玉｛二三蔓求得所要求的透过率‘Ｃ相对误差△。５）平行（准直）光积分整体透过率在要求的光谱范围（这里可理解为白光）的准直光照射下，光纤光锥的出入射光辐射通量之比，即为平行（准直）光积分整体透过率。６）平行（准直）光光谱透过率在特定的光谱范围的准直光照射下，光纤光锥的出入射光谱辐射通量之比。刀桶／枕形失真桶形失真如图１．５ｂ所示，标准图像通过光纤光锥后，画面里桶形膨胀状的失真现象‘…。枕形失真如图１．５ｃ所示，标准图像通过光纤光锥后，画面向中间收缩的失真现象…３。ａ．标准ｂ．桶形失真图Ｊｒ．５桶枕形失真ｃ．枕形失真８）放大倍率放大倍率一般定义为像长度与实物长度之比。光锥作为一个像放大器或缩小器，它的放大（或缩小）倍率就是锥体本身大端直径与小端直径之比。９１分辨率表征元件对所传递图像细节的一种分辨能力。用单位长度内的线对数表示。主要决定于元件的纤维尺寸及排列方式。对光纤光锥来说，由于光锥的两端纤维直径的不同，５中北大学学位论文因此光锥大端与小端分辨率是不同的。ｌＯ）斑点鸡丝光纤光锥是由大量光导纤维排列压制在一起，经切、磨、抛等工艺制成，在生产过程中不可避免会出现个别断丝现象，用均匀光照明输入端时，输出端会出现斑点、鸡丝图案，将其称为斑点鸡丝。斑点，指那些透光低的小区域；鸡丝，指在复丝的交界处２～４个纤维宽度的黑色纤维丝图案，而复丝是指在工艺上由芯棒和皮料管组成的复合棒拉制形成的复合丝。斑点鸡丝是光纤光锥的具体质量指标““…“““”“”。１，３光纤光锥参数测量方案已有的光纤光锥参数测量方法大多只能对个别参数进行测量，下面介绍几种常规的测试方案。１．３．１透过率测量１．无扫描光谱传感器测量方案“”如图１．６所示，此系统是对光学器件光谱透过率进行测量，原理是利用无扫描光谱传感器分别测量指定光谱范围内透射光强和入射光强的比值。整个测量和分析系统由光源、光路系统、光谱测量传感器和计算机四个部分组成。０叫粼量Ｉ图１．６光学器件光谱透过率实时测量系统计算机光路部分采用非接触式无损测量方法。光谱测量传感器以平场全息凹面光栅为核一ｔＬ，、ＣＣＯ阵列为接收元件。由于待测样品的光谱测量值与环境因素（暗光谱、光源光谱）有关，因此在测量待测样品的光谱时，必须先测得暗光谱和光源光谱，然后根据下式进行计算：６中北大学学位论文Ｌ％：孕姿×１００％ｓｚ—Ｄｉ（１．１）式中乃为待测样品在波长九处的透过率，Ｓｍ为在波长入处样品透射光光强，以为在波长＾处暗光谱的光强，而为在波长入处光源光强。２．双积分球——滤光片方案“”方案简图如图１．７所示：１．光源２．聚光镜３．滤光片转盘４．漫射光源５．平行光源６．出射光阑７．接收光孔８．接收积分球９．光电倍增管ｌＯ．被测件图１．７双积分球——滤光片方案简图从图１．７中可以看出从光源发出的光经准直、滤光后进入漫射积分球，在漫射积分球口放置被测样品，再经过另一漫射积分球接收光线，光信号最后被接收积分球另一开口处的探测器接收；当采用平行光照时就需要移开漫射光源４，这时照在样品上的就是平行光了。样品放置或取出时需要移动接收积分球８。３．双积分球——单色仪方案“”中北大学学位论文１．光源２．聚光镜３．积分球ａ４．被测样品５．积分球ｂ６．光电探测器７．放大及Ａ／Ｄ变换器８．微机９岸色仪图１．８双积分球——单色仪方案下面以光纤光锥的漫射光谱透过率为例加以说明，其装置原理如图１．８所示。为完成这一测量，需要获得不同波长的漫射单色光。按图中所示光源发光经聚光镜入射到单色仪，转动波长手轮则从单色仪出口狭缝处输出不同波长的单色光，单色光经积分球ａ由输出孔输出单色漫射光。测量端由积分球ｂ和光电探测器如光电倍增管构成。采用积分球ｂ的目的是实现大孔径角的信号接收并使探测器表面光照均匀化。光纤光锥透过率的确定要进行两次测量，一次是无光纤光锥时测定积分球ａ出射光的光谱分布，第二次是有光纤光锥时，光纤光锥出射光的光谱分布。对应波长上后者被前者除就可获得该波长下的透过率。各波长下透过率的排列就是光纤光锥的光谱透过率分布。４．毛玻璃——光电倍增管方案…１管图１．９毛玻璃——光电倍增管在像增强器中，光锥和像增强器的荧光屏紧密相接，荧光屏上涂覆许多粉末颗粒，倍增电子激发粉末颗粒产生光子，荧光屏实际就是由许多点光源组成的。光纤光锥的透过率理论模型就是光纤光锥在实际使用中透过率的真实反映。建立图１．９的测试装置，在此测试装置中，先利用平行光管得到平行光，照射到毛玻璃板上，利用毛玻璃的特性，中北大学学位论文就可产生类似荧光屏的漫射光，可以对不同锥度比（即放大率）的光纤光锥透过率进行测试。５．单积分球方案。”４３圈１．支架２．调节螺杆３调节螺母４．咖ｓ镜头６．待测样品７．积分球８．光调图１．１０单积分球方案如图１．１０，由稳流源提供２８５６Ｋ的标准光源，经积分球后输出的是均匀的漫射光，利用ＣＣＤ摄相机分别拍摄有无被测元件的图像，并通过同轴电缆传输到计算机；根据检测精度的要求，计算机内的ＰＣＩ图像采集卡将图像的模拟信号转化为８位、１２位或１６位灰度数字量，通过对这些数字量的相应处理，便可以得到透过率分布情况。１．３．２分辨率测量“１将鉴别率板图案通过２个对接的平行光管ｌ：ｌ成像在传像束输入端，由测量显微镜观察像束出射端的输出图像，运用抽样理论分析光纤光锥的传像机理，当输入鉴别率板图案的线对数高于ｌ／２光纤光锥抽样频率时，就会产生莫尔条纹现象，两者线对数之和为光纤光锥的抽样频率。鉴别率板图案像中线对最密的一组判定为光纤光锥分辨极限。１．３．３鸡丝斑点测量””用规定的朗伯光源与光纤光锥的一面接触并照明，用规定的放大倍数的显微镜或其它仪器，在垂直于表面的方向上检查光纤光锥的另一面，对出现的斑点亮度进行定量测９中北大学学位论文量。ｂ－－∥１／：—１］、≮丽ｎ图１．ＩＩ斑点鸡丝测量方案Ｉ量■诒■ｌ如图１．ｎ，由光源发出的白光经毛玻璃板形成漫射光后照明光纤面板，由显微物镜将光纤面板透光情况成像在ＣＣＤ上，通过图像处理求得鸡丝斑点的有效面积。Ｉ．３．３测试方法比较无扫描光谱传感器测量方法能实现对光学器件进行透过率、反射率的实时测量，同时还可对光源进行光功率、色度等自动检测工作，系统测量速度快、准确度高、功能多、自动化程度高，可扩展性好，但是整个系统实现起来较复杂，而且只能对光谱透过率进行测试。双积分球——滤光片方案能针对漫射光透过率进行简单有效的测量，由于积分球体积一般较大，移动不便，系统对结构的要求也比较严格，操作不方便。双积分球一一单色仪方案能针对光谱透过率进行有效的测量，同时也存在操作不方的缺点。毛玻璃——光电倍增管方案对于实验室测试光纤光锥的透过率比较有效，但由于其装置过于简单，不适合作为生产中使用的测试装置。单积分球方案测试效果好，并且能够将测试结果以图像的形式保存起来，有助于信息的存储和处理，但由于系统在光路设计上综合性不强，只能针对漫射光透过率进行测试。分辨率极限值测量主要是根据莫尔条纹现象理论推算出分辨率的极限值。而光纤面板的鸡丝斑点面积测量中，采用毛玻璃形成漫射光不够均匀，测量误差较大。以上测试系统最大的不足就是都只针对漫射光透过率、光谱透过率、分辨率、鸡丝斑点等参数中各别项进行简单有效的测量，而实际生产出的光纤光锥所需要测量的参数较多，如果将这些参数按以上仪器进行测量，测量过程复杂，而且所需的费用也高。本文就是在上述测量方案的基础上，开发一种综合、简洁的多参数测量系统，能够对光纤１０中北大学学位论文光锥的漫射光积分透过率、漫射光光谱透过率、准直光透过率、局部透过率、放大率、桶／枕形失真、分辨率、鸡丝斑点面积等参数进行综合测试。１．４论文的主要研究内容及章节安排１．４．１主要内容研究光纤光锥光学特性参数的测试方法，能够对光纤光锥的如下参数进行测试１）积分整体透过率２）局部透过率３）光谱透过率４）透过率相对误差５）准直光透过率６）光纤光锥放大率７）枕，桶形失真８）分辨率９）鸡丝斑点仪器操作简便、数据处理准确迅速、性能稳定可靠，能满足生产、科研的基本需要。具体工作如下：ｎ光路设计在ＣＣＤ图像传感器测量原理上，选用合适的光学器件，使测量能够满足整体积分透过率、准直光透过率、光谱透过率等对光源的要求。系统经过调试，可以真实的对光纤光锥进行图像采集。２）图像处理通过对采集的图像进行处理，提取光纤光锥的参数信息。１．４．２章节安排第一章介绍了光纤光锥参数测量的背景及意义，对现有的几种光纤光锥参数测试方法进行了简要的说明，并比较了各种测量方法的优缺点，提出了的测试要求。中北大学学位论文第二章从光电仪器设计基本理论入手，提出了平行光管——单积分球——ＣＣＤ的测量方案。根据课题的特殊要求对照明系统、光谱匹配、ＣＣＤ相机及镜头的选取进行了详细的研究和分析。第三章从理论上分析了光纤光锥的分辨率、透过率、斑点鸡丝的产生和影响因素。第四章介绍了参数提取过程中涉及到的图像预处理方法，包括直方图均衡化、形态学运算、图像锐化滤波等，并对图像处理软件ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ进行了二次开发，能够对透过率进行处理。第五章对光纤光锥各参数检测过程中的图像采集步骤、图像处理原理和方法进行了详细的描述，得出实验结果，并对实验结果做出了分析。最后对论文进行了总结。２中北大学学位论文第二章系统设计２．１光电检测系统基本工作原理光电检测系统是以光为媒介，以光电探测器件为手段，将各种待检测量转变成电量（电流、电压或频率）。光电检测系统如图２．１所示，基本组成部分可分为：光源、光学系统、被检测对象及光信号的形成、光电传感器、信息处理等部分。光源广—１光学系统凳甚掣船卜医亟）１匦２．１光电检测系统框图光源：作为携带待测信息的物质，系统中要按需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间分布的光源。有时光源本身就是待测对象。光学系统：通常在检测中表征待测量的光信号可以是光强的变化、脉宽或脉冲数。光学系统主要目的就是为了更好地获得带测量的信息，以满足光电转换的需要。主要包括：光信号的调制、变光度、光谱校正、光漫射、会聚、扩束、分束等。被测对象及光信息的形成：光源所发出的光在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。光电转换：该环节是实现光电检测的核心部分。其主要作用是将光电信号转换成电信号㈨。基于ＣＣＤ的光纤光锥光学特性测量系统就是一个完整的光电检测系统，其被检测对象为光纤光锥光学特性参数，光电转换用到的是ＣＣＤ相机，即ＣＣＤ图像传感器，信息处理显示主要是通过图像采集卡将图像采集并显示于计算机上。中北大学学位论文２．２测量方案及测量原理２．２．１测量方案由于要求测量的参数多，综合性强，所以把各测量参数所需的测量光路结合在一起，组成以下系统方案图。Ｔ．平行光首８积分球９相机１０．镜头ｌＩ，相机架。…。ｌ娄撂．！二泉光塑．．ｉ：．澹光片赞耋４霖式缉５熏筒．６光阐图２．２系统方案图如图２．２所示，光源１发出的光通过聚光镜２汇聚后投射到滤光片转盘３上，滤光片转盘是一个装有９个不同中心波长的滤光片和一个空孔组成，通过转动滤光片转盘可以选取特定波长的光，当转至空孔的位置时，即透过的为白光。从滤光片３出射的光再通过聚光镜４将光汇集到平行光管的入口处。积分球放置到平行光管的输出端，其入射口的大小与平行光管的出口口径相匹配。相机放置于标有刻度的相机支架上，通过旋转固定相机的手轮，可以使相机在相机支架上上下移动，并且可以读出移动的距离。测量漫射光透过率时，首先对未放置光纤光锥时积分球出口处的光线进行图像采集。将ＣＣＤ相机的镜头对准积分球出孔处的光斑，通过调节光圈和焦距，使系统处于最佳状态，即显示器上显示图片为最清晰的状态，进行到底图像采集。然后将光纤光锥放置积分球出口处，相机的焦距和积分时间保持不变，将相机升高与光纤样品相同的高度，４中北大学学位论文对光纤样品进行图片采集，保存图像。通过对前后采集的两幅图像进行处理以求漫射光透过率。光纤光锥放大率测试时，首先将分化板放置于积分球出口处，将相机调整至最佳状态，对分化板进行图像采集；然后用于分尺测量光纤光锥的高度，将光纤光锥小头朝下，大头朝上放置分化板上，相机升高与光纤光锥相同的高度，不改变相机状态，进行图像采集。通过比较前后两次分化板的尺寸，得到光纤光锥的放大率。分辨率测试时，将光纤光锥放置积分球出口处，在光纤光锥下面放置一标准鉴别率板，滤光片转盘旋转置空孔位置，平行光管前放置套筒，将相机调整至最佳状态，进行图像采集。通过将采集的图像与标准分辨力靶板对比，读出其分辨率。测量鸡丝斑点面积时，由于鸡丝尺寸仅有几根纤维的大小，用一般的物镜很难将其准确的测量出来，需用显微物镜来代替普通的物镜。测量时，将经过计量部门计量过了的标准分化板放置在光纤光锥下面，然后将其整体放置到积分球出口处，相机调整到最佳状态，进行图像采集。通过图像处理软件对其标定处理，以求斑点鸡丝的面积。最后测量平行光透过率时，首先将ＣＣＤ相机的镜头对准积分球出孔处的光斑，通过调节光圈和焦距，使系统处于最佳状态，即显示器上显示图片最清晰的状态，进行图像采集，保存图像。然后将光纤光锥样品放置平行光管后积分球的入口处，保持相机的状态不变，再进行图像采集。通过对前后采集的两幅图像进行图像处理以求得平行光透过率。采集卡插在计算机的ＰＣＩ插槽中，数据线与相机相连。２．２．２系统测量原理光电检测系统检测原理归根到底就是光电传感器的工作原理。本系统用到的是ＣＣＤ图像传感器，下面介绍一下ＣＣＤ图像传感器的工作原理。基于ＣＣＤ的光纤光锥参数测量原理主要是ＣＣＤ工作在非饱和区时的光电转换为线性。存储于ｃｃＤ像敏单元中的信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收，并转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光转换因子Ｙ可达到９９．７％以上“１。光注入电荷Ｑ。中北大学学位论文Ｑ，ｏ＝碍ｑＮ。ｍ。‘２．１）式（２．１）中，蟹为材料的量子效率；ｑ为电子电荷量；Ⅳ。为入射光的光子流速率；Ａ为光敏单元的受光面积；ｔ为光子的注入时间。屺＝警＝等的关系为（２．ｚ）式（２．２）中，ｄ，Ｖ．。为光谱光子流速率，屯．。为光谱辐射通量，ｈｖ为波长为Ａ的光子能量。当辐射源为波长范围为＾。～＾。的复色光时，入射光的量子流速率与入射光谱辐射通量Ⅳ。＝也ｈｖｆ１２竺坳（２．３）即当辐射源为复色光，当光谱分布和积分时间不变时，光注入的电荷量与入射的辐射通量成线性关系，ＣＣＤ的光电转换是线性的。ＣＣＤ的光电转换为线性。２．３光源ＣＣＩ）应用系统可大致分为摄像和检测两种类型。不同类型对照明光源有不同要求，应根据需要选用。摄像是为了真实地记录景物的结构状态和颜色。而从色度学知道，景物的颜色与照明光源的光谱功率分布有关。不同光源光谱功率分布不同，因此在它们的照射下，物体表面呈现为不同颜色…１。人们对景物的观察一般是在日光照明下形成的，所以摄像应在日光或近似日光照明下进行。从色度学的实践考虑，人们不可能也没有必要在各种光源下测量颜色，而只需在约定的某些具有代表性的光源下测定物体颜色。为此，ＣＩＥ推荐了五种标准照明体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ啪１。而检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些持征参数；另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。对于前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了：而对于后者，应选用激光作为光源，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等要求汹１。６中北大学学位论文由于光纤光锥的参数测试系统是通过测量光锥的像来测量体其特征参数，所以选用卤钨灯照明。在选择光源的时候同时还要考虑以下几个方面“””“…。“：１）对光源发光光谱特性的要求要求光源特性满足检测的需求，其中重要的要求之一，就是光源发光的光谱特性必须满足检测系统的需求。检测任务不同，要求光谱范围亦不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等，有时要求连续的光谱，有时又要求几个特定的光谱段，系统对光谱范围的要求都应在选择光源时给以满足。在光纤光锥透过率测试中，要求测试的光谱涵盖整个可见光谱区，而卤钨灯一般发光效率为１４－３０１ｍ／Ｗ，所辐射出的光谱为连续光谱，光谱范围由可见光谱区延长至中红外区，而光纤光锥参数测试中需要的光谱范围为４００ｎｍ～９００ｎｍ，卤钨灯满足系统对光谱的要求。２）对光源发光强度的要求为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常检测；光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时可能损坏系统、待测物或光电探测器等，同时也导致不必要的能源消耗而造成浪费。在本系统中，要求光源发光强度能够在ＣＣＤ相机的工作范围内，同时又要适合不同参数测试的要求，按实际测量需要，我们备用的光源功率分别２０Ｗ、５０Ｗ、７５Ｗ、１００Ｗ，根据实际测量选用不同功率的光源。３）光源的稳定性高精度光电检测系统，对光源的稳定性就有较严格的要求。稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。由于本系统用到的光源需电压为１２Ｖ的电源进行供电，选用ＨＢｌ７００系列固定输出直流稳压电源对卤钨灯进行供电。此电源有如下特点：电压电流表指示；有短路保护功能；可靠性好；能长时间连续工作。其参数如表２．１所示：表２．１电源参数ｌ输入电压ＡＣ２２０Ｖ＿＿＿１０％５０Ｈｚ＋５ｔｌｚ直流输出电压０～３０７可调输出电流０～３０Ａ可调用于光电检测系统中的光源除上述基本要求外，还有一些具体要求。如灯丝的结构和形状、发光面积的大小和构成、灯泡玻壳的形状相均匀性、光源发光效率和空间分布中北大学学位论文等。这些方面均应按检测系统的要求给以满足。卤钨灯在图像传感器中应用的最多，是一种典型的热辐射光源，在寿命期内几乎百分之百的光输出维持率，灯丝亮度高、发光效率高、体积小、成本低。用ＵＳＢ２０００型光纤光谱仪测得功率为１００Ｗ的卤钨灯光谱特性曲线如图２．３所示，与标准照明体Ａ相近。＝＝＝艘曼璺氇墅嘣ｌ！！鸟∞ｍ∞ｖ％¨¨∞十一，图２．３光源光谱特性曲线２．４光学系统光学系统主要是通过光路设计，产生满足测量需要的均匀漫射光和平行光，以及在某段光谱范围内的光谱。同时，要满足光源与ＣＣＤ相机之间的光谱和照度匹配。２．４．１照度匹配及光谱匹配ＣＣＤ器件是积分型器件，输出电流信号既和ＣＣＤ器件光敏面接收的照度有关，也和两次取样的间隔时间即积分时间有关。若以Ｉ代表其输出电流信号，Ｅ代表光敏面的照度，ｔ代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有１＝／＜ＬＥｔ＝ＫＱ式中：Ｋ为比例常数；Ｑ＝毋，称为曝光量，单位为／ｘ·ｓ。（２．４）对于既定元件，曝光量应限定在一定的范围之内，其上限为饱和曝光量Ｑ。，对于摄像和以光度测量为基础的ＣＣＤ应用系统，光敏面上任何光敏单元上的曝光量Ｑ均应低中北大学学位论文于Ｑ。，否则将产生画面亮度失真，或产生大的测量误差。因为Ｑ＝Ｅｔ，所以可通过适当选择ＣＣＤ器件光敏面上照度Ｅ和两次采样间隔时间ｔ两个参数来达到Ｑ＜ｇ。。但是，采样间隔时间ｔ一般由驱动器的转移脉冲周期‰确定，常为一确定值。所以调节曝光量通常是通过调节ＣＣＤ光敏面的光照度来实现。要求光敏面上任何点的照度应满足Ｅ＜逝ｆ（２．５）光敏面的照度也不能太低，如果某些点的照度低于ＣＣＤ器件的灵敏阈，这些较暗部便无法测出，从而降低画面亮度的层次而产生测量误差。最好是把光敏面上的最大照度值‰调节为略低于兰童，以充分利用器件的动态范围。Ｉｎ对于ＣＣＤ应用系统，ＣＣＤ器件光敏面的照度就是经光学系统成像的像面照度。有些测量系统像面或谱面照度分布不均匀，最大和最小照度之差远超过ＣＣＤ器件响应的范围，这时，单靠调节照明和光学系统的参数不能达到目的。例如，调节光源或光，、学系统孔径角使像面照度最大值点ｏ＜兰ｍ，则暗区照度过低无法检测，如调节使暗区ｌ，１照度达可测值，则Ｅ纛＞兰警。为了使这种情况下能够完成测量，通常采用滤光补偿法，ｌ滤光补偿法适合于像面或谱面照度分布有一定规律、明暗差较大的情况嘲。光谱匹配。２３在这里主要是指光源的发光光谱与ＣＣＤ相机的光谱响应度相匹配，以最大程度利用光源的功率。２．４．２光学系统设计根据光学系统设计理框图如图２．４：图２．４光学系统框图测量整体积分透过率、鸡丝斑点、放大率时，需要通过光学系统得到均匀的漫射光对被检测器件进行照明，此时，光路中关键的光学器件是积分球。通过将滤光片转盘转到空孔位置，由光源发出的光进入积分球，出射的即为均匀的漫射光，下文将会对此进１９中北大学学位论文行讨论，此时将被测光纤光锥样品放置积分球出口处即能满足测量的要求。测量漫射光光谱透过率时，只需转动滤光片转盘，让不同波段的光谱通过即可。在测量平行光透过率时，需要通过光学系统得到平行光对被检测器件进行照明。此时，将被测的光纤光锥样品放置在积分球的入口处，积分球在此起到了将光强均匀化，ＣＣＤ相机对积分球出口的光强进行测试，来完成测试任务。１．滤光片在本设计中用到的滤光片均为干涉滤光片。干涉滤光片通常由多层薄膜构成，利用干涉原理是只使特定光谱范围的光通过光学薄膜。干涉滤光片种类繁多，用途不一，常见干涉滤光片分截止滤光片和带通滤光片两类。截止滤光片能把光谱范围分成两个区，一个区中的光不能通过（截止区），而另一区中的光能充分通过（通带区）。典型的截止滤光片有低通滤光片（只允许长波光通过）和高通滤光片（只允许短波光通过），均为多层介质膜，具有由高折射率层和低折射率层交替构成的周期性结构。带通滤光片只允许较窄波长范围的光通过，常见的是法布里一珀罗型滤光片，它实质上是一个法布里——珀罗标准具（见法布里——珀罗干涉仪）。具体结构为：玻璃衬底上涂一层半透明金属层，接着涂～层氟化镁隔层，再涂一层半透明金属层，两金属层构成了法布里——珀罗标准具的两块平行板。当两极的间隔与波长同数量级时，透射光中不同波长的干涉高峰分得很开，利用别的吸收型滤光片可把不允许透过的光滤掉，从而得到窄通带的带通滤光片，其通频带宽度远比普通吸收型滤光片要窄。根据需要，带通滤光片的通频带可从红外到紫外。“。本系统根据需要，选用的带通滤光片的中心波长分别为３９６ｎｍ、４５９ｎｍ、５１９ｎｍ、５６０ｈｍ、６０１ｒｉｍ、６６２ｎｍ、７２８ｎｍ、７８１ｎｍ、８５０ｈｍ、９４０ｈｍ，半峰值带宽８～１１ｒｉｍ。用光谱仪ＵＳＢ２０００对其中的一块滤光片进行测试，光谱仪的探头紧贴滤光片，用白光对其照明，测得的光谱如图２．５所示，可以看出，其带通滤光片可以让中心波长为７２９．３９ｎｎｌ，半峰值带宽为１４ｒｉｍ的光谱通过。中北大学学位论文５００６００７００８００ｗ剁日ｅ叼ｍ（ｍＯ９００１１００图２．５滤光片光谱透过特性测试２．平行光管㈨㈨平行光管是一种产生平行光束模拟无限远目标的光学工具。它的光学系统如图２．６所示。光源１通过毛玻璃２均匀地照明分划板３，分划扳３的分化面位于物镜４的焦面上，它上面的每一点经物镜出射后为平行光束，因此，平行光管一般作为人造无限远目标使用。１．光源２．毛玻璃３．分划板４．物镜图２．６平行光管原理通常对平行光管有以下两个方面的要求：１１光束的平行性由于存在校正误差，平行光管的分划面与物镜焦面之间存在一定的离焦量。致使射中北大学学位论文出物镜的光束不可能绝对平行，因此要对不同使用条件的平行光管提出光束不平行度的要求。２）平行光束的稳定性在一定的相对孔径条件下，平行光管物镜焦距越长，所获得的平行光束就越稳定。本仪器所使用的平行光管１２１径８０ｍｍ，焦距５００ｒａｍ。３．积分球积分球在系统中的作用是提供漫射光源。一束光进入积分球后，经多次漫反射就形成一个理想的漫射源。积分球可以消除被测样品的不均匀性和探测器件受光面的不均匀性带来的影响，另外还是一个理想的消偏振部件，消除测量中偏振的影响‰１。积分球通常是由两个常用金属制成的半球，内涂层表面均匀喷涂一层具有朗伯漫射特性的材料，喷涂好以后，再用法兰把两个半球连接起来而制成的。球的内层涂料还应该有光谱选择性小、反射比高的特点。实际中常用氧化镁、硫酸钡或聚四氟乙烯（Ｈａｌｏｎ）等。１）积分球出口光谱辐亮度的理论计算如图２．６，一束光由积分球入口Ａ进入，射到球内壁Ｂ，再经球内壁多次漫反射之后，到达球壁上任一出口Ｃ的光谱辐亮度厶都是积分球内壁多次漫反射的积分，在传统积分球理论中，当入射辐射通量为ｏ。时，常用下式计算其出口处的光谱辐亮度幺：（２．。）厶＝啬·斋其中，ｔ为积分球出口处光谱辐亮度（Ｗｅｌｎ－２·Ｓｒ－‘＊ｌａｎｌ）；Ｐａ为积分球内壁涂层的光谱反射比（Ｏ＜ｐ＜１）；①ｊ为入射总通量（ｗｏ／．ｏｎｌ）；以为积分球内表面积（ｍ２）；ｆ为开口系数，，＝童堕型塑产（０＜ｐ＜１）。中北大学学位论文图２．７积分球传光原理对于常用作积分球光源的卤钨灯来说，其光谱辐射通量ｍ。近似用下式计算：中。２≥。女。景∽／．ｏｎ。，ｃ２＝１．４３８８ｘ（２－７）其中，中＾为灯的光谱辐射通量（ｗ＊／ｚｍ－１）；＾为波长（朋）；Ｃｌ＝３．７４１３ｘ１０－４ｗ＊，ｗｎ２；１０４／ａｎ＊Ｋ；Ｔ为相关色温（Ｋ）；哦为灯的电功率；仃＝５．６６８６ｘ１０－：ｏｗ。／．ｏｎ。·Ｋ。‘３”。积分球出射的均匀光斑在传播过程中均匀性规律是，随着距离的增加，首先是偏轴半径的光强与中心光强相差的倍数增大，然后随着距离越来越大，光斑又趋于均匀。积分球出射的均匀辐射场在传播过程中的衰减规律是，随着距离的增加，小于积分球出口光斑直径时，光强是逐渐衰减的，其中心位置的光强衰减得最快，随着偏轴半径的加大，衰减系数变小。而在大于出射光斑的位置，光强是先增加，然后再逐渐的减小。在使用积分球的过程中，ＣＣＤ相机所检测到的是积分球出口处的光斑，所以可以保证从积分球口出射的为均匀的漫射光。同时在平行光测试系统中，积分球起到照度补偿的作用。２）积分球的选择在系统设计中，需要根据实际的光路来选择积分球的大小、开孔直径，其具体的选择要求如下㈨：ａ）首先要确定积分球的尺寸，一般的讲：球的直径应是球内安装器件（包括支架）尺寸的二倍以上，倍数越大越好；球壁上开口的总面积越小越好，最大不超过球总面积的５％；同样开Ｉ：１的积分球直径小的输出信号强，也就是转换效率高，但小球的积分效果要差一些。ｂ）要确定积分球的开口数量，一般的讲：测量光源的光通量开１～２个孔；测量样中北大学学位论文品的反射比、透射比、荧光特性时，积分球丌３～４个孔；采用双光路测量时，可以开４个以上的孔，但开孔多时会影响积分效果。Ｃ）开孔的位置和大小，要根据实际测量需要考虑，要按照设计的光路来确定开孔的位置，应有利于光路调整和固定；开孔的大小要满足光斑以及接收器的使用条件。ｄ）在样品孔和接收器之间，在输入光束与出光孔之间，通常需要加一个挡屏，防止光源的一次光进入接收器，以提高测量的精确度。在本仪器中，所用积分球的内径尺寸为Ｄ＝ｃＤ３００ｒａｍ，根据测量需要积分球开有两个孔，一个为进光孔，另外一个为出光孔。下面计算积分球的尺寸，假定开口部分球冠圆的半径为ｒ，对应球半径Ｒ有关系：，＝ＲｅｏｓＯ，则有球冠面积ＳＳ＝２ｒｃＲ·月ｒ１一ｓｉｎＯ）（２．８）球的表面积Ｓ’Ｓ’＝４１ｒＲ２（２．９）根据实际测试需要，积分球需开两个孔，一个开口对应光源，一个对应ＣＣＤ相机，假设两个开孔的球冠面积为墨和最，倘若按ｓ，＋是≤５％Ｓ’计算，再根据系统滤光片的直径是２５ｍｍ，当测量光源需要漫射光时，选用的出孔直径为Ｄｚ＝ｔＯｌＯＯｍｍ，入孔直径为Ｄｔ＝ｑ９３０ｒｍ。当测量光源需要平行光时，由于要把光纤光锥放置于积分球的入口处，所以选用的出孔直径为Ｄｒ＝ｍ７０ｍｍ，入孑Ｌ直径为Ｄ．＝ｍ７０ｍｍ。２．５ＣＣＤ相机的选择２．５．１ｃｃＤ相机的选取ＣＣＤ图像传感器具有很宽的感光光谱范围，其感光光谱不但包括可见光区域，还延长到红外区域删。ＣＣＤ摄像机分为彩色和黑白两种，一般黑白摄像机要比彩色的灵敏度高。普通彩色摄像机为了能传输彩色信号，从ＣＣＤ器件的输出信号中分离出绿蓝红三种基色视频信号，然后合成彩色电视信号，其感光光谱只在可见光区域。所以黑白相机比较适合光线不足中北大学学位论文的地方。在光纤光锥参数测量中，特别是光谱透过率测量时，从滤光片出射的光强较弱，要求相机的灵敏度较高，并且测量中，关心的是入射光的辐射通量和相机的灵敏度。综上所述，系统选取ＤＡＬＳＡ１Ｍ３０型黑白相机。２．５．２相机参数ＤＡＬＳＡ１Ｍ３０型相机一款典型的具有高分辨率和真正１２ｂｉｔ性能的科学级面阵ＣＣＤ相机，采用的芯片是ＦＴＴＩＯＩＯＭ型黑白连续扫描帧转移图像传感器。方形像素格式及高填充因子使该相机即使在低光照条件下也能提供高质量的图像，良好的特性使它被广泛应用于工业医疗领域。ＩＭ３０光谱响应度如图２．８：ｈｎｔｅｍＩＦｌ赫６０Ｈｄ１赫３０ｈｓｐｏｎｓｌｖｌｔｙｎ¨厂’＿、敬｛，～，＼、＼Ｎ、Ｌ“．｛●ｊｅＳＩ母５５ＩｌＯ口●Ｓ●、‘＼Ｉ￥００＼１０｜４００７００Ｗｌｌ０１．１９ｔｂｌｌ＿Ｉ图２．８光谱响应度将ＤＡＬＳＡ１Ｍ３０型相机的光谱相应度与光源的光谱特性曲线相比较，可以看出，光源与相机之间满足光谱匹配。同时，相机在波长为４５０～６００ｎｍ间的光谱响应度高，补偿了光源在此波段光谱功率低的特性。ＣＣＤ相机的具体参数如下：１）分辨率：１０２４×１０２４中北大学学位论文２）像素尺寸：１２岫×１２９ｍ３１光敏面尺寸：１２．３ｒａｍ×１２．３ｍｍ４）数据格式：１２一ｂｉｔＬＶＤＳ５）最大帧速率：３０ｆｐｓ６１数据率：４０ＭＨｚ乃响应度：２４ＤＮ／（ｎＪ／ｃｍ２）＠５４０ｎｍ８）动态范围：）７２ｄＢ，线性外操作温度：１０～４５℃ｌｏ）常规增益范围：卜ｌＯｘ１１１电源：＋５Ｖ，．５Ｖ，＋１５Ｖ１２）功耗：１１Ｗ２．５．３ｃｃＤ相机测量光路物镜‘～～ｏ，．．，—／■７斜＞＜歹刁／图２．９ＣＣＤ测量光路＼㈣敏面ＣＣＤ测量光路如图２．９所示，从积分球出射的漫射光或者是从平行光管出射的平行光作为ＣＣＤ测量光路的光源，将光纤光锥放置在积分球出口处，通过相机的镜头成像在ＣＣＤ相机的光敏面上。２．５．４镜头选择１．物镜选择㈣在实际测量中，光纤传像元件的最大直径是８０ｍｍ，最小直径为５唧，ＣＣＤ图像传感器分辨率为１０２４Ｘ１０２４，像敏单元占尺寸为１２ｕｍＸ１２ｕｍ。在求透过率参数测量时，将使整个光纤光锥的图像尽可能的充满于ＣＣＤ的像平面。中北大学学位论文假设物距为“，像距为ｖ，物镜焦距，，被测器件的直径２ｙ，像高即光纤器件在像敏面上所成像的尺寸为２ｙ’，视场角２国，物像之间共轭距三范围为１００～３００ｍｍ。系统放大率口卢：型：１１２ｘ１０２４：０．１５３６（２．１０）２ｙ８０ｘ１０’∥＝兰“由透镜成像公式一＋＋１１ｌ“ｖ“＋ｖ＝三（２．１１）ｆ（２．１２）由几何关系ｔａｌｌ缈：兰“通过计算，选用俄罗斯和平牌镜头，其相对孔径ｌ／２，焦距３５ｍ，视场角６３。。２．显微物镜由于鸡丝仅占有２～４个纤维宽度，在鸡丝斑点的面积测试时，为了取得高倍率的放大，必须使用显微物镜。显微系统是用来观测近距离微小物体的光学系统，由物镜和目镜组成。１）显微镜的放大原理图２．１０为显微镜光路示意图，它相当于两块正透镜组合而成的光学系统，这两组透镜装在金属制的镜筒里，靠近被观察物体的一组叫做物镜，靠近眼睛的一组叫做目镜。物镜和目镜的焦距都很短，且光学间隔（物镜的像方焦点到目镜的物方焦点间的距离）较长。使用时。将物体ＡＢ置于物镜一倍焦距以外少许，经物镜后成一个放大的、倒立的实像Ａ＇Ｂ’，且位于目镜的物方焦面上或一倍焦距以内少许，经目镜成像在无限远或明视距离处，供人眼观察Ｍ。中北大学学位论文ＪＬＪ＾．ｆ、、孓２Ｆ，ＢＦ１０＞心ｚ．ｅ一、１ｒ．，弋巡匕＞／∥，．‘＾’，．，’．，，ｒ‘／／ｒ１物镜《’。／≯。·，：；‘。目镜２．１０显微镜放大原理示意图若接收器不是人的眼睛，而是ＣＣＤ，则可能将ＣＣＤ器件置于实像平面Ａ’Ｂ’处喃１，也就是说无须使用显微系统的目镜。２）显微物镜参数显微物镜最重要的光学参数是数值孔径和倍率，它影响系统的分辨率、像面照度和成像质量。ａ．数值孔径ＮＡ数值孔径ＮＡ定义为显微物镜物方介质的折射率１３和物方孔径角Ｕ正弦之乘积。即ＮＡ＝ｎｓｉｎＵ（２．１３）ｂ．显微物镜的放大率∥在图像转换系统中，为了充分利用物镜的分辨率，使已被物镜分辨开的细节也能被光电成像器件分辨，则显微镜要有足够大的放大率。设光电成像器件的线分辨率为∥，在斜照明条件下，显微物镜垂轴放大率口的大小应满足下式：肚等·∥或者∥＝学∥镜的放大率的值比计算的值要大。（２．１４）出此可见，对一定波长的光，当光电成像器件的分辨率确定后，合适的显微物镜的放大率仅取决于物镜的分辨率，或者说是显微镜的数值孔径。实际应用中通常选取显微显微物镜的放大率和分辨率（数值孔径）应相互匹配。若放大率的取值过低（比由２．１４式计算所得的放大率），则已被物镜分辨开的细节不能被图像传感器件分辨：但若分辨率不足，则放大率的取值再高，也无法分辨物体的细节。中北大学学位论文ｃ．显微物镜放大倍率选择光电成像器件的尺寸大小２ｙ７决定了系统的成像范围。它与显微镜物方线视场的关系为∥＝芳（２．１５）在实际测量中需测量的是最大面积的鸡丝斑点面积，规定在放大倍率为１０倍显微镜下用漫射光观察。由于相机的分辨率是１０２４Ｘ１０２４，我们能很清楚的看到光纤面板上的光纤丝。同时由于增大放大倍率会减小相机的视场，所以在选择显微物镜时，选用１０倍放大倍率的显微物镜。２．６图像采集卡采集卡的作用是电子采样，把由视频信号源提供的图像转换为数据阵列，该数据阵列可被数字化存贮、处理、增强，然后被分析或显示在视频监视器上。选择采集卡时，采集卡的接口制式、数据格式、数据率大小、ＰＣＩ总线的传输速率、相机控制信号及外触发信号、支持软件的功能等要与相机相匹配，据此，我们选ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ系列ＧｒａｂＬｉｎｋＶａｌｕｅ采集卡。２．６．１采集卡基本原理ＧｒａｂＬｉｎｋＶａｌｕｅ采集卡是基于ＰＣＩ总线的模拟图像采集卡。由于ＰＣＩ总线的高速度，使Ａ／Ｄ转换以后的数字视频信号只需经过一个简单的缓存器即可直接存到计算机内存，供计算机进行图像处理，也可将采集到内存的图像信号传送到计算机显示卡显示，甚至可将Ａ／Ｄ输出的数字视频信号经ＰＣＩ总线直接送到显示卡，在计算机终端上实时显示活动图像。它的图像采集系统框图如下图２．１１所示。图中的缓存（数据锁存器）代替了帧存储器，这个缓存是一片容量小、控制简单的先进先出（ＦＩＦＯ）存储器，起到图像采集卡向ＰＣＩ总线传送视频数据时的速度匹配作用。将图像采集卡插在计算机的ＰＣＩ插槽中，与计算机内存、ＣＰＵ、显示卡等之间形成调整数据传送““。中北大学学位论文ＰＣＩ总线图２．１１基于ＰＣＩ总线的图像采集系统框图２．６．２ＧｒａｂＬｉｎｋＶａＩＨｅ采集卡本系统采用的采集卡ＧｒａｂＬｉｎｋＶａｌｕｅ属于ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ系列采集卡。Ｇｒａｂｌｉｎｋ系列采集卡是用于线阵或面阵摄像机的高速ＰＣＩ或ｃＰＣＩ总线的数字图像采集卡。采用标准的ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ接口及电缆线，适用于工业应用中高速运动的物体、大幅物件或高清晰度图像的采集。Ｇｒａｂｌｉｎｋ系列采集卡支持ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ的伪ＲＳ一２３２控制方式，应用软件可以使用ＣａｍｅｒａＬｉｎｋＡＰＩ函数控制摄像机，也可以将该串行线配置为通用的ＰｃＣＯＭ口，以兼容该摄像机自带的控制软件。采用了ｂｕｓｍａｓｔｅｒｉｎｇ技术，可以直接将采集的图像存入ＰＣ内存而不必花消ＣＰＵ的资源。同时可以自动恢复ｓｃａｔｔｅｒ—ｇａｔｈｅｒ虚拟内存。ＧｒａｂｌｉｎｋＶａｌｕｅ是一款高性价比的数字图像采集卡，可以接一台ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ摄像ｂｉｔｓ＠６０机，最高采集频率为６０ＭＨｚ，最高像素时钟为２４ＭＨｚ。其基本配置如下：１）普通ＰＣＩ总线，３２一ｂｉｔＧｒａｂｌｉｎｋ６６３３ＭＨｚ；３３ＭＨｚＶａｌｕｅ有两种规格，一种是常规的３２一ｂｉｔＰｃＩ卡，另一种是６４一ｂｉｔＭＨｚ的ｃＰＣＩ卡。ｃＰＣＩ架构具有高抗震性能，同时能提供更多的ＰＣＩ插槽，通常为高中北大学学位论文性能，高可靠的工业或军事应用所采用。根据实际工作需要，选用常规的ＧｒａｂｌｉｎｋＰＣＩ采集卡。Ｖａｌｕｅ２）支持的ＢａｓｅＧｒａｂｌｉｎｋＣａｍｅｒａＬｉｎｋ配置ＣａｍｅｒａＬｉｎｋＶａｌｕｅ卡上带有一个标准ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ接头，可连接一台Ｂａｓｅ配置的摄像机。３）卡上图像缓存ＧｒａｂｌｉｎｋＶａｌｕｅ有８ＭＢ卡上图像缓存作为图像ＦＩＦＯ。它工作在８０Ｍｔｔｚ的频率，最高提供３２０ＭＢ／Ｓ的传输带宽。８ＭＢ的图像缓存确保图像数据在ＰＣＩ传输中不会丢失。４）Ｉ／Ｏ口ＧｒａｂｌｉｎｋＶａｌｕｅ配有ＤＢ９接头，其中包括外触发，闪光灯控制等。另外，也提供带隔离的编码器输入等１／ｏ及电源输出。ＭｕＩｔｉＣａｍ驱动２．６．３ＧｒａｂｌｉｎｋＶａｌｕｅ采集卡采用的是ＭｕｌｔｉＣａｍ驱动。ＭｕｌｔｉＣａｍ是所有Ｅｕｒｅｓｙｓ采集卡的通用驱动软件和编程接口，可以同时驱动多块Ｅｕｒｅｓｙｓ采集卡和多台摄像机，同时支持一个或多个应用程序。ＭｕｌｔｉＣａｍ用“通道”的概念将摄像机和Ｐｃ内存联系在一起。“通道”含有所有和图像采集相关的参数及控制，如摄像机类型、采集方式、图像尺寸和格式等，程序中只需简单地设置这些参数就可完成图像采集。为了进一步方便用户编程及摄像机设置，ＭｕｌｔｉＣａｍ将“通道”相关的参数写入了ＣＡＭ文本文件里。不同的摄像机及其不同的图像采集方法有不同的ＣＡＭ文件。Ｅｕｒｅｓｙｓ的ＭｕｌｔｉＣａｍ中几乎包含了所有常用的工业摄像机的ＣＡＭ文件，这样极大简化了摄像机和Ｅｕｒｅｓｙｓ采集卡的接口工作。ＭｕｌｔｉＣａｍ支持常用的开发环境，ＭｕｌｔｉＣａｍ的底层ＡＰＩ是标准ｃ，也提供ＡｃｔｉｖｅＸ用于支持如Ｖｉｓｕａｌ等高级语言。“通道”的设计概念大大简化了视频监控应用中多通道摄像机切换的管理。采集时可以同时采集全部“通道”，ＭｕｌｔｉＣａｍ自动管理摄像机之间的切换以及显示刷新速率。由于ＭｕｌｔｉＣａｍ支持多线程，所以图像处理和采集可以并行，加快了整体的处理效率。对于工业应用，ＭｕｌｔｉＣａｍ可以连接几乎所有知名品牌的摄像机。其对应的ＣＡＮ文件Ｂａｓｉｃ中北大学学位论文可以直接通过ｅＶｉｓｉｏｎＥｖａｌｕａｔｏｒ设置和修改。可以设置的主要参数包括如：摄像机触发、闪光控制、快门、摄像时序以及Ｉ／ｏ等。２．７本章小结系统设计关键技术如下：１）平行光管与积分球相结合，实现了参数测试时对平行光和均匀漫射光的要求。特别是平行光透过率测量时，将被测样品放置于平行光管后积分球的入口处，解决了ＣＣＤ相机直接测量平行光时由于物镜的汇聚使相机饱和的困难。２）光谱透过率测量时，系统采用的是带通滤光片，倘若严格要求只让某一波长的光通过时，系统可以将滤光片更换为狭缝单色仪。３）在测量鸡丝斑点、分辨率时，相机的镜头采用显微物镜，提高了放大倍率，实现了对鸡丝斑点和参数的测量。３２中北大学学位论文３光纤光锥光学特性理论分析３．１光纤光锥传输机理光纤面板是一种相干集束型纤维光学元件，其功能是传递图像。光纤光锥是另一种形式的光纤面板，同光纤面板一样，也是依靠成千上万根融合在一起的光学纤维实现传递图像的功能，所以可以用光纤面板传光机理来说明光纤光锥的传输机理。光纤面板中光纤是传递光信息的信道，光纤特性对信息量传输有很大影响。光纤面板在加热拉制过程中存在芯、皮材料的相互扩散，在界面附近形成明显的折射率连续分布的过渡层，严重破坏了光线的全反射效应。光纤面板中的光纤与通信用弱波导光纤相比，具有如下特点：（１）漫射光照明，故多为多模传输光纤。（２）传输距离（ｍｍ数量级），可忽略模式问色散。（３）芯域与皮层间折射率差大（△“１５％），不能作弱波导近似，只能寻求严格的矢量解。３．１．１光纤面板物理模型实际拉制的光纤，其芯域与皮层折射率界面不再是理想的阶跃分布，如图３．１（ｂ）所示，是在界面附近形成折射率连续分布的扩散过渡层。在满足扩散前后光纤波导等光程传输，即以２（ｒ２一＿）＝７１１（４一‘）＋Ⅳ。（，２一ａ）（３．１）的前提下，可将扩散过渡层近似等效成一个折射率介于芯、皮折射率之间且均匀分布的径向厚度一定的中间圆筒层，如图３．１（ｃ）所示。（３．１）式中各参量意义如图３．１所示。定义如下两个扩散参量：｛芝整妻空苎苎Ｂ＝（ａ－‘）／（，２一∞【扩散程度参量ｆ＝（，２－ａ）／ａ（３．２）…～中北大学学位论文乙ｌＩＩｌＩＩＤＪＬ刀１弋厂ＩＩｏＮＩ％Ｕ—Ｉ力ｌＩ～月ｌ————Ｈ二Ｉ甚Ｉ—Ｈ毋４１图３．１光纤面板光纤的折射率界面（ｎＩ，心一芯和皮的折射率，４一芯半径，ｄ一双层皮（ａ）理想状态，（ｂ）扩散状态，（ｃ）物理模型）联立（３．１）（３．２）得：哟八ｈ¨ｎ《钏剐动（３．３）麓瑚图１（ｃ）所示的结构就是这种扩散型光纤的物理模型，即“三层结构光纤”。如上近似是允许的，原因在于：（１）满足等光程条件，从而保持了原来光纤的传输特点。（２）用它处理板状波导传输效率时所得计算值与实测值的结论一致。（３）采用三层结构便于引进定义扩散方向参量曰和扩散程度参量ｉ对指导光纤面板生产是很有必要的。３．１．２光纤面板的结构模型理想的光纤面板是由无数根“三层结构”光纤组成，光纤的材料、结构均相同，皮中北大学学位论文层相互融接在一起，按六边形（或正方形）规则地密集排列成阵歹Ⅱ，相邻光纤间的问距为Ｒ，图３．２所示就是光纤面板的结构模型。相邻光纤相距很近，那么，各光纤中的电磁场就会耦合到相邻的光纤中去，导致电磁场能量的交换和损耗。这就意味着：耦合使某根光纤中的能量部分地进入相邻的光纤，造成串光，干扰了那里的信号传输；同时，串光也减少了其自身载运的有效信息，使信噪比降低，因而影响了光纤面板的成像质量。３．１．３光纤面板传输的信息量光纤面板是传递光信息的系统，故可以用光学信息量评价其传输能力。由光学信息论可知，系统传递的光学信息量为，＝ⅣＭ·ｌｏｇ２（１＋ｍⅢ）式中，Ⅳ。为自由度数，它是由单位面积内离散元的个数决定，ｍ。为信噪比。（３．４）对于光纤面板，自由度数Ⅳ。Ｄ，取决于光纤间距（即芯径）Ｒ及排列方式ａ则可得图３．２所示六角形阵列板的Ｍ。为‰２雨１０２别率和填充系数。（３·５）Ｒ２ｓｉｎ二它就是ｌｃｍ２面积内光纤的根数。可见，自由度数‰，能够反映光纤面板的理论鉴３．２光纤面板模型光纤间的模式耦合影响着光纤面板系统的信噪比，这是因为模式耦合产生了噪声中北大学学位论文》艄娟一｛以＝∥－２Ｃ嶝＋鹏垦＝ｊＣｌ：旦（３．６）“一。（３．７）Ⅳ：譬尺ｚ（，ｌ；一以；）８一（３．８）ｋ一＝乒∑Ｐ，ｊ；ｌ（３．９）因此，由Ⅳ个模式的耦合效应，可得到光纤面板光纤的总信噪比（ｅ为ｉ阶模式的耦合系数）：‰如％善÷面ｉ喜｜ｍＧ一卜岫磊ｋ—ｏ（３．１０）中北大学学位论文可见，信噪比反映了光纤面板的对比度。由（３．４）式可知，光学信息量Ｉ是一个可以反映光纤面板对比度、鉴别率和填充系数等质量指标的综合性参量嘲ｍ１。综上分析，得到结论：１）光纤光锥是由一个个彼此相关（耦合）的光纤信道阵列来传递光学信息。２）光学信息Ｉ是一个能够综合评价光纤光锥传输质量的参量，它取决于光纤光锥中光纤的结构参数和扩散参量。３）各光纤中的电磁场会耦合到相邻的光纤中去，导致电磁场能量的交换和损耗，造成串光，串光是影响光纤面板对比度的主要因素，同时串光和光纤间距（即芯径）月及排列方式是影响光纤光锥鉴别率的理论因素。３．２光纤束光透过率影响因素由于光纤光锥是由整齐排列光纤束经特殊工艺制成的，所以研究光纤光锥透过率之前有必要先研究光纤束的透过率问题。影响光纤束透过率的因素很多，它涉及到传输光的特性、传输损耗、光纤束的制作工艺和诸外界不确定因素等。３．２．１传输光特性的影响对于某一特定材料的光纤而言，在某一光波段范围内，光传输好，光透过率高，在该范围外，则光损耗大，光透过率小。传输光的特性对光纤的透过率影响很大，以Ｆ２棒为纤芯的光纤为例，如图３．３所示，在４００ｎｍ～１３００ｎｍ波段范围内，光透过率高。芝纂搿０．４¨０量１．０ｔｊ’』＇＇．１Ｊ盘Ｏ皇崖建长／ｉ图３．３Ｆ２玻璃光纤透过率曲线示意图中北大学学位论文３，２．２光纤的三大损耗由于入射到光学纤维的光线是由两个偏光分量组成。一个是由入射光与界面法线组成的入射面，另一个是垂直于入射面的平面，入射光线在这两个偏振方向的光反射分量＆＝（啊一ｎＯ）２／（”。＋ｎ０）２（３．１１）Ｂ为大于入射角范围内的光纤所产生的菲涅尔反射系数。可以知道：纤芯的折射率啊越Ｔ＝（１一Ｒｓ）（１一砖）（３．１２）为了提高光学纤维的光通量，一般可以在纤维光学元件表面涂上一层折射率低于芯设光学纤维的长度为Ｌ，光纤芯料玻璃的吸收系数为口，入射角岛，入射光经过端硼∽＝唧｛东蒜｝＠埘正（口，口）为进入光学纤维的光线经过传输后的光通量。此时，假设在全反射条件下，芯料与皮料之间是理想的接触面。从式（３．１３）中可以看出，光学纤维长度越长，吸收系３８中北大学学位论文光学纤维是由两种折射率不同的光纤玻璃熔制在一起，光纤玻璃的芯料和皮料组成的界面，并非是理想的光学接触面，这样不可避免地在界面上存在缺陷。此外，还有光学纤维几何尺寸结构的非均匀性，在制作过程中，芯料玻璃和皮料玻璃出现析晶、乳化、互相参透，呈现种复杂的过渡层。一般而言，入射面和出射面上的菲涅尔反射损失高达ｌｏ％。对于光学纤维来说，端面的反射损失比芯料吸收、皮交界面上全反射损失小。对刚性纤维元件，如纤维面板，芯料的吸收系数和界面反射损失低于菲涅尔反射损失量。３．２．３黄丝及暗丝现象所谓暗丝、黄丝是指当光纤一端输入为白光，输出端端面光纤丝里灰色、橘黄色的现象。这是由于构成光纤的玻璃中微量过渡金属杂质和坩埚中游离铂离子产生严重的吸收损耗，使玻璃整体透过性能下降。暗丝、黄丝严重影响光纤的传光性能，严重时甚至不传光。３．２．４光纤束制作工艺的影响１）排列方式在光纤集束过程中，两头的光纤在端面处扭曲，不顺直，则当光以一定的角度入射时，光出射状态不一致，导致出射光线不集中，导光能力不强而散射，影响到透过率。此外，纤维折断会引起光透过率下降。２）有效填充率：即纤维内芯所占光纤束总横截面积之比，它是纤维中用以决定有效透射截面积百分数的参数。有效填充率与光纤的形状和单丝的排列方式密切相关。３）抛光端面抛光端面不平整、不光亮会使输入／输出光在端面发生散射、斜射，而直接影响到光纤束的光透过率“”。３．３光纤光锥透过率影响因素光纤光锥是将光纤束经过加工而成，其透过率的影响因素除了传输光特性、填充系中北大学学位论文数、端面反射损失、材料吸收损失、全反射损失、不满足全反射、渗入纤皮消逝波等，还存在锥形光纤的传输损耗。３．３．１光线在光纤光锥中传播时产生的衰减损耗对于锥形光纤，光线从小端到大端，传光不会有什么问题，光线从大端到小端，光线入射角不断减小，孔径角大的入射光线有可能满足不了全反射条件ｍ１。光线在光纤光锥中的传播时，产生的衰减损耗主要有下列三种：１）由于入射和出射端面上空气（或环绕纤维的媒质）与纤维芯料的折射率不同而产生的菲涅耳反射损耗。入射端面的反射率为（见图３．４）且：！Ｉ塑！业＋氅堡姿｝Ｉｔａｎ２（口＋印ｓｉｎ２（盯ｇ－口）｝２（３．１４）式中，盯为光纤的端面入射角，口为折射角。出射端面上反射率∥为肚环１ｔａｎ：２（ｑＳｉ均－ｐ）＋丽ｓｉｎ２（６ｌ－ｐ）｜（３．１５）图３．４子午光线在锥形光纤中的传播２）光线在光纤光锥中传播时，光纤内部产生的损耗有两种：ａ．光纤中单丝的直径小到波长数量级时，由于存在倏逝波穿透效应，会有一部分光能量泄漏进入皮层，另外，纤维的芯与涂层界面杂质引起的光散射会进一步泄漏出光纤光锥或被吸收丝吸收，产生损耗。设每次全反射的损耗率为Ａ，如果考虑到反次数，７，则剩余的光通量应为（１一Ａ）·叩。光线在锥形光纤中传播时，经历的总反射次为中北大学学位论文叩：０－－．０Ｉ（３．１６）式中，万为锥角，０为光纤入射端面的折射角，０，为光纤出射端面的出射角。ｂ．由于光纤芯料存在光吸收，设光纤芯料的光收系数为占，光线在光锥中传播的总光路长度为Ｌ，光纤芯料吸收损耗ｅｘｐ（一８Ｌ）。光线在锥形光纤中传播时，光路总长度￡为扛型ｓｉｎ００专ｄ＋＊一ｄ＾＃＠１７）３）光纤光锥传光的有效面积仅为光纤纤芯的面积，光锥中光纤单丝做六边最密堆积时，它的有效填充率墨最高，且Ｋ＝ｏ．９０７（ｄ。。／ｄ。）Ｃｓ］。３．３．２锥度比对有效透过率的影响由锥形光纤中模式传播理论可知，光锥有效的传播模式取决于其小端的光纤特征参数Ｒ。因此，当光线从光锥的大端向小端传播时，大端可接收的传播模式数为Ｍ＝芋＝丁（ｎ＇Ｄｘ端ＮＡ）２筹：卜ｃ等，２Ｍ。Ｄ｝‰（３．１８）由于光线在传播过程中，模次逐渐增大，有些传播模式就会泄露出光锥，因此到达光锥末端（即小端）的模式数为鸩＝等＝鼍笋因此传播模式数的损耗率为从上式可以看出，随光锥的锥度比的增大，传播模式数的损耗率增大。组㈣ｃｓ．ｚ。，３．３．３光锥有效透过率理论计算光纤光锥的有效透过率为光纤光锥的输出辐射通量①，’和输入辐射通量中。之比４１中北大学学位论文ｆ：笠。１００％中。（３．２１）如图３．４光纤的入射端所能接收的从光源Ｃ（即积分球发射的漫射光或平面镜反射的平行光）发出的辐射通量（能量）为①。：了２万ｊ（ａ）ｓｉｎ口ｄ口：ｊ２万厶ｃｏｓ口ｓｉｎ口ｄ口：万厶ｓｉｎｚ吒（３．２２）对于确定的光纤光锥，根据图３．５的几何关系和折射定律可得参数口、∥和口，都是光纤端面入射角ａ的函数，所以反射损耗Ｒ（口）、Ｒ’＠）、ｒ１（ａ）和￡似）同样都是光纤端面入射角ａ的函数。考虑到光线在光锥中传播时产生的衰减损耗和光锥的有效填充率因素，光源入射的光束能量能从光锥射出的部分应为：巴亨峄乙Ｃ∑三≥么／ＩＩ图３．５光纤与光源间的耦合卿）咿＝了２万厶ｃｏｓａｓｉｎｃｔ［１－Ⅻ１础，】［１－神ｃｘｐ卜啦｜１＿警№ｌ０ｏⅡ＝驯筹１２≥ｌ堋删ｌ钿４ｅｘｐＭ№其中，ｔ拉制复丝的比例系数。令矗：ｍｌ一尺】［１一ＲＭ口，咋０（３．２３）即为光线经过光锥前后端反射损耗后的透过率，令瓦＝且１一彳ｒｅｘｐ［－ｅＬ］ｄｃｚ，即光线经过光锥传输时，由于光锥芯材料和内反射损耗后产生的透过率，则上式可表示为ｆ：驴（口）。，：嚷恕不瓦ｌ—Ｄｉ，ｌ一，ｒａ“大螭（３．２４）４２中北大学学位论文将式（２．１７）和式（２．１９）代入式（２．１６）可得到光纤光锥的有效透过率为ｒ：｛等隅五屯吸收和内反射损耗后产生的透过率为９０％”１。３．４本章小结（３．２５）计算时，设光锥两端面的菲涅耳反射损耗各为４％；光线经过光锥传输时，Ｅｈ于光锥芯料从理论分析可以看出，光纤光锥参数的影响因素如下：影响光纤光锥鉴别率的理论因素有：１）各光纤中的电磁场耦合到相邻的光纤中，电磁能量交换和损耗产生的串光，同时串光也是影响光纤光锥传递图像对比度的重要因素；２）光纤间距（即芯径）及排列方式，即单位面积内的光纤填充因子越高，光纤光锥的鉴别率越高。光纤光锥中的斑点鸡丝产生的主要因素有：１）构成光纤的玻璃中微量过渡金属杂质和坩埚中游离铂离子产生严重的吸收损耗；２）在拉制过程中产生的断丝。光纤光锥的放大率主要取决于光纤光锥的锥度比。光纤光锥的透过率影响因素主要有传输光特性、填充系数、端面反射损失、材料吸收损失、全反射损失、不满足全反射、渗入纤皮消逝波等。此外光锥高度对透过率也有一定的影响，高度越高，透过率越低。锥度比对透过率的影响，锥度比越大，透过率越低。光纤光锥的透过率比光纤面板低。中北大学学位论文４图像处理及ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ软件当测量系统通过ＣＣＤ相机采集光纤光锥的图像信息时，即视频数据被产生或转化。首先必须确定其亮度分辨率，亮度分辨率定义了一幅图像中颜色的梯度，对于单色图像主要指灰度级。常用的分辨率为８ｂｉｔｓ（２５６灰度级）、ｌＯｂｉｔｓ（１０２４灰度级）、１６ｂｉｔｓ（６５５３６灰度级）或更高，图像的数据量会随着亮度分辨率增加。对于ＤＡＬＳＡ－ＩＭ３０相机，它的最高亮度分辨率为１２ｂｉｔ，结合实际测量需要和图像处理方便，选用８ｂｉｔ的亮度分辨率。ｃｃＤ相机采集到光纤光锥样品图像后，光纤光锥的信息都保存在图像里，这时通过图像处理软件ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ来对采集的图像进行处理来求得其参数信息。本课题用到的图像处理相关算法有直方图均衡化、图像分割、图像的腐蚀、图像的锐化等，下面对这些算法逐一介绍。４．１数字图像处理相关算法数字图像处理方法大致可分为两大类，即：空域法和变换域法。１）空域法这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这二维函数进行相应的处理。空域处理法主要有下面两大类：ａ．领域处理法其中包括：梯度运算（ＧｒａｄｉｅｎｔＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）、拉普拉斯算子运算（ＬａｐｌａｃｉａｎＯｐｅｒａｔｏｒ）、平滑算子运算（ＳｍｏｏｔｈｉｎｇＯｐｅｒａｔｏｒ）和卷积运算（ＣｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）。ｂ．点处理法包括灰度处理（ｇｒｅｙｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ），面积、周长、体积、重心运算等等。２）变化域法数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。中北大学学位论文４．１．１直方图均衡化在数字图像处理中，灰度直方图是一个最简单和最有用的工具，它概括了一幅图像的灰度级内容。灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中具有该灰度级的像素的个数。考虑连续函数并且让变量ｒ代表待增强图像的灰度级。假设ｒ被归一化到区间［０，１］，且ｒ＝Ｏ表示黑色及ｒ＝１表示白色。然后，考虑一个离散公式并允许像素值在区间［Ｏ，Ｌ一１］内。对于任一个满足上述条件的ｒ，假设ｓ＝ｒ（，）０≤ｒ≤１（４．１）在原始图像中，对于每一个像素值ｒ产生一个灰度值ｓ。显然，可以假设变换函数ｒ（ｒ）满足以下条件：（ａ）Ｔ（ｒ）在区间０≤ｒ≤１中为单值且单调递增（ｂ）当０≤ｒ≤１时，０≤Ｔ（ｒ）≤１条件（ａ）中要求ｒ（ｒ）为单值是为了保证反交换存在，单调条件保持输出图像从黑到白顺序增加。变换函数不单调增加将导致至少有一部分亮度范围被颠倒，从而在输出图像中产生一些反转灰度级。最后，条件（ｂ）保证输出灰度级与输入有同样的范围。一幅图像的灰度级可被视为区间［０，１］的随机变量。随机变量的一个最重要的基本描述是其概率密度函数（ＰＤＦ）。令ＰＡｒ）和只（Ｊ）分别代表随机变量，和ｓ的概率密度函数。此处带有下标的Ｐ（ｒ）和￡（ｓ）只用于表示不同的函数。由基本概率理论得到一个基本结果：如果ＰＡｒ）和Ｔ（ｒ）已知，且ｒ１（ｓ）满足条件（ａ），那么变换变量Ｓ的概率密度函数只（ｓ）可由以下简单公式得到：聃）’ｐ力）图（４．２）因此，变换变量ｓ的概率密度函数由输入图像的灰度级ＰＤＦ和所选择的变换函数决定。中北大学学位论文在图像处理中一个尤为重要的变换函数如下所示：Ｊ＝ｒ（ｒ）＝ｆ所（ｗ）ｄｗ（４．３）其中矿是积分变量。式（４．３）的右部为随机变量，的累积分布函数（ＣＤＦ）。因为概率密度函数永远为正，并且函数积分是一个函数曲线下的面积，所以它遵循该变换函数是单值单调增加的条件，因此，满足条件（ａ）。类似地，区间［０，１］上变量的概率密度函数的积分也在［０，１］上，因此，也满足条件（ｂ）。给定变换函数ｒ（，），通过式（４．２）得到只（ｓ）。从基本微积分学（莱布尼茨准则）知道，关于上限的定积分的导数就是该上限的积分值。也就是说：’坐：—ｄＴ—（ｒ）ｄｒ．ｄｒ。昙［ｎ（ｗ）州＝Ｐ（，）（４·４）用这个结果代替譬代入式（４．２），取概率值为正，得到删诅∽嘲咖）Ｉ高Ｉ“ｓ，因为只（Ｊ）是概率密度函数，在所有ｓ值上的积分等于１，可以得出区间［Ｏ，１］以外它的值为０。式（４．５）中给出的只（ｓ）形式为均匀概率密度函数。简而言之，执行式（４．３）给出的变换函数会得到一随机变量ｓ，其特征为一均匀概率密度函数。由式（４．４）可知ｒ（，）取决于Ｐ（，），但是，式（４．５）说明，只（Ｊ）结果始终是均匀的，与ＰＡｒ）的形式无关。对离散值，即处理其概率之和。一幅图像中灰度级咋出现的概率近似为：ｋ＝Ｏ，１，２，…，Ｌ一１只（丘）＝丝玎（４．６）其中，ｎ是图像中像素的总和，仇是灰度级为咯的像素个数，Ｌ为图像中可能的灰度级总数。式（４．３）中变换函数的离散形式为：中北大学学位论文＆＝ｒ（％）＝∑Ｐ，（ｏ）２粪詈一０２０Ⅷ＾ｚ，．上一（４．７）～因此，已处理的图像（即输出图像）由通过式（４．７），将输入图像中狄度级为吒的各像素映射到输出图像中灰度级为＆的对应像素得到。作为ｒｋ的函数ｅ（％）的曲线称作直方图。式（４．７）给出的变换（映射）称作直方图均衡化或直方图线性化。不难得出式（４．７）的变换函数满足前边所述的条件（ａ）和（ｂ）。可以看出，式（４．７）的应用有展开输入图像直方图的一般趋势，以至于直方图均衡化过的图像灰度级能跨越更大的范围。图像４．Ｉ（ａ）经图像均衡化后得到图像４．Ｉ（ｂ）ｍ１。（ａ）原图（ｂ）直方图均衡化后的图像图４．１直方图均衡化对比４．１．２图像分割图像分割是从图像处理到图像分析转换的关键，也是图像自动化分析的第一步。图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。图像分割的方法一般有灰度阈值法、边缘检测法和区域分割法。在本系统中用到的是灰度阈值法，下面着重介绍灰度阈值法。灰度阈值法是把图像的灰度分成不同的等级，然后用设置灰度阈值的方法确定有意义的区域或欲分割的物体之边界。使用阂值分割技术对物体与背景有较强对比的景物分割特别有用，而且计算简单，４７中北大学学位论文当使用阈值规则进行图像分割时，所有狄度值大于或等于某闽值的像素都被判属于物体，而所有灰度值小于该阈值的像素被排除在物体之外。于是边界就成为这样一些内部点的集合，这些点至少都有一个邻点不属于该物体。假定＿幅图像的直方图如图４．２（ａ）所示，可以知道图像，“，Ｙ）的大部分像素取值较低，其余像素较均匀地分布在其它灰度级上，由此可以推断这幅图像是由有灰度级的物体叠加在一个按背影上形成的。可以设一个阈值Ｔ，把直方图分成两个部分，如图４．２（ｂ）所示。Ｔ的选择要遵循如下原则：Ｅ应尽可能包含与背景相关联的灰度级，而色则应该包含物体的所有灰度级。当扫描这幅图像时，从旦到最之间的灰度变化就是指示出有边界存在。当然，为了找出水平方向上和垂直方向上的边界，要进行两次扫描。也就是说，首先确定一个阈值Ｔ，然后执行下列步骤：ｌＩＩｌｌｌ，ｌｌ…Ｔ（ｂ）’图４．２图像ｆ（ｘ，ｙ）直方图第一步，对厂（ｚ，ｙ）的每行进行检测，产生的图像Ｚ∽）’）的灰度将遵循如下规则：中北大学学位论文脚，＝侄八训用八训一警硼黻躯问式中，ｋ是指定的边缘灰度级；厶是背景灰度级。∽ｓ，第二步，ｇ寸ｆ（ｘ，ｙ）的每一列进行检测，产生的图像五（ｘ，ｙ）的灰度将遵循下列规则：伽，＝仨舷力町。旷警裥黻施问为了得到边缘图像，可采用下述关系：∽９，ｍ棚＝位爪训减烈毛嚣何一爪等孔是如何选择阈值。（４．１０）上述方法是以某像素到下一个像素间灰度的变化为基础的。这种方法也可以推广到灰度级阈值方法中。由于确定了更多的灰度阈值，可以提高边缘抽取的能力，关键问题并非所有黑白图像中的物体和背景都有截然不同的灰度，因此，灰度阈值选取是否合适将极大地影响图像分割的质量。阈值取得太大，会把许多背景点错误地分割为物体的部分：反之，当门限取得太低时，将有许多物体的像素被错误地分割成背景。在选择最佳阈值时，通常按下面两种方法去考虑：１）当一幅二值图像灰度分布百分比已知时，可用试探的方法选取阂值，直到阈值化后图像的灰度分布百分比刚好和已知数据一致为止。２）如果被处理图像灰度直方图属于双极型（即具有两个峰），则可咀选取与两个峰中间谷底对应的灰度值作为阈值。因为这类直方图暗示了背景和对象占据了不同的灰度范围，因此选择谷底作为闽值，可以使错分概率减到最小“”。４．１．３图像处理的形态学运算１．腐蚀腐蚀和后面介绍的膨胀都是基本的形态学运算。根据定义，边界点是位于物体内部，但至少有一个邻点位于物体之外的像素。简单的腐蚀是消除物体的所有边界点的一种过程，其结果使剩下的物体和其周边比原来物体小一个像素的面积。如果物体是圆的，它中北大学学位论文的直径在每次腐蚀后将减少２个像素，如果物体任一点的宽度小于三个像素，那么它在该点将变为非连通的（变为两个物体）。在任何方向的宽度都不大于２个像素的物体将被除去。腐蚀对从－－Ｎ分割图像中去除小且无意义的物体来说是很有意义的。一般意义的腐蚀定义为：Ｅ＝曰。ｓ＝ｋｙ｜％ｃＢｊ（４．８）也就是说，Ｓ对Ｂ腐蚀所产生的二值图像Ｅ是这样的点Ｇ，ｙ）的集合；如果Ｓ的原点位移到点Ｇ，），），那么Ｓ将完全包含于Ｂ中。使用简单１均３ｘ３结构元素时，一般意义的腐蚀简化为简单腐蚀。２．膨胀简单膨胀是将与某物体接触的所有背景点合并到该物体中的过程。过程的结果是使物体的面积增大了相应数量的点。如果物体是圆的，它的直径在每次膨胀后增大两个像素。如果两个物体在某一点相隔少于三个像素，它们将在该点连通起来（合并成一个物体）。膨胀在填补分割后物体中的空洞很有用。一般意义的膨胀定义为：Ｄ＝Ｂ。ｓ＝ｂ，ｙＩｓ，ｎ口≠矿）（４．９）也就是说，ｓ对１３膨胀产生的二值图像Ｄ是这样的点ｋｙ）的集合：如果Ｓ的原点位移到点ｋｙ），那么它与Ｂ的交集非空。使用简单的３×３结构元素时，一般意义的膨胀简化为简单膨胀。３．图像的锐化锐化处理既可在空间域进行，也可在频率域进行。在频率域进行锐化的办法是将经过变换后的图像做高通滤波，而在空间域的锐化处理则是对图像进行微分。图像中的边缘或线条与图像频谱中的高频分量相对应，可以采用高通滤波器让高频分量顺利通过，使图像的边缘或线条变得清晰，实现图像的锐化。高通滤波可以使用空域法或频域法来实现。在空间域是用卷积方法来实现的。Ｇ（ｘ，ｙ）＝∑∑，ｂ，ｎ归（ｘ－ｍ＋ｌ，Ｙ—ｎ＋１）中北大学学位论文式中，Ｇ（ｘ，夕）为ＮｘＮ阵列，是图像锐化输出，Ｆ（ｍ，ｎ）为输入图像，Ｈ为￡×工阵列，ｑ＝［÷：０］吼＝［三ｉ三：ｌ峨＝［÷！÷］风＝；［兰蔓兰］风＝主［三｛三］表４．１高通滤波频域实现ｃｔ．，，，滤波器名称理想高通滤波器（ＩＨＰＦ）日０，ｖ）公式日０，０＝｛：翥我糍日（＂）２。＋［或志…）］：一一巴特沃思滤波器（ＢＨＰＦ）１一ｌ＋Ｍ一１］［Ｄｏ／Ｄ（州）］２４指数滤波器（ＥＨＰＦ）Ｈ（“，ｖ）＝ｅ－｛［Ｏｏ／Ｄ（，，时＝－｛Ｉ～土２脚ＩｆＤｏ—Ｊｌ”｝梯形滤波器（ＴＨＰＦ）Ｈ（“，Ｖ）＝｛料若Ｄｌ≤。（“，Ｖ）≤￡ｋ１０若Ｄ（Ⅲ）＜ＤｌＩｌ若Ｄ（地ｙ）＞Ｄｏ５ｌ中北大学学位论文ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ软件介绍４．２系统设计包括硬件和软件两部分，这里用到的软件是ｅＶｉｓｉｏｎ系列图像处理软件ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ。ｅＶｉｓｉｏｎ是一套功能强大灵活的软件库和分析平台，主要用于工业图像处理。它包括三大类产品：通用图像处理类，标记检验类及高级专用类。具有开放式框架，完善的文档和易于理解的程序结构，使用户能够轻而易举地将其集成于自己的应用程序中。支持目前常用的操作系统和软件开发工具。ｅＶｉｓｉｏｎ的模块全部ＭＭＸ优化，具有极高的处理效率。ｅＶｉｓｉｏｎ集成工具有ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ和ＥａｓｙＭｕｌｔｉＣａｍ。ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ能提供快速建模环境，同时自动生成源代码；ＥａｓｙＭｕｌｔｉＣａｍ是Ｅｕｒｅｓｙｓ图像采集卡和ｅＶｉｓｉｏｎ之间的桥梁。标记检验库可靠性高，全自动化，支持各种字体，标准码和符号。其模块有：ＥａｓｙＯＣＹ（光学标记检验）、ＥａｓｙＯＣＲ（光学字符识别）、ＥａｓｙＭａｔｒｉｘＣｏｄｅ（二维面阵码识别）等。ＥａｓｙＢａｒＣｏｄｅ（条码识别）、高级专用模块库有模块ＥａｓｙＢＧＡ（ＢＧＡ检验），主要是针对工业中的某些特定视觉应用而开发的应用库，比如用于半导体行业中的二维ＢＧＡ检验。通用图像处理库适用于工业现场所需的各种图像处理功能，包括图像增强、降噪、摄像机校准、斑点（ｂｌｏｂ）分析、模板匹配、物体对位、彩色分析及尺寸测量等。也是论文中图像处理所用到的模块，下面对其功能进行详细介绍。Ｅａｓｙｌｍａｇｅ（图像处理）：ＥａｓｙＩｍａｇｅ的功能包括黑白和彩色图像的增强，线性／非线性滤波，几何变换，直方图分析，图像分割等。这些算法通常适用于图像的预处理，目的是获得高对比度，低噪声的图像，便于下一步的图像分割和分析。可以直接处理从ｌＯｂｉｔ或１２ｂｉｔ摄像机采集的图像，使中间处理结果有足够的精度。具体功能如下：灰度变换、几何变换、积分降噪、二值化处理、数据类型转换、图像算数和逻辑变换、轮廓提取、矢量运算、图像滤波（线性）、图像投影、形态处理（非线性）、像素统计。ＥａｓｙＣｏｌｏｒ（彩色校准及变换）：ＥａｓｙＣｏｌｏｒ模块可以支持各种彩色空间，对彩色图像进行处理。支持的格式有ＲＧＢ，ＸＹＺ，ＹＵＶ，ＹＩＱ，ＩＳＨ，ＬＳＨ，ＶＳＨ，ＬＣＨ和ＹＳＨ。ＥａｓｙＣｏｌｏｒ中北大学学位论文可以在以上彩色格式问任意转换，并将彩色转换为狄度图像。另外，ＥａｓｙＣｏｌｏｒ提供了利用彩色对图像进行自动分割的功能，方便了彩色图像的处理。ＥａｓｙＯｂｊｅｃｔ（斑点（Ｂｌｏｂ）分析）：ＥａｓｙＯｂｊｅｃｔ用于Ｂｌｏｂ分析，Ｂｌｏｂ（或Ｏｂｊｅｃｔ）指的是图像中某一块相连通的区域。通常它对应于用户感兴趣的物体。通过图像分割，一幅图可能出现许多Ｂｌｏｂ。ＥａｓｙＯｂｊｅｃｔ可以对这些Ｂｌｏｂ进行各种几何分析和统计，如：每个Ｂｌｏｂ的面积、周长、重心、最高灰度点、平均灰度值等。Ｂｌｏｂ分析是常用的图像分析工具，特别是在对被检物体没有先验知识的情况下，需要测量其形状、尺寸、位置等特征用于区分它们。支持的特征如下（包括每种特征的平均值和方差）：面积、重心、中心；特定角度的中心、长宽；最窄宽度的角度、中心、长宽；椭圆角度、中心、长宽；分割类、轮廓点；像素（最亮、最暗、平均、方差）；４５。、２２。、６８。角度的中心、长宽；图像矩Ｓｉｇｍａ（Ｘ，Ｙ，ＸＹ，ＹＹ）、最大ｒｕｎ；图像分割；相连区域标记；各种几何参数的计算；灵活的ｂｌｏｂ选择，排序管理；高效的ｒｕｎ－ｌｅｎｇｔｈ编码。ＥａｓｙＭａｔｃｈ（标准模式匹配）：ＥａｓｙＭａｔｃｈ用于在当前图像任意位置中寻找以前学习过的模板图像。模板匹配法是十分有效而直观的寻找一个或多个已知物体的算法。ＥａｓｙＦｉｎｄ（几何模式匹配）：由于基于几何特征点，ＥａｓｙＦｉｎｄ同传统模板匹配算法相比，具有更快的处理速度和更可靠的匹配结果，也更能容忍图像噪音，模糊，部分遮挡，部分丢失和不均匀光照情况下的匹配。由于匹配精度可调，直达亚像元，ＥａｓｙＦｉｎｄ具有极高的匹配精度。ＥａｓｙＦｉｎｄ也支持更为复杂的无关区域设置。ＥａｓｙＧａｕｇｅ（测量及尺寸控制）：ＥａｓｙＧａｕｇｅ是Ｅｕｒｅｓｙｓ第二代用于尺寸测量和控制的模块库。基于成熟的亚像元测量和最小二乘法拟合算法，ＥａｓｙＧａｕｇｅ可以对制造工件进行高精度，高可靠性地测量。ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ图像处理软件的强大功能给参数提取带来了极大的方便下一章将用该软件的Ｅａｓｙｌｍａｇｅ、ＥａｓｙＯｂｊｅｃｔ、ＥａｓｙＧａｕｇｅ模块对采集到的光纤光锥图像进行处理。ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ软件二次开发４．３由于ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ的功能强大，而实际应用过程中所用到的只是其中的某些模块，这就需要对ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ软件进行二次开发，找出相应的功能，简化操作步骤。ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ软件可在ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶＢ．ｎｅｔ、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶＢ、Ｖｃ＋＋、ＢｏｒｌａｎｄＣ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ中北大学学位论文和Ｄｅｌｐｈｉ开发平台上通过使用动态链接库或ＡｃｔｉｖｅＸ控件进行二次开发，而ＶＣ＋＋提供各种函数、指针操作及直接对硬件的操作使得数字图像处理速度快，此处采用Ｖｃ调用动态链接库函数的方法实现图像处理。目前，已经对ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ软件进行了二次丌发，通过加入图像分割代码可以实现对光纤光锥透过率的处理。中北大学学位论文５图像采集及参数提取５．１漫射光积分整体透过率在要求的光谱覆盖范围（这里可理解为白光）的漫射光照射下，光纤光锥的出入射光谱辐射通量之比，即为漫射透过率。５．１．１采集步骤准备工作：将滤光片转盘转到空孔位置，使白光通过。其采集步骤如下：１）用ＣＣＤ相机对准积分球出射的漫反射光，通过调整光圈，使图像的亮度合适，光强太强接近相机的饱和值或光强太弱都会影响测量精度。根据超级终端设定采样频率ｓｓｆ＝２４Ｈｚ，即相机每秒采集２４帧，采集时保证系统密闭不受环境光影响。２）将相机调整到合适的高度，使光斑能够尽可能大的充满整个ＣＣＤ光敏区“”，即在电脑显示器上的显示的图像尽可能大的充满屏幕。３）调焦，使图像尽可能清晰。在相机调整过程中，可以通过读取图像采集软件中的ｆｏｃｕｓｉｎｇ参数值来确定调焦是否调到最佳状态，这样就可以避免人眼读取时的人为误差。４）图像采集。将图像输出到计算机上，此图像称为本底；５１将光纤光锥样品放置积分球的出口处；６）不改变相机的外界环境，即光圈大小、焦距不变，将相机升高与光纤倒像器样品相同的高度；７）图像采集。即为光纤器件的图像。采集到的光纤光锥本底和光纤光锥图像如图５．Ｉ和图５．２所示：中北大学学位论文图５．１光纤光锥本底图５．２光纤光锥图像由上图可以看到积分球出口处放置光纤光锥后，光斑的亮度明显变暗，即在传像过程中有光能损失，损失越小产品质量越好，因此需要检测透过率。５．１。２图像处理提取积分整体透过率由于光纤光锥在使用过程中很少用到边缘部分，所以在求积分透过率时需选定光纤光锥的有效区域。选定光纤光锥有效区域通常有两种方法：１）图像采集前在积分球出口处放置与光纤光锥相匹配的黑色有效区域套圈；２）在图像处理时通过软件图像分割处理来找其有效区域。这里采用第二种方法。图像分割依据是，根据有效区域的直径像素数与光纤光锥直径像素数之比等于有效区域直径与光纤光锥直径之比。图像处理时设定图像分割半径就可以设定其有效区域了。定义平均灰度值。平均灰度值指的是莱区域内所有像素点的灰度值之和与此区域内像素点的个数之比。即ｋ＝ｎ一∑ｆ他）ｆ（后产三：Ｌ一雄（５．１）面石表示像素平均值，ｆ（七）表示像素ｋ的灰度值，，ｌ表示像素个数。将采集到的图像经过如图５．３的图像处理流程。利用图像处理软件ＥａｓｙＡｃｅｓｓ处理，首先求采集到的光纤光锥本底有效区域的平均灰度ｉ。对本底图片进行图像分割，将光纤光锥的本底提取出来，如图５．４，然后将分割得图像进行面积等换，如图５．５，再通中北大学学位论文过图像处理软件的灰度统计功能将其等效面积的平均灰度值统计出来，如图５．６，得到平均灰度值，为１６１．９８。然后对光纤光锥图片进行相同的处理步骤，图像切割时所选的半径与本底的有效半径相同，其图像切割如图５．７，与等效面积转换如图５．８，再根据图像处理软件灰度统计功能得到其平均灰度值如图５．９，Ｊ为１０２．１９。打开本底图片ｉ将本底的有效区分割出来ｉ分割出的图像等效面积转换Ｊ求其平均灰度值ｆｊ打开光纤光锥图像Ｉ将光纤光锥的有效区域分割出来１分割出的图像等效面积转换』求其平均灰度值，图５．３漫射光积分透过率图像处理流程中北大学学位论文５．４光纤光锥本底分割５．５光纤光锥本底等效面积转换图５．６本底有效区域等效面积平均灰度值计算５．７光纤光锥有效区域分割５．８光纤光锥有效区域有效面积转换中北大学学位论文图５．９光纤光锥有效区域等效面积平均灰度值计算光纤光锥有效区域平均灰度值与其本底图像的有效区域平均灰度值之比值即为光纤器件的透过率。叩２—雨磊甄眍獗事觋话矿：１０２．１９：６２．７％１６２．９８光纤光锥有效区域平均灰度值（５．２）利用功率计测得出入射光纤光锥的功率分别为１．８５ｌａＷ和１．１５１．ｔＷ，求其透过率为６２．２％。通过比对，证明了本文方案测量数据的准确性。５．１．３实验结果及其分析分别对光纤倒像器、光纤面板、光纤光锥等光学传像器件进行测试，其漫射光积分透过率如表５．１：表５．１光纤光锥参数测量结果光纤传像元件光纤面板光纤倒像器光纤光锥２７．０６直径１（ｍｍ）３３．４２１．９直径２（ｒａｍ）２９｜２２高度（ｍｍ）７．６８２ｌ本底平均灰度１５７．３４１６１．９８１５４．８９小端平均灰度大端平均灰度透过率（％）７４．４８６２．７８３．３１５９．０５１２９．０５１０２．１９１２９．０５９１．４７１８．８１６实验分析：中北大学学位论文光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥都是由光纤束经过特殊加工而制成的，有着共同的透过率影响因素：传输光特性、填充系数、端面反射损失、材料吸收损失、全反射损失、不满足全反射、渗入纤皮消逝波等。光纤倒像器存在扭转纤维的形变对透过率的影响，其透过率比光纤面板透过率低。光纤光锥存在锥度比对透过率的影响，若光纤光锥的大端朝下，则透过率较高；若大端朝上，其透过率较低。５．２光谱透过率测试漫射光光谱透过率是指在某一光谱的漫射光照射下，光纤光锥的出射光谱辐射光通量与入射光谱光通量之比。由于光源经过滤光片滤光后，光比较微弱，ＣＣＤ光敏面上的光照度比较低，为了有效压缩噪声，增强有用信息，在图像处理过程中采用帧叠加处理。帧叠加即是将不同时刻两幅或者多幅图像对应点的灰度值相加，以求信号的总和。但帧数目增加的同时也增加了图像采样时间和图像位置的不准确性，因此需要适中考虑州。５．２．１采集步骤采集步骤如下：１）旋转滤光片转轮即可选择让某一波长的光通过，假设让滤光波长为４５９ｎｍ的滤光片处于系统工作中。２）调整相机，由于在光源处添加滤光片后相机采集的图像较弱，在数据测量中严重影响测量精度，调整相机的采样频率，设置ｓｓｆ－－－－１０，即通过延长相机的积分时间增强采集图像的亮度，但此时会增大相机的噪声。使其处于最佳状态，然后进行图像采集。采集的图片为光源波长４５９ｎｍ时的本底图片，如图５．１０１ａ。３）在积分球出口处放置光纤光锥，将相机上升与光纤光锥相同的高度，不改变相机状态，进行图像采集。采集的图片为光源波长４５９ｎｍ时光纤光锥的图片，如图５．１０ｌｂ。４）转动滤光片转盘，使不同的滤光片处于系统工作中，分别对本地和光纤光锥进行图像采集。在各个波长段采集的本底图片与光纤光锥图像如图５．１０。某些光谱的光通过时，相机所采集到的图像灰度值比较底，为了便于处理，可以通过启用超级终端，延长相机积分时间来提高图像灰度值，同时，图像噪声也相应增大。中北大学学位论文图５．１０光谱透过率测试图图５．１０中１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、ｌＯａ、ｌＯｂ分别代表放置滤光波长为３９６ｎｍ、４５９ｎｍ、５１９ｎｍ、５６０ｈｍ、６０１ｎｍ、６１中北大学学位论文６６２ｎｍ、７２８ｎｍ、７８１ｒｉｍ、８５０ｈｍ、９４０ｈｍ的滤光片时的本底和光纤光锥图像。５．２．２图像处理及实验结果将图５．１０中每一组图像先进行帧叠加，然后按照整体积分透过率图像处理步骤处理，其光谱透过率结果如表５．２：表５．２光谱透过率波长（ｒｉｍ）３９６４５９本底灰度平均值９６。７５６５．４７放置光锥后灰度平均值９２．２６５６．１８光谱透过率％９５．４８５．８８３．４８１．５９６．３８０．５９２．７９２．４５１９５６０６０１６６２７２８７８ｌ８５０９４０１４３．２８１５２．９３９８．７ｌ１３３．５ｌ７０．４２６９．５ｌ７５．７９１２０．２Ｉ１１９．４４１２４．６０９５．０３１０７．４１６５．３ｌ６４．２２６９．２７１０９．６９９１．４９１．２分析：样品光纤光锥的光谱透过率在短波长处透过率较低，在波长为６０１ｒｉｍ处透过率最高。在测量光谱透过率时，由于图像采集时延长了相机的积分时间，增大了噪声，同时采用帧叠加处理，所测得的结果有一定的误差。５．３局部透过率测试局部透过率可帮助我们找到透过率低的原因，即产品的哪一部分容易出现问题，通过改进生产提高产品质量。局部透过率测试是指对光纤光锥感兴趣的区域进行透过率测试。其图像采集部分与积分透过率图像采集部分相同，采集的本底图像如图５．１１，光纤光锥图像如图５．１２。中北大学学位论文图５．１１光纤光锥本底图５．１２光纤光锥图像局部透过率主要是通过图像处理来求得的。其图像处理流程如图５．１３：前面讲到从积分球口出来的光可以看作均匀的漫射光，所以在求局部透过率时可以认为本底有效区域灰度值为各局部透过率时的本底灰度值。打开本底图像求光纤光锥本底平均灰度值ｉ打开光纤光锥图像找出感兴趣的局部区域求出局部区域的平均灰度值局部区域的平均灰度值／本底平均灰度值图５．１３局部透过率测试流程图找出感兴趣的局部将其分割出来，如图５．１４，然后面积转换，求其平均灰度值。局部区域的平均灰度值与本底平均灰度值之比即为局部透过率。在实际的测试过程中，一般要分别求上下左右各局部的透过率，经过处理，求得结果如表５．３。中北大学学位论文图５．１４局部选取表５．３局部透过率测试结果方位左右上下局部赢径２０２０２０本底灰度平均值１５５．４８局部灰度平均值９８．９４１０３．１１透过率（％）６３．６４６６．３２１５５：４８１５５．４８１５５．４８ｌｏｏ．５３１０１．０２６４．６６６５．００２０５．４枕／桶形失真测量枕／桶形失真测量方法如下：采用漫射光照明测量传像光纤元件失真时，将一块刻有正方形的分划板放置到被测样品与标准传光板之问如图５．１５，刻度面应与被测样品输入端面紧贴，ＣＣＤ相机对焦于传像光纤元件的输出端面，由计算机采集图像数据处理可得出桶形和枕形失真参数ｎ。只＝Ｄ／厶ｘ１００（５．３）中北大学学位论文图５．１５枕／桶形失真测量５．４．１图像采集１）将通过计量部门计量过了正方形分化板放置积分球出口处，刻度面朝上。２）将光纤光锥放置在分化板上面，由于光锥可以放大图像，为了使失真更明显，在图像处理的结果更为精确，光锥小端朝下。３）将相机调整到最佳状态，进行图像采集。如果光纤光锥传像时图像无失真，则拍出的图像仍然为标准的正方形。用相机采集的图片如图５．１６所示，显然正方形的四边都由中心向外膨胀，产生了桶形失真。图５．１６采集的形变图片中北大学学位论文５．４．２图像处理对如图５．１６所示的图片进行图像处理，以求得桶形失真系数。利用图像处理软件ＥａｓｙＡｃｅｓｓ进行图像处理流程如下：Ｉ打开图片Ｉ』以分化板左上顶点为标准，对分化板进行角度测量，转正Ｉ读出顶点横坐标五Ｉｌ测最分化板左边两顶点的距离Ⅳ』ｌ求出左分化板左边切线坐标ｘ：ｌ博ｌ—ｘ２）／／－Ｉ图５．１７桶／枕形失真处理沉程１１打开图片５．１６。２）利用图像处理软件中测量功能，测量在图像采集时由于分化板没有方正的角度。然后利用旋转功能将图片进行相应的角度，使分化板左边的上下两顶点坐标的ｘ值相同。３）使用图像处理软件中的方框功能，打开一个方框使它一边的两顶点与分化板的左边两项点重合，读出方框的高度Ｈ和起点坐标ｘｌ，如图５．１９，ＸＩ为１７３，表示像素位置．。４）再打开一方框使方框的左边与分化板左边相切，读出方框起点坐标Ｘ２，如图５．２０，ｘ２为１８３。５）（ＸＩ－ｘ２）／Ｈ即为失真系数，从图５．１９和５．２０中可以看出Ｈ为５７０。中北大学学位论文６）按照此方法，求各个方向的失真系数。处理中的图片如图５．１８所示，求其各个方向上的失真如表５．４所示。桶形失真百分比：（１８３—１７３）／５７０＝０．０１７５＝１．７５％，同理：可求出其它边的失真百分比。图５．１８处理中的图片图５．１９数据读取图ｓ．２０数据读取图表５．４桶枕形失真结果标准值（坐标）左边１７３７５７１８５７７８最大变形处（坐标）１８３７６６１９４７７３边长（像素数）５７０５８５５６８５８７结果（％）１．７Ｓ１．６４１．５８Ｏ．８５右边上边下边６７中北大学学位论文５．５放大率测试放大率测试主要是针对光纤光锥而言的。其定义为放置光锥后与放置光锥前图像输出大小之比。测试方法：在放置光纤光锥前后两次对正方形分划板进行图像采集，测量输入和输出正方形的边长Ｌ。。和Ｌｏ，即可求得光纤光锥的放大率。Ｍ＝厶／ｋ５．５．１图像采集（５．４）ｎ将刻有正方形的分化板放置积分球出１：３处，用ＣＣＤ相机进行图像采集。采集到的图像如图５．２ｌ。２）将光纤光锥小端朝下放置在分化板上，相机升高与光纤光锥相同的高度，保持相机的状态不变，对光纤光锥进行图像采集。采集到的图像如图５．２２。图５．２１分化板图像５．２２放置光锥后图像５．５．２图像处理１１利用测量工具，求分化板倾斜的角度。２１图像旋转相应的角度，将使分化板转正。３）测量分化板中合适正方形的边长。从图５．２２中可以看到，光锥的小端可以将分化板的最外层正方形的底边图像传出，所以选取此边为测量对象，如图５．２３。读出此边长为３４０个像素，如图５．２４。中北大学学位论文钔按照上面的测量方法，以光纤光锥传出的像中相对应分化板的边长为测量对象，如图５．２５所示，读出边长为５６８个像素，如图５．２６所示。５）前后测量相应分化板边长的比值即为光纤光锥的放大率。图５．２３分化板边长测量图５．２４放置光锥后的分化板边长测量图５．２５分化板边艮测量结图５．２６放置光锥后分化板边长测量结果所求放大率：Ｍ＝５６８／３４０＝１．６７。中北大学学位论文５．６分辨率测量测定光纤光锥分辨率时应采用漫射光照明，而鉴别率板图案刻度面应与光纤光锥输入端面紧贴，根据能判别条纹的组数来确定光纤光锥的分辨率。测试中，利用显微镜头代替原相机镜头，鉴别率板图案刻度朝上的放置在积分球出口处，光纤光锥放置的鉴别率板上，将相机调整到最佳状态，来回移动鉴别率板，使能够判别的条纹在相机的视场内，进行图像采集。采集到的图像如图５．２７：图５．２７光纤光锥的分辨率图片在ＥａｓｙＡｃｅｓｓ软件下读出图片与附录中标准分辨力靶板对比，可以看到其分辨率为第３组的第２列，其分辨率为９４．４９１ｐ／ｍｍ。５．７鸡丝斑点面积的测量鸡丝斑点测量主要是检测光纤光锥表面质量问题，在这里主要是测量最大斑点鸡丝的面积。中北大学学位论文５．７．１图像采集准备工作：由于鸡丝仅占有２～４个纤维宽度，所以在图像采集时将普通相机镜头更换成显微镜头，放大倍数为ｌＯ倍：滤光片转轮转到空孔位置，让白光通过。采集步骤：１１由于相机镜头换成显微镜头后，所能看到的视场很小，而整个系统是放置在不透光的仪器壳里面，调试起来不方便，所以先在显微镜下来回移动光纤光锥，找出最大的斑点鸡丝。２１将通过计量部门计量过了的十字分化板放置在光纤光锥之上，而鉴别率板图案刻度面应与光纤光锥输出端面紧贴。在显微镜下将最大的斑点鸡丝放置在十字分化板的刻线范围内。３）光纤光锥和十字分化板看作整体放置在积分球的出口处，来回移动整体，使最大的斑点鸡丝和鉴别率刻线在相机的视场之内。调节相机，使相机工作在最佳状态，进行图像采集。采集到的斑点鸡丝图像如图５．２８。图５．２８鸡丝斑点图像采集中北大学学位论文５．７．２图像处理分化板是经过计量部门计量过了的标准十字分化板，每一小格是１０｜＿ｔｍ。利用ＥａｓｙＡｃｅｓｓ软件进行图像处理，其流程图如图５．２９所示。其步骤如下：ｌ打开图片ｌＪｌ标定，求出单个像素所对应的实际尺寸』图像均衡化ｉｌ检测目标ｌ』计算鸡丝斑点面积图５．２９鸡丝斑点检测流程图１）标定：利用线测量工具求得单位像素对应的实际尺寸。如图５．３０，选取刻度尺上两点，尽量使中间的测量线与标尺垂直，线越长测量误差越小，然后读取对应刻度的像素数，４００１ａｍ对应５２４个像素，即实际尺寸４００１ｘｍ的长度，在系统光路下所成的像占５２４个像素。（４００／５２４）２便是所成像上单位像素对应的实际面积，单位是ｕｍ２。中北大学学位论文５．３０像素尺寸标定劲直方图均衡化由于采集的图像较黑，灰度值范围比较小，使用直方图均衡化的方法处理图像，使斑点鸡丝更突出，这样更易检测目标。均衡化后的图像如图５．３１所示。５．３１直方图均衡化３）目标检测中北大学学位论文图像处理软件有目标检测的功能，由于鸡丝较黑，我们要检测黑色目标，参数设定为“ＢｌａｃｋＣｌａｓｓ”，采用腐蚀和图像分割等算法来执行自动目标检测功能。检测结果如图５．３２，共找到２３３６个黑色目标个体：图５．３２黑色目标检测不是所有检测出来的个体都是斑点鸡丝，有的只有一两个像素值，将其视为噪声，有的是黑度刻度线，还有的是小得斑点鸡丝。由于是求最大面积的斑点鸡丝，通过算法，将像素数小于１００的个体去掉，这样就只剩下９个个体，如图５．３３所示：５．３３所剩黑色目标９个黑色目标中选择要测量的鸡丝。在有编号的图像列表视图中选择一项，图像中对应的个体便突出显示出来，找到鸡丝斑点后，如图５．３４，读出其像素值为３０７０。７４中北大学学位论文图５．３４鸡丝斑点图钔计算面积。鸡丝面积＝（４００／５２４）２×３０７０＝１７８８．９４（ｒｔｍ２）。５．８平行光透过率测量在要求的光谱覆盖范围（这里可理解为白光）的准直光照射下，光纤光锥的出、入射光谱辐射通量之比，即为平行（准直）光积分整体透过率。５．８．１图像采集由于测量光纤光锥用积分球加工尚未完成，先以光纤面板为例，测光纤面板的平行光透过率。光纤面板样品规格：直径３３．４ｍｍ，高度３ｍｍ。对其进行图像采集。准备工作：将滤光片转盘转到空孔位置，使白光通过。采集步骤如下：１１用ＣＣＤ相机对准积分球出射的漫反射光，通过调整光圈，使图像的亮度合适２１将相机调整到合适的高度，使光斑能够尽可能大的充满整个ＣＣＤ光敏区，即在电脑显示器上的显示的图像尽可能大的充满屏幕。３１调焦，使图像尽可能清晰。在相机调整过程中，可以通过读取图像采集软件中的ｆｏｃｕｓｉｎｇ参数值来确定调焦是否调到最佳状态，这样就可以避免人眼读取时的人为误中北大学学位论文差。４１图像采集。将图像输出到计算机上，此图像称为本底；５）将光纤面板样品放置平行光管后积分球的入口处；６、不改变相机的外界环境，即光圈大小、焦距不变，相机高度不变；７、将相机对着积分球出口处进行图像采集。即为光纤面板的图像。采集到的平行光下积分球出口处的光斑如图５．３５，称为本底，将光纤面板放置在平行光管后积分球入口处采集到的积分球出口处的光斑如图５．３６。图５．３５本底图５．３６放置光纤面板后图像５．８．２图像处理及实验结果平行光透过率测量的图像处理方法同漫射光几分透过率的处理方法，其测得结果如表５．５所示。表５．５平行光透过率测试结果Ｉ光纤面板Ｍ１直径（ｍｒｎ）３３．４高度（ｎｕｎ）３本底（灰度）９９．８５．端面（灰度）８２．３８透过率（％）８３．３３Ｉ５，９本章小结本章将各参数测试的图像采集步骤和图像处理过程做了详细的叙述。通过ＣＣＤ相机采集到真实的光纤光锥图像，由图像处理软件根据相关的参数提取算法将采集到的图像进行处理，以求得参数结果。整套系统下来，已经能够对所要求的漫射光积分透过率、７６中北大学学位论文漫射光局域透过率、漫射光光谱透过率、透过率相对误差、枕／桶形失真、分辨率及平行光透过率等参数进行测量。测试的结果与国外先进设备测试的结构相比对，漫射光积分透过率、平行光透过率、分辨率、放大率等测试结果均在规定的误差范围内，测试结果具有真实、可靠性。光谱透过率测试的结果普遍偏高，误差较大。据分析，其原因有：测试系统密封性不够好，受到了背景光的干扰；由于测试的信号微弱，延长相机的积分时间，增大了噪声；图像处理时采用了帧叠加的处理方法，增加了图像采样时间和图像位置的不准确性。中北大学学位论文６总结本文在总结现有光纤光锥光学特性参数测试技术基础上，提出并实施完成了一套基于平行光管——单积分球——ＣＣＤ相机的光纤光锥光学特性测试仪器，实现了对光纤光锥的漫射光积分透过率、漫射光局部透过率、漫射光光谱透过率、枕／桶形失真、分辨率及平行光透过率等参数的综合测量。工作创新点如下：１）在光学系统设计上，采用平行光管与积分球相结合的方案，实现了参数测试时对平行光或均匀漫射光的要求。２）在光电探测器的选择上，采用了ＣＣＤ图像传感器，将光纤光锥的信息以数字图像的形式保存下来，易于存储和处理，携带信息量大。３）在图像处理上，用Ｖｃ对ＥａｓｙＡｃｃｅｓｓ进行二次开发，简化了图像处理的过程。结合本文研究工作，作者认为还需在以下方面进行更深入的研究：１）通过理论分析与实验，特别是测量光谱透过率时，应适当加大光源的功率或购置灵敏度更高的科学级相机，对光学环境拟作进一步地改进，以减少背景光对测量结果的影响。２）为了适应公司测试更大直径的光锥，可设计更大直径的积分球以满足大尺寸光纤光锥的光学特性参数测试要求。中北大学学位论文附录标准分辨力靶板图案中北大学学位论文组别：－２组别：．１序线条宽度１对线宽度序线条宽度１对线宽度号分辨力Ｏｐ／ｍｍ）号分辨力（１ｐ／ｍｍ）（ｐ－ｍ）（ｐｍ）（ｐ－ｍ）（ｐｍ）ｌ１９０．０６３８０１２２．６３ｌ９５．０３１９０．０６５．２６２１６９３２３３８．６５２．９５２８４．６６１６９．３２５．９ｌ３１５０．８５３０１．７０３．３ｌ３７５．４２１５０．８５６．６３４１３４．３９２６８．７８３．７２４６７．２０１３４．３９７．４４５１１９．７３２３９．４６４．１８５５９．８６１１９．７３８．３５６１０６．６７２１３Ｊ３３４．６９６５３，３３３３３１０６．６７９．３８组别：０组别：Ｉ序线条宽序线条宽度ｌ对线宽度号度１对线宽度分辨力Ｏｐ／ｍｍ）号分辨力（Ｉｐ／ｍｍ）（ｐ－ｍ）（¨ｍ）（ｐ－ｍ）（ｐ－ｍ）１４７．５ｌ９５．０３１０．５２ｌ２３．７６４７．５１２１．０５２４２．３３８４．６６１１．８１２２１．１７４２．３３２３．６２３３７．７１７５．４２１３．２６３１８．８６３７．７ｌ２６．５２４３３．６０６７，２０１４．８８４１６．８０３３．６０２９．７６５２９．９３５９．８６１６．７０５１４．９７２９．９３３３．４１６２６６７５３．３３１８．７５６１３．３３２６．６７３７．５０组别：２组别：３序线条宽１对线宽度序线条宽度１对线宽度号度分辨ＤＯｐ／ｍｍ）号分辨力Ｏｐ／ｍｍ）（ｐ－ｍ）（肛ｍ）（ｐ－ｍ）（ｐ－ｍ）ｌ１１．８８２３．７６４２．０９１５．９４１１．８８８４．１８２１０．５８２ｌ，１７４７．２５２５．２９ｌＯ．５８９４．４９３９．４３１８．８６５３．０３３４．７ｌ９．４３１０６．０７４８．４０１６．８０５９．５３４４．２０８．４０１１９．０６５７．４８１４．９７６６．８２５３．７４７．４８１３３．６３６６．６７１３．３３７５．ｏｏ６３．３３６．６７１５０．００中北大学学位论文参考文献［１］光纤面板．ｈｔｔｐ：／／２１９．２３２．３６．１９５／ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ／ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ／ｉｎｄｅｘ３．ｈｔｍ［２］朱耀武．光学纤维面板原理及应用．物理．１９９５，２４．４：２２３～２２７．［３］王玲玲．光纤光锥及其应用．科技情报开发与经济．２００２，１２．６：８７～８８．［４］ＰａｄｍｏｒｅｐｈｏｔｏｎｉｃｆｉｂｅｒＨｏｗａｒｄＡ．Ｐｒｏｂｉｎｇｔｈｅｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅａｎｄｓｐａｔｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｌａｎａｒｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｕｐｌｉｎｇｆｒｏｍｏｐｔｉｃａｌｃｒｙｓｔａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｍｏｄｅｓｖｉａｈｉｇｈｌｙｔａｐｅｒｓ［Ｊ］。Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００４，（８５）ｌ：４．６．Ｓ．Ｍ．，ＫｉｐｐｅｎｂｅｒｇＴ．Ｊ．，Ｐａｉｎｔｅｒｓｙｓｔｅｍ［５］Ｓｐｉｌｌａｎｅ０．Ｊ．，ＶａｈａｌａＫ．Ｊ．。Ｉｄｅａｌｉｔｙｉｎａｆｉｂｅｒ．ｔａｐｅｒ．ｃｏｕｐｌｅｄｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｃａｖｉｔｙｑｕａｎｔｕｍｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２００３（９１）４：３９５。４０２．［６］ｈｔｔｐ：／／ｗｖｎⅣ．ｆａｉｒｃｈｉｌｄｉｍａｇｉｎｇ．ｃｏｍ／ｍａｉｎ／ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ／Ｃｏｎｄｏｒ４８６—２００ＲｅｖＣ．ｐｄｆ［７］ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓ：ＴｈｅｏｒｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｕｒｌｅ．ｃｏｍ／ｃｇｉ—ｂｉｎ／ｂｙｔｅｓｅｒｖｅｒ．ｐｌ／ｐｄｆ／ｌＯＯｒ．ｐｄｆ［８］王耀祥，田维坚，黄琨等．光锥与ＣＣＤ耦合效率的理论分析［Ｊ］．光子学报，２００４，（０３）．［９］Ｆｉｂｅｒ［１０１ＯｐｔｉｃＣｏｕｐｌｉｎｇｓ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｒｏｘｉｔｒｏｎｉｃ．ｄｅ／ｄｎｌｏａｄ／ｅｆｏ．ｐｄｆａ１．，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．７３，（２００２），ＰＰ．２８１５～２８４２．Ｓ．Ｍ．Ｇｒｕｎｅｒｅｔ［１１］ＫａｚｕｋｉｗｉｔｈａＩｔｏ，ＴｅｔｓｕｒｏＦｕｊｉｓａｗａ，ａｎｄＴａｄａｈｉｓａｌｗａｔａ；Ｆｉｂｅｒ—ＯｐｔｉｃＴａｐｅｒＣｏｕｐｌｅｄＬａｒｇｅＦｏｒｍａｔＣｈａｒｇｅ—ｃｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅＸ－ｒａｙＤｅｔｅｃｔｏｒ：ＦａｓｔＲｅａｄｏｕｔａｎｄＨｉｇｈＡＩＰＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ一一Ｊａｎｕａｒｙ１９，２００７一一Ｖｏｌｕｍｅ８７９，Ｄｕｔｙ—ＣｙｃｌｅＲａｔｉｏ；ＰＰ．１１６０—１１６３ＳＹＮＣＨＲＯＴＲＯＮＲＡＤＩＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ：ＮｉｎｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎＲａｄｉａｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｎＨｉｇｈ—ＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｍａｇｉｎｇ．［１２］ＦｉｂｅｒｏｐｔｉｃＴａｐｅｒｓｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｊｏｒ．ｃｏｍ．ｔｗ／ｐ＿４＿１一ｃａｓｃａｄｅ．ｈｔｍ［１３］桶形失真．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｒｔｃｎ．ｃｎ／ａｒｔ／ｓｙｙｓ／ｗｌｓｙ／２００６０４／９４１８．ｈｔｍｌ［１４］枕形失真．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｒｔｃｎ．ｃｎ／ａｒｔ／ｓｙｙｓ／ｗｌｓｙ／２００６０４／９４２９．ｈｔｍｌ［１５］高稚允．光电检测技术．北京：国防工业出版社，１９９５：３７～５８．１４７～１６２．３４０～３６４．８１中北大学学位论文［１６］ＤａｖｉｄＡ，ｃｈａｎｇ．ｙｅｎ．ＡＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＰＤＭＳＷａｖｅｇｕｉｄｅＳｙｓｔｅｍＦａｂｒｉｃａｔｅｄＵｓｉｎｇＯＦＬＩＧＨＴＷＡＶＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧ丫．Ｓｏｆｔ．ＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．ｊｏｏＲＮＡＬ２００５，（２３）６：２０８９～２０９２．［１７］ＤｉｍｍｉｃｋＴ．Ｅ．，ＫａｋａｒａｎｔｚａｓＧ．，８ｉｒｋｓＴ．Ａ．，ＲｕｓｓｅｌｌＪ．．Ｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｌａｓｅｒｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｕｓｅｄ．ｆｉｂｅｒｃｏｕｐｌｅｒｓａｎｄ６８４８．ｔａｐｅｒ［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．１９９９，（３８）３３：６８４５～［１８］ＢａｒｃｌａｙＰ．Ｅ．，ＳｒｉｎｉｖａｓａｎＫ．，Ｐａｉｎｔｅｒ０．．ｈｏｎｌｉｎｅａｒｒｅｓｐｏｎｓｅａｍｏｆｓｉｌｉｃｏｎｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｅｘｃｉｔｅｄｖｉａｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅａｎｄｆｉｂｅｒｔａｐｅｒ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ．２００５，（１３）３：８０１～８２０．［１９］谭力，刘玉玲，余飞鸿．光学器件光谱透过率反射率实时测量系统的研制．光学仪器，２００４，（０３）［２０］王耀祥．纤维光锥有效透过率的理论分析．光子学报．２００５，３４．４：５２９～５３３［２１］邓锦辉，高岳．光纤面板透过率分布检测方法．光学技术．２００５，（０４）［２２］陈文建，迟泽英，游明俊．光纤传像元件极限分辨率测量判别．南京理工大学学报．１９９６，（０５）［２３］刘洋．光纤面板斑点测量方法的研究．北京理工大学．硕士学位论文．２００３．２．１５［２４］高稚允，高岳编．光电检测技术．国防科技图书出版基金资助出版．１９９５：１～６［２５］王庆有．图像传感器应用技术．电子工业出版社，２００３：９５～９６：３５；３４７～３４８；２９９［２６］荆其诚，焦书兰，喻柏林等．色度学．科学出版社，１９７９［２７］汤顺青．色度学．北京理工大学出版社，１９９０［２８］王庆有．ＣＣＤ应用技术．天津大学出版社，２０００：２９［２９］周太明．光源原理与设计．上海：复旦大学出版社，１９９３．［３０］官晟，丁永耀．３ＣＣＤ相机摄像系统光源的选择与计算．黄渤海海洋，２００１，（０１）［３１］（英）Ｊ．Ｒ．柯顿（Ｊ．Ｒ．Ｃｏａｔｏｎ），（英）Ａ．Ｍ．马斯登（Ａ．Ｍ．Ｍａｒｓｄｅｎ）主编，陈大华等译．光源与照明．复旦大学出版社，２０００：１５１～１５４［３２３王海涛，何平安，刘震亚，楼越焕．激光光刀法三维测量系统中的光谱匹配问题．光学与光电技术，２００３，（０５）［３３］卢进军，刘卫国．光学薄膜技术．西北工业大学出版社，２００５：５８～８３中北大学学位论文［３４］北京工业学院光学仪器教研室．光学仪器装配与校正．北京：国防工业出版社，１９８０：９５～９８．［３５］赵立平．光学测量实验与习题．北京：北京理工大学出版社，１９９３：１～９．［３６］汤顺青，朱正芳．积分球的系统误差分析．计量技术，２００５，（１２）［３７］李平，熊利民，王煜．积分球辐射场均匀性的数值分析．现代计量测试，２０００，（０６）［３８］新型Ｒ测光积分球．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｆｓｔａｒ．ｃｏｍ／Ｆ４ｚｆｑ．ｈｔｍ［３９］红外灯的原理选择与应用．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｉｃｔ．ｃｎ／ｊｘｂｂｓ／ｐｒｉｎｔｐａｇｅ．ａｓｐ？ＢｏａｒｄＩＤ＝２２８＆ＩＤ＝１４１３８［４０］机械工业部仪器仪表工业局．几何光学（上册）．机械工业出版社，１９８７：１２８［４１］如何为机器视觉系统选择采集卡．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ。ｃｈｉｎａ－ｖｉｓｉｏｎ．ｎｅｔ／ｔｅｃｈｎ０１０９ｙ／ｈａｒｄ／２００６１２／３６１３．ｈｔｍｌ［４２］陶纯堪，沈伟生．光纤面板传输机理研究（Ｉ）．中国科学Ａ辑，１９９０，（０７）［４３］文华，沈伟生，陶纯堪．光纤面板传输机理研究（ＩＩ）．中国科学Ａ辑，１９９１，（０３）［４４］朱云青，徐明泉，赵锦琳．光纤束光透过率影响因素．玻璃维，２００５，（０６）［４６］任志文．光纤倒像器的透过率．应用光学，２０００，（０１）［４７］阮秋琦，阮字智等译．数字图像处理阮秋琦，阮字智等译．电子工业出版社，２００１，７２～７４［４８］刘禾．数字图像处理及应用．中国电力出版社，２００６：１４３～１４６；８４［４９］凌云光视数字图像公司．ＣＣＤ＆ＣＭＯＳ图像和机器视觉产品手册，１４８［５０］程源．多帧叠加及中值滤波在微光图像降噪中的应用．无线电通信技术，１９９７中北大学学位论文攻读硕士期间发表论文１．《基于ＣＣＤ的光纤传像器件透过率测试》已被核心期刊《传感器与微系统》录用。２．《脉冲激光波长测试系统光学天线研究》发表于《仪器仪表学报》２００６年第７期增刊。中北大学学位论文致谢在本论文完成之际，首先要感谢悉心指导我的导师周汉昌教授，导师细渊博的学识、细致严谨的治学态度、孜孜以求的科研态度使学生受益非浅，并将是我今后的学习与工作的典范。在此表示深深的敬意和由衷的感谢。感谢王高老师在课题进行的整个过程中，都给了我认真、细致、耐心的指导。感谢山西长城微光器材股份有限公司为课题提供经费支持，感谢田工、汤工、马工、康工在实验过程中给予我热心的帮助。感谢同窗好友陈云峰、翟慧娟、王小燕，在论文完成过程中给予的帮助。感谢光电教研室这个团结、温暖的集体，在论文的研究过程中所有的老师和同学都给予了我极大的帮助、支持和鼓励。最后我要感谢为本文审稿的所有专家们！由于本人水平有限，错误和不足之处敬请批评指正。
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