評估光纖端面質(zhì)量的光檢測方法

光纖連接處出現(xiàn)問題是網(wǎng)絡(luò)故障的主要原因，因此光纖端面的檢測至關(guān)重要。本文討論了3種主要的端面檢測方法。

光纖端面加工質(zhì)量對光纖通信系統(tǒng)的整體性能影響較大，據(jù)估計，網(wǎng)絡(luò)中半數(shù)以上的損耗是由光纖連接不理想造成的。

光纖端面檢測技術(shù)可以查出兩類主要的加工問題：幾何問題和清潔問題。幾何問題通常是在拋光或處理的過程中造成的，光纖工作時其影響不會發(fā)生變化。該問題可以通過光干涉顯微鏡和執(zhí)行端面檢測程序的專門軟件探測出來，實現(xiàn)干涉檢測過程的硬件和軟件現(xiàn)在已經(jīng)比較完善，遵循一系列業(yè)內(nèi)廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)。

“清潔”一詞則被廣泛用于描述光纖端面永久性損傷（例如劃傷、裂痕或凹點）和臨時性污染（污垢、油漬、水或清洗劑的殘留）。保持連接頭的清潔是光纖生產(chǎn)整個過程中都需要注意的問題，在裝配過程中的任意環(huán)節(jié)都有可能對接頭造成損害和污染。

由于缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，加上主觀認(rèn)知差異、測試的準(zhǔn)確性低，以及沒有可重復(fù)的測試方法，想要確定可以接受的端面污染程度十分困難。然而額外的損傷可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，破環(huán)網(wǎng)絡(luò)連接性，端面檢測對于通信和數(shù)據(jù)應(yīng)用非常關(guān)鍵。如果是高功率應(yīng)用，這些損傷可能帶來災(zāi)難性的后果，嚴(yán)重的會造成連接頭完全失效。

本文將介紹目前生產(chǎn)、研發(fā)和終端用戶實現(xiàn)清潔檢測的不同方法，討論3種2D光檢測技術(shù)能夠多大程度地評估端面加工質(zhì)量，比較了每種方法的優(yōu)勢和不足之處。這3種方法包括操作者通過顯微鏡的人工檢測，操作者借助“輔助”軟件操作顯微鏡的半人工檢測，以及全自動的檢測系統(tǒng)。

檢測的內(nèi)容、時間和地點cDn光波通信

端面檢測（EFI）需要應(yīng)用在整個供應(yīng)鏈系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。光纜生產(chǎn)過程通常有如下幾個檢測點：拋光過程結(jié)束后，中間測試的過程中，以及最終測試。QA部門需要在污點檢測、新流程或產(chǎn)品研發(fā)、認(rèn)證或常規(guī)維護過程中應(yīng)用EFI。最終用戶則在QA、常規(guī)維護和可靠性測試環(huán)節(jié)應(yīng)用EFI。

光纖接頭的端面缺陷包括劃傷、凹點、裂痕、松脫或固定的污染，典型地可分為劃傷和顆粒污染兩大類。擦傷的定義是比端面直徑大得多的損傷（通常>30:1），所有其它損傷統(tǒng)一定義為顆粒污染或損傷。

擦傷通常是拋光過程中形成的，但在光纖插拔等在線業(yè)務(wù)操作過程中也有可能產(chǎn)生。在給定焦距下的某一畫面中憑肉眼觀察很難區(qū)分擦傷和裂痕，凹點則是永久的、不規(guī)則的材料損傷，通常是因為不規(guī)范的操作導(dǎo)致，或是在生產(chǎn)和接頭插拔過程中產(chǎn)生。

接頭端面的潛在永久性損壞是業(yè)內(nèi)工程標(biāo)準(zhǔn)流程在光接頭連接之前的清潔和檢測過程需要考慮的首要問題。暫時性的污染如污垢、灰塵、油漬或其它材料污染可以通過一系列清潔流程去除，而永久性的污染（定義為無法去除的污染，除非重新拋光）包括環(huán)氧材料殘余、污垢或是內(nèi)嵌的顆粒雜質(zhì)。

檢測準(zhǔn)則cDn光波通信

檢測準(zhǔn)則最初由光系統(tǒng)廠商自己研發(fā)，最近被接受為IPC-8497-1國際標(biāo)準(zhǔn)。這些準(zhǔn)則有著各自的目標(biāo)，區(qū)別在于測試通過與否的指標(biāo)不同。檢測準(zhǔn)則定義了一系列以光纖核心為圓心的區(qū)域，不同區(qū)域的重要性各不相同。區(qū)域的數(shù)目和具體的直徑數(shù)值取決于光纖（單模或多模）和套管的類型。

最靠近纖芯的區(qū)域是最關(guān)鍵的，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了單模光纖這一區(qū)域不能存在可見的擦痕，多模光纖也只允許極少量的小擦痕。這樣的損傷已經(jīng)被證明帶來了更大的插入損耗，減少了反射，從而降低了光鏈路傳輸質(zhì)量。IPC標(biāo)準(zhǔn)對于其它3個區(qū)域的限制有所放松，即被覆層、環(huán)氧層和針對陶瓷等套管式連接單模光纖的接觸層，對于這些區(qū)域損傷進行規(guī)范的原則更多地和通過連接頭連接時給纖芯帶來的損耗多少有關(guān)，而加工質(zhì)量的影響變得次要。有一個公認(rèn)的結(jié)論是較大的顆粒雜質(zhì)很可能導(dǎo)致連接頭匹配不當(dāng)，從而使得反射損耗指標(biāo)下降。

在特定的情況下，特別是高功率應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)更加苛刻，從而防止熱量累積帶來的接頭失效。此時，檢查所有區(qū)域的顆粒雜質(zhì)的可靠的檢測機制至關(guān)重要。這些應(yīng)用就需要借助相應(yīng)的工業(yè)和用戶自定的標(biāo)準(zhǔn)。

人工、半自動和自動檢測cDn光波通信

人工檢測是目前最常用的檢測手段，這也是因為傳統(tǒng)的PC系統(tǒng)沒有足夠的軟硬件能力，缺乏行之有效的算法來準(zhǔn)確地檢測和區(qū)分細(xì)小的瑕疵，尤其是很淺的劃痕。許多人認(rèn)為人工檢測依然是目前大多數(shù)應(yīng)用性價比最高的可行方案，檢測過程簡便快捷，盡管需要耗費一定的人力，檢測結(jié)果主觀性很強，檢測人員需要接受較高級別的培訓(xùn)才能獲得可重復(fù)的檢測結(jié)果。

人工檢測需要用到一架視頻光纖顯微鏡、一套接頭固定裝置和一臺視頻監(jiān)控器。顯微鏡將光纖端面的圖像放大并顯示到監(jiān)控器上，其典型的測試環(huán)境如照片1所示。

照片1：人工光纖檢測

一旦接頭被人工安裝好，檢測人員就按照以下幾個步驟執(zhí)行檢測過程：1. 調(diào)整焦距；2. 識別損傷；3. 確定每一區(qū)域損傷的大小和數(shù)量；4. 判斷檢測通過與否。

在現(xiàn)場或管線環(huán)境中將采用探測式的顯微鏡，而非上述臺式顯微鏡。

盡管有聚酯薄膜的幫助，不斷重復(fù)地判斷每個瑕疵的尺寸和位置對于操作人員來說是非常困難的。檢測效果與焦距（由操作者主觀設(shè)定）、顯微鏡的分辨率以及用于顯示的視頻監(jiān)視器的對比度有關(guān)。上述因素加上缺乏詳盡的檢測記錄通常導(dǎo)致供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)的不同檢測者之間的低效率重復(fù)勞動。有研究表明重復(fù)勞動的比例占到了約60%。

近10年中，一些半自動或稱為“軟件輔助”的測試手段逐漸成熟商用。半自動測試所用的顯微鏡與人工測試一樣，不同之處在于借助了計算機圖像處理軟件來對光纖端面進行分析。與基于模擬照相機的設(shè)備相比，數(shù)字相機多數(shù)配置USB或FireWire接口，省去了幀捕捉器的成本。

與人工檢測類似，半自動方法同樣需要操作者將接頭插入固定測試平臺中，定位待測光纖（采用MPO這樣的多纖連接頭）并調(diào)整顯微鏡焦距。一旦得到了滿意的圖像，操作者即啟動軟件捕獲圖像并進行分析。EFI軟件收集端面圖像，執(zhí)行檢查、分類、測量和判斷損傷位置的操作，并與軟件預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)進行比較，從而定量地確定區(qū)域信息，判斷該接頭合格與否。

半自動方法的檢測效果與軟件的能力、顯微鏡性能以及操作人員對焦和定位圖像的技能有關(guān)，已經(jīng)證明了其準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和再現(xiàn)性等方面優(yōu)于人工檢測。該方案可以提供檢測結(jié)果的具體記錄，包括端面圖像和損傷檢測數(shù)據(jù)等。照片2展示了一個檢測到劃痕的光纖端面。

照片2：有缺陷的端面圖像顯示出了檢測到的擦痕

完全自動的檢測系統(tǒng)采用了和半自動檢測一樣的流程。該類系統(tǒng)采用計算機控制檢測動作，某些情況下還借助多分辨率相機快速定位、聚焦和收集多個接頭上的多個光纖端面的圖像，測試裝置是配置好的，無需操作者的干預(yù)（見照片3）。

照片3：清潔室中的自動光纖檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)消除了人工對焦和定位光纖的不確定性，而且，由于軟件、顯微鏡、照明裝置和運動控制等設(shè)備都可由生產(chǎn)廠家控制，整個系統(tǒng)的性能是可以檢驗的。檢測的可重復(fù)性很高，重復(fù)檢測的結(jié)果較為一致，總的損傷檢測一致性超過了99%，邊緣損傷檢測一致性也超過了95%。一些自動檢測系統(tǒng)的用戶也反應(yīng)多個測試系統(tǒng)對于數(shù)百萬光纖的“6Σ”樣本尺寸的檢測結(jié)果具有一致性。

與人工和半自動檢測相比，全自動檢測具有重要的優(yōu)勢。對焦、對照和光線校準(zhǔn)過程借助主用光纖和NIST可跟蹤校準(zhǔn)流程而實現(xiàn)完全的自動化。自動方法提高了檢測的準(zhǔn)確性，降低了測試成本，增強了測試能力，操作人員的培訓(xùn)量降低，獲得的數(shù)據(jù)量增加，降低了對供應(yīng)鏈的限制。同時，自動檢測系統(tǒng)中的固定檢測裝置可以自動檢查檢測區(qū)域的光纖、光纜或產(chǎn)品的類型，測試者僅需把待測產(chǎn)品安裝和拆下即可。系統(tǒng)中可以安裝需要測試數(shù)小時的設(shè)備，測試者僅需花上幾分鐘安裝、拆卸待測產(chǎn)品以及打開收集數(shù)據(jù)并根據(jù)序號找到特定數(shù)據(jù)即可。自動檢測中操作者需要參與的部分大大減少，從而更大地降低了人力成本。

自動檢測系統(tǒng)能夠執(zhí)行2D幾何測量、MT套管定位檢測、光一致性檢測以及潛在的集成清潔能力?；谟嬎銠C的測試使得更加簡單的端面質(zhì)量評估方法的引入成為可能，例如國際電子生產(chǎn)商聯(lián)盟（iNEMI）光器件清潔技術(shù)工作組已經(jīng)論證了接頭插入損耗與GWpOA（Gaussian Weighted percent Occluded Area）密切相關(guān)。當(dāng)使用計算機輔助檢測方法時，這一結(jié)論也許能夠極大地簡化確定光接頭清潔程度的參數(shù)。

纖的應(yīng)用越來越廣泛，飛速增長的使用量使得自動檢測愈發(fā)地吸引人。由于光纖應(yīng)用的質(zhì)量要求越來越高，自動檢測由于提高了檢測的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，將會成為更受歡迎的方案。