評(píng)估光纖端面質(zhì)量的光檢測(cè)方法

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

光纖端面加工質(zhì)量對(duì)光纖通信系統(tǒng)的整體性能影響較大，據(jù)估計(jì)，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(cè)技術(shù)可以查出兩類主要的加工問(wèn)題：幾何問(wèn)題和清潔問(wèn)題。幾何問(wèn)題通常是在拋光或處理的過(guò)程中造成的，光纖工作時(shí)其影響不會(huì)發(fā)生變化。該問(wèn)題可以通過(guò)光干涉顯微鏡和執(zhí)行端面檢測(cè)程序的專門(mén)軟件探測(cè)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)干涉檢測(cè)過(guò)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(diǎn)）和臨時(shí)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(gè)過(guò)程中都需要注意的問(wèn)題，在裝配過(guò)程中的任意環(huán)節(jié)都有可能對(duì)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(cè)試的準(zhǔn)確性低，以及沒(méi)有可重復(fù)的測(cè)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(cè)對(duì)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(lái)災(zāi)難性的后果，嚴(yán)重的會(huì)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(shí)現(xiàn)清潔檢測(cè)的不同方法，討論3種2D光檢測(cè)技術(shù)能夠多大程度地評(píng)估端面加工質(zhì)量，比較了每種方法的優(yōu)勢(shì)和不足之處。這3種方法包括操作者通過(guò)顯微鏡的人工檢測(cè)，操作者借助“輔助”軟件操作顯微鏡的半人工檢測(cè)，以及全自動(dòng)的檢測(cè)系統(tǒng)。

檢測(cè)的內(nèi)容、時(shí)間和地點(diǎn)cDn光波通信

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

光纖接頭的端面缺陷包括劃傷、凹點(diǎn)、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(guò)程中形成的，但在光纖插拔等在線業(yè)務(wù)操作過(guò)程中也有可能產(chǎn)生。在給定焦距下的某一畫(huà)面中憑肉眼觀察很難區(qū)分擦傷和裂痕，凹點(diǎn)則是永久的、不規(guī)則的材料損傷，通常是因?yàn)椴灰?guī)范的操作導(dǎo)致，或是在生產(chǎn)和接頭插拔過(guò)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(cè)過(guò)程需要考慮的首要問(wèn)題。暫時(shí)性的污染如污垢、灰塵、油漬或其它材料污染可以通過(guò)一系列清潔流程去除，而永久性的污染（定義為無(wú)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(cè)準(zhǔn)則cDn光波通信

檢測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些準(zhǔn)則有著各自的目標(biāo)，區(qū)別在于測(cè)試通過(guò)與否的指標(biāo)不同。檢測(cè)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(jiàn)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(lái)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(duì)于其它3個(gè)區(qū)域的限制有所放松，即被覆層、環(huán)氧層和針對(duì)陶瓷等套管式連接單模光纖的接觸層，對(duì)于這些區(qū)域損傷進(jìn)行規(guī)范的原則更多地和通過(guò)連接頭連接時(shí)給纖芯帶來(lái)的損耗多少有關(guān)，而加工質(zhì)量的影響變得次要。有一個(gè)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(lái)的接頭失效。此時(shí)，檢查所有區(qū)域的顆粒雜質(zhì)的可靠的檢測(cè)機(jī)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(dòng)和自動(dòng)檢測(cè)cDn光波通信

人工檢測(cè)是目前最常用的檢測(cè)手段，這也是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PC系統(tǒng)沒(méi)有足夠的軟硬件能力，缺乏行之有效的算法來(lái)準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè)依然是目前大多數(shù)應(yīng)用性價(jià)比最高的可行方案，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便快捷，盡管需要耗費(fèi)一定的人力，檢測(cè)結(jié)果主觀性很強(qiáng)，檢測(cè)人員需要接受較高級(jí)別的培訓(xùn)才能獲得可重復(fù)的檢測(cè)結(jié)果。

人工檢測(cè)需要用到一架視頻光纖顯微鏡、一套接頭固定裝置和一臺(tái)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(cè)試環(huán)境如照片1所示。

照片1：人工光纖檢測(cè)

一旦接頭被人工安裝好，檢測(cè)人員就按照以下幾個(gè)步驟執(zhí)行檢測(cè)過(guò)程：1. 調(diào)整焦距；2. 識(shí)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(cè)通過(guò)與否。

在現(xiàn)場(chǎng)或管線環(huán)境中將采用探測(cè)式的顯微鏡，而非上述臺(tái)式顯微鏡。

盡管有聚酯薄膜的幫助，不斷重復(fù)地判斷每個(gè)瑕疵的尺寸和位置對(duì)于操作人員來(lái)說(shuō)是非常困難的。檢測(cè)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(duì)比度有關(guān)。上述因素加上缺乏詳盡的檢測(cè)記錄通常導(dǎo)致供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的不同檢測(cè)者之間的低效率重復(fù)勞動(dòng)。有研究表明重復(fù)勞動(dòng)的比例占到了約60%。

近10年中，一些半自動(dòng)或稱為“軟件輔助”的測(cè)試手段逐漸成熟商用。半自動(dòng)測(cè)試所用的顯微鏡與人工測(cè)試一樣，不同之處在于借助了計(jì)算機(jī)圖像處理軟件來(lái)對(duì)光纖端面進(jìn)行分析。與基于模擬照相機(jī)的設(shè)備相比，數(shù)字相機(jī)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(cè)類似，半自動(dòng)方法同樣需要操作者將接頭插入固定測(cè)試平臺(tái)中，定位待測(cè)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(dòng)軟件捕獲圖像并進(jìn)行分析。EFI軟件收集端面圖像，執(zhí)行檢查、分類、測(cè)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(jìn)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(dòng)方法的檢測(cè)效果與軟件的能力、顯微鏡性能以及操作人員對(duì)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(cè)。該方案可以提供檢測(cè)結(jié)果的具體記錄，包括端面圖像和損傷檢測(cè)數(shù)據(jù)等。照片2展示了一個(gè)檢測(cè)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(cè)到的擦痕

完全自動(dòng)的檢測(cè)系統(tǒng)采用了和半自動(dòng)檢測(cè)一樣的流程。該類系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制檢測(cè)動(dòng)作，某些情況下還借助多分辨率相機(jī)快速定位、聚焦和收集多個(gè)接頭上的多個(gè)光纖端面的圖像，測(cè)試裝置是配置好的，無(wú)需操作者的干預(yù)（見(jiàn)照片3）。

照片3：清潔室中的自動(dòng)光纖檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)消除了人工對(duì)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(yùn)動(dòng)控制等設(shè)備都可由生產(chǎn)廠家控制，整個(gè)系統(tǒng)的性能是可以檢驗(yàn)的。檢測(cè)的可重復(fù)性很高，重復(fù)檢測(cè)的結(jié)果較為一致，總的損傷檢測(cè)一致性超過(guò)了99%，邊緣損傷檢測(cè)一致性也超過(guò)了95%。一些自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的用戶也反應(yīng)多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于數(shù)百萬(wàn)光纖的“6Σ”樣本尺寸的檢測(cè)結(jié)果具有一致性。

與人工和半自動(dòng)檢測(cè)相比，全自動(dòng)檢測(cè)具有重要的優(yōu)勢(shì)。對(duì)焦、對(duì)照和光線校準(zhǔn)過(guò)程借助主用光纖和NIST可跟蹤校準(zhǔn)流程而實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化。自動(dòng)方法提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，降低了測(cè)試成本，增強(qiáng)了測(cè)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(duì)供應(yīng)鏈的限制。同時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的固定檢測(cè)裝置可以自動(dòng)檢查檢測(cè)區(qū)域的光纖、光纜或產(chǎn)品的類型，測(cè)試者僅需把待測(cè)產(chǎn)品安裝和拆下即可。系統(tǒng)中可以安裝需要測(cè)試數(shù)小時(shí)的設(shè)備，測(cè)試者僅需花上幾分鐘安裝、拆卸待測(cè)產(chǎn)品以及打開(kāi)收集數(shù)據(jù)并根據(jù)序號(hào)找到特定數(shù)據(jù)即可。自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠執(zhí)行2D幾何測(cè)量、MT套管定位檢測(cè)、光一致性檢測(cè)以及潛在的集成清潔能力?；谟?jì)算機(jī)的測(cè)試使得更加簡(jiǎn)單的端面質(zhì)量評(píng)估方法的引入成為可能，例如國(guó)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(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)方法時(shí)，這一結(jié)論也許能夠極大地簡(jiǎn)化確定光接頭清潔程度的參數(shù)。

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