友思特OCT应用视界 | 工业检测篇（二）：光纤多层几何结构的无损穿透测量

导读

随着高速通信、光纤传感以及特种光纤等领域的发展，对光纤的需求量快速增长，许多公司不得不在世界各地新建工厂并安装新的光纤设施。今天，所有制造商的光纤制造过程都非常相似。然而，要获得具有最佳性能且使用寿命长的光纤，需要一定的专有技术，而且测量仪器的性能水平以及过程控制也至关重要。友思特OCT以非接触、微米级分辨、实时断层扫描的特点为光纤几何结构测量带来新的解决方案。

应用背景

• 光纤尺寸精度检测的必要性

• 裸光纤的直径会影响光纤的连接、熔接以及传输稳定性；而涂覆层直径则关系到光纤的机械强度、抗弯性能以及长期使用可靠性。一旦尺寸出现偏差，可能导致熔接损耗增加、传输不稳定，甚至影响后续布线与封装质量。因此，实现高精度、实时化的光纤尺寸检测，已经成为光纤制造中的重要环节。

• 主流光纤外径检测方法 —— 阴影法及其局限

• 目前常用的光纤直径测量方法是阴影法，其原理是利用平行光照射光纤，当光纤遮挡光线时，会在成像传感器上形成清晰的阴影轮廓。通过测量阴影边缘之间的距离，并结合系统标定参数，即可计算出光纤的外径尺寸，如下图1(a)所示。由于阴影法只能测量外径，因此光纤的在线检测中要分三次来分别检测裸光纤直径、一次涂覆后的直径和二次涂覆后的直径。

图1 （a）阴影法测量示意图;（b）拉丝塔结构示意图

OCT技术原理

光学相干断层扫描（OCT）是一种非接触、高分辨、穿透成像的实时影像技术，可以实现微米级的分辨率和数毫米的成像深度。

OCT 是 “光学版的 B 超"，以近红外光为探测源，基于低相干干涉原理成像。低相干光经分束器分为两束，一束进入参考臂经反射镜返回，另一束进入样品臂，在样品不同深度组织界面散射或反射后返回。两束光光程差在相干长度内时会产生干涉，光谱仪收集干涉光谱并解析，即可获得样品深度结构信息。沿深度扫描为 A-scan，多次横向A-scan形成截面 B-scan，多个B-scan叠加得到三维结构（C-scan）。通过截面B-scan扫描，就可以获取到光纤的截面结构，进而实现直径的测量。

图2 （a）OCT系统示意图和（b）OCT成像扫描示意图

友思特OCT光纤几何结构测量方案

• 所需设备

 / 友思特 XRD OCT 型号

• 中心波长:860nm

• 轴向分辨率:3um(组织中)

• 横向分辨率:10um(4倍物镜)

• 成像深度:2.2mm(组织中)

• B-scan成像帧率:50fps

• 可以采用十字扫描模式，同时获取光纤横向截面及纵向截面的结构图像

• 解决方案详情

图3展示了使用 XRD OCT设备对单模光纤的实测截面图像。光纤内部的多层分层边界清晰可见，通过算法处理可准确获得包层直径、一次及二次涂覆层的真实物理厚度。

图3 (a)单模光纤实物图；（b）光纤结构示意图；（c）OCT横向切截面图；（d）OCT纵向截面图

图4所示，提取 OCT 图像中的单条 A-scan 信号进行峰值特征提取，即可准确获取各分界面的反射位置。代入各材料在近红外波段下的折射率（二氧化硅包层n0=1.44，一次涂覆涂层为n1=1.49，二次涂覆涂层n2=1.54）我们可以计算出：

• 光纤包层直径DC=(365.94-186.17)/n0=124.84μm

• 一次涂覆后两侧涂层的厚度CB=(186.17-144.45)/n1=28μm、ED=(407.67-365.94)/n1=28μm

二次涂覆后两侧涂层的厚度BA=(144.45-89.88)/n2=35.43μm、FE=(449.4-407.67)/n2=27.09μm。图4 OCT图像中A-scan分析

光纤横截面上各界面的光学长度位置：

A=89.88μm，B=144.45μm，C=186.18μm，D=365.94μm，E=407.67μm，F=449. 4μm

图5展示了对空心光纤的实测结果，成像可清晰区分光纤内外径边界，并实现高精度尺寸测量。

图5 空心光纤实物图及OCT的横向和纵向截面图

图6展示了光纤在移动过程中OCT的实时测量效果，验证了OCT具备在线实时检测光纤内部结构的功能。

图6 光纤横向和纵向的内外径动态检测效果图

总结

友思特 XRD OCT 设备，通过对光纤结构的高分辨成像和精准捕获内部各界面的特征峰，实现了对裸纤直径、多层涂覆层尺寸的精确测量。作为一种非接触、微米级分辨、可实时断层成像的全新检测技术，友思特 OCT 为现代光纤的高精度在线检测与精益化制程控制，注入了强劲的新质生产力，带来了全新的解决方案！