專(zhuān)利名稱(chēng)：基于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量、光纖傳感及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及光學(xué)相干斷層掃描(OpticalCoherence Tomography,簡(jiǎn)稱(chēng)0CT)技術(shù)、光纖環(huán)繞制和檢測(cè)技術(shù)及方法。
背景技術(shù)：
光纖環(huán)是光纖陀螺的核心，它對(duì)光纖陀螺來(lái)說(shuō)，光纖環(huán)既是提高精度的途徑，同時(shí)也是主要影響精度的主要因素。如何繞制高質(zhì)量的光纖環(huán)，對(duì)光纖陀螺十分重要。光纖環(huán)在繞制過(guò)程中需采用特殊纏繞方式、精密繞制技術(shù)、完善的封裝工藝、合適的光纖環(huán)用膠選擇來(lái)保證光纖環(huán)具有高質(zhì)量的靜態(tài)特性(低的偏振串音、低的插入損耗等)和高質(zhì)量的瞬態(tài)特性(抗振動(dòng)、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和磁場(chǎng)的影響)。光纖環(huán)的纏繞方法有多種，四級(jí)對(duì)稱(chēng)繞法是通用的一種方法。四級(jí)對(duì)稱(chēng)光纖環(huán)的·繞制工藝復(fù)雜，繞制周期長(zhǎng)，人工繞制不易保證質(zhì)量，因?yàn)樾枰啻螕Q層，在繞制光纖環(huán)時(shí)易出現(xiàn)一些缺陷。當(dāng)光纖環(huán)繞制結(jié)束后，光纖環(huán)繞制過(guò)程中出現(xiàn)的這些缺陷大部分埋藏在光纖環(huán)的內(nèi)部，采用現(xiàn)有一些簡(jiǎn)單的放大成像技術(shù)，如CCD放大觀測(cè)系統(tǒng)、顯微鏡放大觀測(cè)系統(tǒng)均只能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖環(huán)外層光纖的排布情況進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。這些繞制缺陷均會(huì)引起光纖環(huán)內(nèi)部出現(xiàn)偏振串?dāng)_，最終影響光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性，檢測(cè)光纖環(huán)內(nèi)部缺陷并完善纏繞技術(shù)，有利于進(jìn)一步提高光纖陀螺的性能。光纖環(huán)通常要求在繞環(huán)過(guò)程中，繞制的光纖根與根、層與層之間應(yīng)緊密排繞，不出現(xiàn)凹和凸、變形和間隙，這樣繞制的光纖環(huán)對(duì)易受環(huán)境影響的內(nèi)部壓力變得不敏感，從而也可以減少環(huán)境變化引起的光損耗和消偏影響。在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，一方面由于光纖并非理想的圓，其直徑不是一成不變的，總存在誤差，導(dǎo)致在每一層中總會(huì)出現(xiàn)微小縫隙。另外在繞制時(shí)，由于機(jī)械加工精度及其它因素，每層繞纖時(shí)光纖與骨架的內(nèi)壁對(duì)齊比較困難；在每層的結(jié)束時(shí)，由于繞纖時(shí)光纖之間存有不確定的微縫隙，骨架的寬度不能滿(mǎn)足一層的排纖做到光纖的整數(shù)倍，即在排纖結(jié)束一端剩余寬度可能小于光纖直徑，這樣就會(huì)造成兩端的光纖高于其他部位的光纖，這對(duì)下層的排纖造成困難。光纖陀螺的另一重要參數(shù)其抗振動(dòng)性能優(yōu)越，即要求耐沖擊性能好，而為了保證陀螺耐沖擊性，其常用的做法是在繞制光纖環(huán)時(shí)對(duì)其進(jìn)行涂膠，固膠雖然能改善光纖環(huán)的抗振動(dòng)性能，但也會(huì)帶來(lái)其它方面的問(wèn)題，例如涂膠量及涂膠均勻與否對(duì)光纖陀螺的溫度及振動(dòng)瞬態(tài)特性都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。所以有必要對(duì)不同情況下光纖環(huán)的內(nèi)部情況進(jìn)行詳細(xì)的分析。目前，為了改善光纖環(huán)的熱穩(wěn)定性，抑制外界溫度變化對(duì)其產(chǎn)生的影響，研究者通過(guò)不懈的努力先后對(duì)光纖環(huán)繞制工藝提出改進(jìn)，總體的繞制方法包括有直接繞制法、雙極繞制法、四級(jí)繞制法、八級(jí)繞制法、十六級(jí)繞制法、交叉繞制法、免交叉繞制法。而用于繞制光纖環(huán)的光纖尺寸主要有兩種，一種是涂覆層為250um包層為125um的粗光纖，另一種是涂覆層為165um±20um包層為SOum的細(xì)光纖。盡管在光纖環(huán)的繞制過(guò)程中，采用不同尺寸、不同的繞制工藝，其最終繞制的光纖環(huán)內(nèi)部結(jié)果均為光纖緊密排布的幾何層析結(jié)構(gòu)，而且每一層的光纖厚度均勻。對(duì)于實(shí)際繞制完后以及在繞制過(guò)程中的光纖環(huán)，目前還沒(méi)有一種方法能有效的、直觀的檢測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所以，目前所有光纖環(huán)制造者都沒(méi)有這樣的檢測(cè)環(huán)節(jié)，如果發(fā)現(xiàn)光纖環(huán)質(zhì)量不好，最多只能拆開(kāi)重新繞制，無(wú)法在不破壞已經(jīng)繞好的光纖環(huán)情況下發(fā)現(xiàn)缺陷存在的具體情況，也無(wú)法判斷是什么原因引起質(zhì)量問(wèn)題，因而很可能在拆開(kāi)光纖環(huán)后不能找到造成光纖環(huán)質(zhì)量不好的原因，也就無(wú)法指導(dǎo)改進(jìn)繞制工藝，提高光纖環(huán)的質(zhì)量水平。光學(xué)相干斷層掃描(Optical Coherence Tomography)是一種新型的掃描技術(shù),它具有高分辨率、無(wú)侵入式、快速成像檢測(cè)的特點(diǎn)，其采用低相干長(zhǎng)度的寬帶光源，可以獲得很高的軸向分辨率(軸向就是指被測(cè)樣品沿表面向內(nèi)部延伸的方向)，最高可以達(dá)到Iym;同時(shí)OCT在光學(xué)斷層成像上具有較大的優(yōu)勢(shì)，OCT可以獲得被測(cè)樣品表層以下2-3_的結(jié)構(gòu)特征。光學(xué)相干斷層掃描的工作原理,是將一束寬帶光源進(jìn)行分光后，一束光進(jìn)行不同量的延遲，另外一束光射入到被測(cè)物體并從物體不同深度層面產(chǎn)生反射光，然后再將這個(gè)反射光和延遲光進(jìn)行相干干涉，不同的延遲量就對(duì)應(yīng)于被測(cè)物體的不同深度。這些干涉信號(hào)就構(gòu)成了該物體的OCT信息，通過(guò)對(duì)這些OCT信息的分析，就可以得到被測(cè)物體各個(gè)深度 層面的狀況。如果將這些OCT信息與探頭掃描軌跡綜合起來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)運(yùn)算，就可以生成整個(gè)被測(cè)物體的被測(cè)部分的三維立體圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)方法及裝置。該方法不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖環(huán)繞制層表面光纖排布檢測(cè)，同時(shí)也可以對(duì)光纖環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了直觀的檢測(cè)，還可以分別從無(wú)膠環(huán)與涂膠環(huán)不同位置光纖分布、涂膠環(huán)上膠分布的均勻性和涂膠量等方面對(duì)光纖環(huán)質(zhì)量進(jìn)行離線(xiàn)及在線(xiàn)檢測(cè)，為進(jìn)一步分析光纖環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改進(jìn)光纖環(huán)的繞制工藝提供了保障，提高了光纖環(huán)繞制的質(zhì)量。本發(fā)明的基于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(I)將被測(cè)光纖環(huán)固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上；(2)將光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)探頭垂直固定于被測(cè)光纖環(huán)上方,使得入射光垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)光纖環(huán)；(3)以光纖環(huán)圓心為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該光纖環(huán)，同時(shí)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的掃描探頭對(duì)被測(cè)光纖環(huán)沿著被測(cè)光纖環(huán)軸向進(jìn)行一維掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)的OCT信息；或光纖環(huán)靜止不動(dòng)，掃描探頭沿著光纖環(huán)軸向和垂直光纖環(huán)軸向兩個(gè)方向進(jìn)行二維掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)局部的OCT信息；或光纖環(huán)靜止不動(dòng),光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的掃描探頭相對(duì)被測(cè)光纖環(huán)沿著其外圍轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行軸向掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)的OCT信息；(4)根據(jù)獲得的被測(cè)光纖環(huán)OCT信息，進(jìn)行三維圖像重建，通過(guò)重建圖像判斷該被測(cè)光纖環(huán)表面及表面以下是否存在缺陷，并根據(jù)圖像的不均勻位置對(duì)缺陷進(jìn)行定位，以消除缺陷。本發(fā)明還包括一套基于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)的裝置，該裝置具體包括—個(gè)安裝被測(cè)光纖環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；一個(gè)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)，其探頭置于被測(cè)光纖環(huán)之上，用于對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行掃描，并采集光纖環(huán)的OCT信息；一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接到光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)上，用于處理被測(cè)光纖環(huán)OCT信息，對(duì)其進(jìn)行三維成像，通過(guò)采集獲得的光纖環(huán)骨架、光纖環(huán)上光纖、光纖環(huán)上涂膠的圖像，以判斷光纖環(huán)質(zhì)量的優(yōu)劣。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明首次利用光學(xué)相干斷層掃描(Optical Coherence Tomography)技術(shù)應(yīng)用于光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)，一方面光纖環(huán)內(nèi)部光纖的層狀排布，決定了其具有很好的層析性，另一方面光纖的厚度在160 μ m-250 μ m之間保證了 OCT可以很好的對(duì)光纖環(huán)外層表面以下8至10層的光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損傷的直觀檢測(cè)?？梢栽诓黄茐墓饫w環(huán)的情況下，得到光纖環(huán)的三維OCT圖像，用來(lái)查找光纖環(huán)繞制過(guò)程中的缺陷，從而判斷光纖環(huán)繞制質(zhì)量的優(yōu)劣。同時(shí)可以檢測(cè)光纖環(huán)在繞制過(guò)程中存在的缺陷，并可以對(duì)缺陷進(jìn)行處理，可提高光纖環(huán)的繞制工 藝水平，提高光纖環(huán)的繞制質(zhì)量。


圖I為本發(fā)明基于OCT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)結(jié)構(gòu)掃描的不意圖；圖2為本發(fā)明中OCT探頭橫向掃描，光纖環(huán)圓周轉(zhuǎn)動(dòng)獲得的整個(gè)光纖環(huán)掃描圖；圖3為本發(fā)明中光纖環(huán)不動(dòng)，OCT探頭做二維掃描示意圖；圖4為用圖3掃描方式得到的OCT圖像；圖5為傳統(tǒng)使用百分表檢測(cè)骨架旋轉(zhuǎn)同軸度方法的示意圖；圖6為本發(fā)明利用OCT技術(shù)檢測(cè)骨架同軸度及平整度圖像顯示；圖7為本發(fā)明對(duì)骨架及骨架上繞單層光纖進(jìn)行OCT三維掃描圖，該光纖為采用200um粗光纖進(jìn)行繞制；(a)為OCT掃描三維圖；(b)為沿Y方向在X-Z截面上剖切圖；(c)為沿Z方向沿X-Y截面上剖切圖；圖8為本發(fā)明對(duì)24層160 μ m光纖繞制的無(wú)膠光纖環(huán)A的OCT三維結(jié)構(gòu)掃描圖(a)圖中顯示不僅能很清楚的分辨出每一層光纖繞制的具體情況，而且也能給出每匝光纖具體位置(b) X-Z方向上的二維圖(C)沿Z方向上的俯視圖，由于OCT探測(cè)臂自?huà)呙钑r(shí)，在M點(diǎn)處掃描光所經(jīng)過(guò)的光程最短即對(duì)應(yīng)于圖I中dl處，此時(shí)光損耗最小因而掃描圖顯示光強(qiáng)最強(qiáng)；圖9為本發(fā)明對(duì)12層200 μ m光纖繞制的涂膠光纖環(huán)B (最外層無(wú)涂膠)0CT三維結(jié)構(gòu)掃描圖；(a)為光纖環(huán)三維掃描圖；(b)為沿X-Z截面的剖切圖；(C)為沿Z方向上的俯視圖；圖10為本發(fā)明對(duì)無(wú)膠光纖環(huán)A骨架右側(cè)邊緣處OCT掃描圖；(a)為光纖環(huán)右側(cè)靠近骨架邊緣處OCT三維掃描圖，從圖中可以看出在O點(diǎn)處出現(xiàn)一光纖環(huán)縫隙；(b)為X-Z截面上OCT掃描二維圖，從二維圖上也可以很清楚的看出縫隙；(C)為沿坐標(biāo)X軸方向上Y-Z截面二維圖，從圖中能很清楚的看出OCT系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)表層以下9層光纖進(jìn)行掃描；圖11為本發(fā)明對(duì)無(wú)膠光纖環(huán)A左側(cè)骨架邊緣處OCT掃描圖；(a)為光纖環(huán)靠近骨架左側(cè)邊緣處OCT三維掃描圖，圖中O'點(diǎn)處為光纖環(huán)一缺陷，體現(xiàn)為光纖塌陷，并在靠近骨架的地方爬起；(b)為X-Z截面上OCT掃描二維圖；(c)為沿坐標(biāo)X軸方向上Y-Z截面上二維圖；圖12為本發(fā)明對(duì)涂膠光纖環(huán)B骨架右側(cè)邊緣處OCT掃描圖；(a)為光纖環(huán)靠近骨架右側(cè)邊緣處OCT三維掃描圖；(b)為X-Z截面上OCT掃描二維圖；(C)為沿坐標(biāo)X軸方向上Y-Z截面上二維圖；圖13為本發(fā)明對(duì)4層涂膠光纖環(huán)OCT掃描圖；(a)為4層涂膠環(huán)OCT三維掃描圖，圖中圓圈處為一處光纖繞制縫隙，經(jīng)涂膠后被填上；(b)為沿縫隙處Y-Z截面二維圖，圖中白色箭頭為光纖繞制縫隙，從圖中可以清楚的看出，光纖縫隙已經(jīng)被膠給填滿(mǎn)整體光纖層面平滑；(C)為無(wú)縫隙處沿X方向的Y-Z截面二維圖；圖14為本發(fā)明對(duì)采用200 μ m光纖、同種涂膠材料繞制12層涂膠光纖環(huán)OCT三維掃描圖；(a)顯示表層涂膠不均勻情況；(b)顯示表層涂膠均勻情況；圖15為本發(fā)明對(duì)采用200 μ m光纖、同種涂膠材料繞制12層涂膠光纖環(huán)OCT三維 掃描圖；(a)為顯示光纖環(huán)涂膠厚情況；(b)顯示光纖環(huán)涂膠適中情況；圖16為本發(fā)明對(duì)12層200 μ m光纖繞制涂膠光纖環(huán)與無(wú)膠光纖環(huán)OCT掃描深度對(duì)比情況；Ca)為無(wú)膠環(huán)OCT掃描圖，其中可以看出OCT掃描深度可以達(dá)到表層以下第7層，其掃描深度約為I. 4_左右，可以很清楚的看到在環(huán)中表層第4層下表面墊紙；(b)為涂膠光纖環(huán)OCT掃描圖，涂膠環(huán)的掃描深度與涂膠的材料、涂膠均勻度、涂膠的厚度密切相關(guān)，相比無(wú)膠環(huán)的掃描結(jié)果圖，其掃描深度在表層以下第5層處；圖17為繞制前光纖環(huán)骨架(鋁骨架)同軸度測(cè)試三維圖；(a)為第一次裝配骨架同軸度測(cè)量結(jié)果；(b)為重新調(diào)整后同軸度測(cè)量結(jié)果；(C)為對(duì)應(yīng)圖(a)在Y-Z截面上的二維圖；(d)為對(duì)應(yīng)圖(b)在Y-Z截面上的二維圖；圖18為兩種材料的光纖環(huán)骨架內(nèi)層OCT掃描對(duì)比圖；(a)為金屬材料加工骨架內(nèi)層OCT掃描三維圖；(b)為選用的非金屬材料加工光纖環(huán)骨架內(nèi)層OCT掃描三維圖；(C)為對(duì)應(yīng)圖(a)在Y-Z截面上的二維圖；(d)為對(duì)應(yīng)圖(b)在Y-Z截面上的二維圖；圖19 (a)顯示排布出現(xiàn)缺陷的光纖環(huán)表面；(b)顯示重新繞制后的光纖環(huán)表面，通過(guò)重新繞制消除光纖環(huán)表面存在的缺陷；圖20顯示一在線(xiàn)繞制4層光纖環(huán)的OCT掃描圖，其中(a)為OCT三維掃描圖，其中圖中白色箭頭處可以很明顯的看出光纖環(huán)在第4層上出現(xiàn)一爬起，并且能發(fā)現(xiàn)在匝與匝交替位置處光纖出現(xiàn)微彎曲；(b)為外層缺陷處沿Y-Z截面上二維掃描圖，如白色箭頭處所指位置，可以很清楚的看出光纖爬起；(c)為正常位置處光纖環(huán)Y-Z截面上的二維圖；圖21為通過(guò)對(duì)一只無(wú)膠光纖環(huán)進(jìn)行OCT三維掃描；其中(a)為光纖環(huán)在整個(gè)圓周的OCT掃描圖；(b)為通過(guò)對(duì)(a)中A部位上光纖進(jìn)行放大，提取該位置處光纖的分布情況；(c)為通過(guò)對(duì)(a)中B部位上光纖進(jìn)行放大，提取該位置處光纖的分布情況；圖22 (a)為提取圖21 (a)中第三層光纖三維分布圖；(b)為白色圓圈C處光纖排布情況圖；(C)為白色圓圈D處光纖排布情況圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的一種基于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)方法及裝置結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明的一種方法實(shí)施例所用裝置如圖I所示，該裝置包括一個(gè)安裝被測(cè)光纖環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖中未示出)；一個(gè)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)，其探頭置于被測(cè)光纖環(huán)之上，用于對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行掃描，并采集光纖環(huán)的OCT信息；一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接到光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)上，用于處理被測(cè)光纖環(huán)OCT信息，對(duì)其進(jìn)行三維成像，通過(guò)采集獲得的光纖環(huán)骨架、光纖環(huán)上光纖、光纖環(huán)上涂膠的圖像，以判斷光纖環(huán)質(zhì)量的優(yōu)劣。本實(shí)施例裝置的光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)為時(shí)域系統(tǒng)光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)，或?yàn)轭l域系統(tǒng)光學(xué)相干 斷層掃描成像系統(tǒng)。圖中101為被測(cè)光纖環(huán)，102為OCT探頭。在本實(shí)施例的檢測(cè)方法中，OCT探頭左右沿著垂直光纖方向(光纖環(huán)的軸向)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行掃描，同時(shí)光纖環(huán)沿著圓心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。在本實(shí)施例當(dāng)中，光纖環(huán)是固定在一個(gè)繞環(huán)機(jī)上，利用繞環(huán)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。OCT探頭102發(fā)出探測(cè)光，并接受光纖環(huán)101不同層面上的反射光傳輸?shù)絆CT探測(cè)儀103當(dāng)中，經(jīng)過(guò)處理形成OCT探測(cè)信息，并傳輸?shù)絆CT的圖像分析和處理模塊104當(dāng)中進(jìn)行分析和處理，然后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)105中，可以形成三維掃描圖像進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，如圖2所示；其中圖2Ca)為存在缺陷的光纖環(huán)檢測(cè)結(jié)果圖像，圖2 (b)為纏繞質(zhì)量較好的光纖環(huán)檢測(cè)結(jié)果圖像。本發(fā)明的另一種檢測(cè)方法實(shí)施例，就是光纖環(huán)靜止不動(dòng)，而掃描探頭除了沿著垂直光纖的光纖環(huán)軸向進(jìn)行掃描外，還進(jìn)行順著光纖的方向進(jìn)行掃描，也就是說(shuō)是一個(gè)二維的平面掃描，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用探頭自?huà)呙钑r(shí)探頭到光纖環(huán)在邊緣處的距離d2要比中心處距離dl大；這種掃描方法在OCT探頭的景深足夠大的情況下，也可以得到光纖環(huán)內(nèi)部的三維圖像，只不過(guò)前面的方法可以得到光纖環(huán)整個(gè)一周的內(nèi)部三維圖像(圖2)，而現(xiàn)在這種光纖環(huán)靜止的掃描方式，只能得到OCT探頭視場(chǎng)范圍內(nèi)的三維立體圖像，如圖4所示，其中圖4 (a)是視場(chǎng)范圍內(nèi)立體成像，圖4 (b)是光纖環(huán)橫斷面的二維圖像，圖4 (c)是從探頭方向觀測(cè)光纖環(huán)的二維圖像。掃描探頭的運(yùn)動(dòng)方式可以多種實(shí)現(xiàn)，常規(guī)的是通過(guò)一個(gè)機(jī)械裝置，使得探頭能夠相對(duì)光纖環(huán)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行掃描。還有一種方法，是在探頭中加入可旋轉(zhuǎn)掃描振鏡，通過(guò)振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得出射光產(chǎn)生移動(dòng)，達(dá)到掃描的目的。本實(shí)施例采用的是探頭中加掃描振鏡的方法進(jìn)行掃描。本發(fā)明利用圖I的裝置進(jìn)行光纖環(huán)的檢測(cè)方法，既可以是將繞制好的光纖環(huán)在線(xiàn)下檢測(cè)，也可以在繞制過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，即所謂的在線(xiàn)檢測(cè)。在線(xiàn)檢測(cè)是在繞制一層或幾層光纖后，隨著繞環(huán)機(jī)帶動(dòng)光纖環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，OCT探頭同時(shí)進(jìn)行掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)繞制的光纖中存在缺陷，既可以隨時(shí)停止繞制，退回已經(jīng)繞上骨架的光纖，調(diào)整工藝后重新繞制，消除缺陷，從而保證光纖環(huán)的質(zhì)量。本發(fā)明還可利用OCT技術(shù)檢測(cè)光纖環(huán)的骨架。通常光纖環(huán)的繞制質(zhì)量的好壞，除了和繞制工藝、繞制張力有關(guān)以外，還和光纖環(huán)骨架的加工精度有關(guān)，骨架的加工精度低，安裝到繞環(huán)機(jī)上同軸度就差，就不能平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)影響繞環(huán)質(zhì)量。即便骨架加工得尺寸很精確，如果在安裝到繞環(huán)機(jī)上的時(shí)候安裝不夠好，同軸度也會(huì)差。通常在機(jī)械方面檢查骨架已經(jīng)骨架安裝的方法是使用百分表頂住轉(zhuǎn)動(dòng)表面，然后轉(zhuǎn)動(dòng)骨架，通過(guò)發(fā)現(xiàn)不同面在百分表上度數(shù)的變化，來(lái)得出骨架安裝的同軸度好壞，圖5為傳統(tǒng)使用百分表檢測(cè)骨架旋轉(zhuǎn)同軸度方法的示意圖，其中501為被測(cè)光纖環(huán)骨架，502為百分表，503為百分表的探測(cè)桿；隨著光纖環(huán)骨架501的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于不同軸度的存在，壓在骨架上的探測(cè)桿503會(huì)隨著骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)而起伏，從而在百分表502上顯示出起伏程度(尺寸)。這種采用百分表的方法有一個(gè)缺點(diǎn)，在測(cè)量時(shí)每次只能測(cè)骨架一條圓周線(xiàn)的同軸度，要想保證整個(gè)骨架的同軸度，需要測(cè)多個(gè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)圓周線(xiàn))。這就會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，會(huì)碰上前面調(diào)整好了，另外一邊同軸度又差了，往往反復(fù)調(diào)整也很難調(diào)整得很好。本發(fā)明其中一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是采用OCT技術(shù)檢測(cè)光纖環(huán)的方法對(duì)骨架進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)觀察骨架的OCT圖像，判斷骨架安裝轉(zhuǎn)動(dòng)的同軸度整體的好壞，從而保證繞環(huán)順利進(jìn)行；圖6顯示了兩個(gè)光纖環(huán)骨架測(cè)量結(jié)果，其中圖6 Ca)是同軸度和平整度較好的光纖環(huán)骨架的立體圖，圖6 (b)是同軸度和平整度較差的光纖環(huán)骨架的立體圖；(C)、Cd)是對(duì)應(yīng)(a)、(b)的二維圖，便于數(shù)值化測(cè)量同軸度和平整度。本發(fā)明方法在掃描過(guò)程中，OCT信息經(jīng)過(guò)三維重建，從而獲得斷層掃描的三維立體像。這個(gè)三維重建過(guò)程主要是利用OCT系統(tǒng)，針對(duì)光纖環(huán)這種特殊應(yīng)用所進(jìn)行的。這其中包括針對(duì)光纖環(huán)的直徑尺寸、光纖的折射率設(shè)定、涂膠的折射率以及涂膠的厚度，將這些數(shù)據(jù)設(shè)定后重建出光纖環(huán)的斷層掃描圖像。本實(shí)施例中，光纖折射率設(shè)定為I. 45，光線(xiàn)直徑設(shè)定為200um，涂膠厚度為20um，涂膠折射率設(shè)定在I. 49 ;這樣的設(shè)定可以在三維重建過(guò)程中，準(zhǔn)確反映光纖環(huán)內(nèi)部的缺陷情況。在本實(shí)施例中，當(dāng)光纖之間的平整度超過(guò)光線(xiàn)直徑 的四分之一，則認(rèn)定光纖環(huán)纏繞存在缺陷，如果測(cè)得涂膠厚度超過(guò)光線(xiàn)直徑的十分之一，則涂膠工藝存在缺陷。經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)定，在三維重建過(guò)程中，可以設(shè)定只看其中一層光纖的纏繞情況(如圖2)，或者多層光纖纏繞情況(如圖8)，從而可以清晰查看光纖環(huán)的纏繞質(zhì)量。例如，以光纖環(huán)最外層位置為零點(diǎn)，則最外層光纖在OCT三維圖像中深度方向的位置是O nf · d,次外層光纖在OCT三維圖像中深度方向的位置是(nf · d+ng · h) (2 · nf · d+ng · h),并以此類(lèi)推。下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。采用的OCT系統(tǒng)其樣品探測(cè)臂可自由活動(dòng)，根據(jù)檢測(cè)的需要可以人為的改變探測(cè)臂的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸大小的待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)，考慮為了將OCT系統(tǒng)更方便的應(yīng)用于光纖環(huán)結(jié)構(gòu)檢測(cè)，并對(duì)不同情況下光纖環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，將OCT系統(tǒng)的樣品探測(cè)臂直接固定在繞纖機(jī)的工作臺(tái)上。根據(jù)OCT系統(tǒng)樣品探測(cè)臂本身具有橫向掃描功能和繞線(xiàn)機(jī)繞環(huán)時(shí)可同軸轉(zhuǎn)動(dòng)光纖環(huán)，如圖I所示，本發(fā)明從以下兩個(gè)方面對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行檢測(cè)(1)固定光纖環(huán)不動(dòng)，通過(guò)OCT樣品探測(cè)臂自身的橫向掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖環(huán)局部區(qū)域的進(jìn)行檢測(cè)(圖3) ；(2)固定OCT樣品探測(cè)臂不動(dòng)，通過(guò)繞線(xiàn)機(jī)帶動(dòng)光纖環(huán)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖環(huán)整個(gè)圓周上區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。一、本發(fā)明基于OCT樣品探測(cè)臂自?huà)呙鑼?shí)現(xiàn)對(duì)光纖環(huán)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的檢測(cè)方法I金屬骨架上繞制單層光纖OCT三維掃描如圖7所示，對(duì)金屬骨架上的單層光纖進(jìn)行OCT掃描，該光纖為采用200um粗光纖進(jìn)行繞制；(a)為OCT掃描三維圖；(b)為沿Y方向在X-Z截面上剖切圖；(c)為沿Z方向沿X-Y截面上剖切圖；通過(guò)掃描可以很容易確定處光纖的上下表面的位置，而且還能很清楚的分辨出骨架上光纖的具體位置。由于探測(cè)臂自?huà)呙钑r(shí)掃描光在縱向上經(jīng)歷光程不同，導(dǎo)致掃描圖中在骨架未繞制光纖與已繞制光纖交界處出現(xiàn)一位置突變。從掃描圖可以看出OCT系統(tǒng)具有足夠的分辨率用于分辨光纖環(huán)上光纖的位置。涂膠環(huán)與無(wú)膠環(huán)在繞制中心區(qū)域上OCT掃描三維圖對(duì)比如圖8所示，對(duì)一只采用160 μ m繞制的24層光纖環(huán)A進(jìn)行掃描。由掃描結(jié)果可以很清楚的分辨出光纖環(huán)中各層光纖的位置，由圖8(a)三維掃描圖可以得出該光纖環(huán)在該掃描范圍上光纖繞制平整，且無(wú)爬升、凹陷等缺陷。通過(guò)對(duì)三維圖沿Y方向在X-Z截面進(jìn)行剖切，可以得到光纖環(huán)沿Y方向不同位置處的層析圖，如圖8(b)所示，從圖中不僅能清楚的得出表層光纖的詳細(xì)排布情況，而且能透過(guò)表層對(duì)表層以下四到五層上的光纖的位置進(jìn)行觀測(cè)。同樣本發(fā)明對(duì)三維圖沿Z方向?qū)-Y截面進(jìn)行剖切，得到不同掃描深度上光纖的分布信息，如圖8(c)所示，該圖為Z=O時(shí)沿X-Y截面上剖切三維掃描圖的結(jié)果，圖中所能看到情況為掃描范圍內(nèi)的外層光纖排布，也清楚的看出該掃描范圍內(nèi)光纖繞制整齊且緊密排布。同時(shí)，對(duì)一只12層200μηι光纖繞制的光纖環(huán)B進(jìn)行掃描。相比無(wú)膠環(huán)的掃描結(jié)果，由于涂膠環(huán)中在光纖環(huán)每一層都進(jìn)行固膠，將會(huì)影響到OCT的成像掃描結(jié)果，如圖9所示。圖9 (a)中可以清楚的看出光纖環(huán)的表層光纖結(jié)構(gòu)及次表層的光纖情況，受固膠材料的散射和吸收影響，探測(cè)光在經(jīng)過(guò)次表層涂膠層后損耗增大，導(dǎo)致對(duì)次表層以下的光纖分布掃描結(jié)果信息也減弱；同樣，沿Y方向上在某一位置對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行剖切，得到如圖9(b)所示二維圖，從圖中也能明顯的看出由于受固膠的影響在次表層以下光纖的細(xì)節(jié)情況均埋藏在固膠結(jié)構(gòu)中；在2=0處沿Z軸正方向?qū)饫w環(huán)掃描圖進(jìn)行觀測(cè)，如圖 9(c)所示，可以得出在該掃描區(qū)域內(nèi)光纖排布緊湊。涂膠環(huán)與無(wú)膠環(huán)光纖環(huán)在骨架邊緣區(qū)域處OCT掃描三維圖對(duì)比接下來(lái)，同樣對(duì)無(wú)膠光纖環(huán)A及涂膠光纖環(huán)B在骨架兩邊緣區(qū)域上進(jìn)行OCT掃描分析，其結(jié)果分別如10、11、12所示。圖10為對(duì)無(wú)膠光纖環(huán)A骨架邊緣右側(cè)進(jìn)行掃描，從圖10(a)中可以清楚的看出除了在O點(diǎn)處出現(xiàn)一縫隙外，其余地方均排布整體。為了更清楚的分析裂縫處的情況，本發(fā)明沿Y方向在X-Z平面上對(duì)掃描圖進(jìn)行剖切，其結(jié)果如圖10(b)所示，從圖中可以清楚的看出引起表層出現(xiàn)縫隙的原因?yàn)楣饫w環(huán)底層P點(diǎn)處出現(xiàn)一光纖凸起，導(dǎo)致次表層P點(diǎn)位置處光纖也出現(xiàn)爬起，相應(yīng)的最外層光纖相同位置處由于光纖滑動(dòng)而出現(xiàn)一縫隙。最后從圖10(C)中可以看出，OCT的系統(tǒng)掃描深度可以達(dá)到表層以下9層，即最大掃描深度約為1.44mm。同樣，對(duì)光纖環(huán)A左側(cè)靠近骨架邊緣進(jìn)行掃描，其結(jié)果如圖11所示，從圖11(a)中可以很清楚的看出在光纖環(huán)O'位置處出現(xiàn)一光纖塌陷，并且在靠近骨架左側(cè)邊緣出現(xiàn)光纖爬起；由圖11(b)中X-Z面上切剖圖能很清楚的得出，在骨架左側(cè)邊緣，光纖排布較中間光纖排布混亂。接著，對(duì)涂膠環(huán)B的右側(cè)骨架邊緣處進(jìn)行OCT掃描，其掃描結(jié)果如圖12所示，(a)為光纖環(huán)靠近骨架右側(cè)邊緣處OCT三維掃描圖；(b)為X-Z截面上OCT掃描二維圖；(C)為沿坐標(biāo)X軸方向上Y-Z截面上二維圖；可以看出骨架邊緣處也同樣出現(xiàn)了光纖排列不平整，但未出現(xiàn)類(lèi)似于無(wú)膠環(huán)邊緣處光纖凹陷或者爬起等明顯缺陷，分析其主要原因?yàn)閷?duì)于涂膠環(huán)而言，每層光纖在繞制時(shí)出現(xiàn)微小縫隙、凹陷缺陷均可以通過(guò)后期的均勻涂膠得到改善，避免底層缺陷影響到下一層光纖的繞制。因此從光纖環(huán)的繞制排纖上考慮，無(wú)膠環(huán)的繞制較涂膠環(huán)來(lái)的困難。另外，從OCT探測(cè)掃描深度來(lái)看，涂膠環(huán)的掃描深度則要比無(wú)膠環(huán)淺，如圖12(c)所示，此時(shí)僅能是實(shí)現(xiàn)對(duì)表層以下4層光纖進(jìn)行探測(cè)，對(duì)無(wú)膠環(huán)與涂膠環(huán)的探測(cè)深度問(wèn)題將在后面將對(duì)其分析。圖13(a)給出了一只4層涂膠環(huán)的OCT掃描圖，圖中圓圈處為一光纖繞制縫隙，通過(guò)對(duì)縫隙處光纖和完好光纖分別在X-Z切面上進(jìn)行剖切，可得圖13(b)、(C)所示，(b)為沿縫隙處Y-Z截面二維圖，圖中白色箭頭為光纖繞制縫隙，從圖中可以清楚的看出，光纖縫隙已經(jīng)被膠給填滿(mǎn)整體光纖層面平滑；(C)為無(wú)縫隙處沿X方向的Y-Z截面二維圖；對(duì)比兩圖可以看出在縫隙處光纖環(huán)用膠明顯要比無(wú)縫隙處用的多，體現(xiàn)為涂膠不均勻。通過(guò)對(duì)無(wú)膠環(huán)及涂膠環(huán)就每層上光纖排布的情況進(jìn)行分析，總結(jié)如下繞環(huán)的質(zhì)量非常重要。在繞纖時(shí)，每層繞纖的開(kāi)始和結(jié)束都是關(guān)鍵，底層排纖時(shí)出現(xiàn)的光纖爬起或者裂縫均有可能造成下一層光纖繞制出現(xiàn)排列混亂，最終導(dǎo)致光纖環(huán)繞制失敗。OCT用于檢測(cè)涂膠環(huán)涂膠均勻性與涂膠厚度由于手工操作的機(jī)動(dòng)性和靈活性及對(duì)操作設(shè)備的復(fù)雜性要求不高，目前廣泛采用半自動(dòng)繞纖機(jī)進(jìn)行光纖環(huán)繞制，在此過(guò)程操作人員起著重要的作用，需要大量的人工介入，如每完成一級(jí)光纖需變換一次放線(xiàn)輪，調(diào)整光纖位置、調(diào)節(jié)光纖在環(huán)上的排布、光纖環(huán)固膠等，因此，對(duì)于不同的光纖環(huán)或者同一只光纖環(huán)上不同層上涂膠的均勻性和涂膠厚度均會(huì)不一樣，其最終將會(huì)影響到光纖環(huán)的性能。據(jù)了解目前還沒(méi)有一種合適的方法用于檢測(cè)實(shí)際繞制完成后光纖環(huán)內(nèi)的涂膠情況，主要由于對(duì)于最終繞制完成后的光纖環(huán)其環(huán)內(nèi)每層涂·膠的情況均埋藏在光纖環(huán)內(nèi)部，不易被觀測(cè)。由于OCT本身所具有的非侵入式掃描的優(yōu)點(diǎn)，能很容易的對(duì)光纖環(huán)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)掃描，對(duì)光纖環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，因此決定了 OCT可作為一種很實(shí)用的方法用于檢測(cè)光纖環(huán)上涂膠情況。膠水通常表現(xiàn)為光的散射體，在OCT圖像上表現(xiàn)為明亮，而光纖通常表現(xiàn)為光的透過(guò)體，在OCT圖像上表現(xiàn)為暗，在重建的三維OCT圖像上根據(jù)圖像的明暗即可區(qū)分膠水和光纖，通過(guò)數(shù)據(jù)分析與處理模塊可以直接提取出膠水的OCT圖像，通過(guò)圖像計(jì)算所涂膠水的厚度，如所涂膠水厚度大于所用光纖直徑的1/10，則判斷該層涂膠存在缺陷。另外，如果圖像中在涂膠區(qū)域出現(xiàn)明顯的亮度分布不均勻，則表明涂膠的不均勻。如圖14所示，圖中(a)、(b)分別為兩只涂膠環(huán)在Z=O處沿X-Y截面上的二維圖，Ca)顯示表層涂膠不均勻情況；(b)顯示表層涂膠均勻情況；對(duì)比兩圖可以很清楚的看出圖14(a)中光纖環(huán)表層上涂膠不均勻，導(dǎo)致最終OCT掃描圖上出現(xiàn)一些斑點(diǎn)。除了對(duì)光纖環(huán)上涂膠均勻性的檢測(cè)外，本發(fā)明還能將其應(yīng)用于光纖環(huán)上涂膠厚度的檢測(cè)上，如圖15所示，圖中(a)、(b)分別為兩只相同涂膠的光纖環(huán)在Y-Z界面上的二維圖，其中圖15(a)中顯示出OCT掃描深度可達(dá)到表層下第五層，而且層析結(jié)構(gòu)清晰，主要表現(xiàn)為該環(huán)每層上涂膠厚度控制恰當(dāng)。相比之下，圖15(b)中所示光纖環(huán)的OCT觀測(cè)圖在第二層以下層析帶模糊，OCT掃描深度也大為減弱，主要表現(xiàn)為光纖環(huán)繞制過(guò)程中涂膠量厚，影響OCT的探測(cè)效果。針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有必要對(duì)OCT的最大探測(cè)深度進(jìn)行一標(biāo)定，并以此作為一參考用于評(píng)判光纖環(huán)上涂膠的情況，如圖16所示，通過(guò)分別比較相同工藝(均采用200μπι光纖)繞制無(wú)膠環(huán)和涂膠環(huán)的OCT掃描觀測(cè)圖，Ca)為無(wú)膠環(huán)OCT掃描圖，其中可以看出OCT掃描深度可以達(dá)到表層以下第7層，其掃描深度約為I. 4_左右，可以很清楚的看到在環(huán)中表層第4層下表面墊紙；(b)為涂膠光纖環(huán)OCT掃描圖，涂膠環(huán)的掃描深度與涂膠的材料、涂膠均勻度、涂膠的厚度密切相關(guān)，相比無(wú)膠環(huán)的掃描結(jié)果圖，其掃描深度在表層以下第5層處；可以看出，對(duì)于無(wú)膠環(huán)其最大掃描深度約為I. 4_左右即表層以下第7層光纖上，而且能很清楚的檢測(cè)出位于第4層光纖上墊紙的情況；而對(duì)于涂膠環(huán)受到涂膠材料、涂膠的均勻性及涂膠的厚度影響，其掃描深度減弱了，如圖16(b)所示，對(duì)于該涂膠環(huán)其最大掃描深度約為Imm即表層以下第5層處。
以上通過(guò)比較無(wú)膠環(huán)與涂膠環(huán)的OCT掃描圖，可得如下結(jié)論0CT技術(shù)可作為一種很好的檢測(cè)方法用于判斷涂膠環(huán)中涂膠的均勻性和涂膠的厚度。二、本發(fā)明基于繞線(xiàn)機(jī)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖環(huán)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的檢測(cè)方法固定OCT樣品探測(cè)臂不動(dòng)，定軸轉(zhuǎn)動(dòng)光纖環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖環(huán)整個(gè)圓周區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，由于該檢測(cè)模式下，探測(cè)臂到光纖環(huán)上的距離dl保持不變，因此，以下從三個(gè)方面給出OCT對(duì)光纖環(huán)內(nèi)部進(jìn)行觀測(cè)的結(jié)果(I)對(duì)裝入繞線(xiàn)機(jī)上光纖環(huán)骨架裝配同軸度及骨架內(nèi)層表面平整度進(jìn)行測(cè)量，如圖17、圖18所示，圖17為繞制前光纖環(huán)骨架(鋁骨架)同軸度測(cè)試三維圖；(a)為第一次裝配骨架同軸度測(cè)量結(jié)果；(b)為重新調(diào)整后同軸度測(cè)量結(jié)果；(C)為對(duì)應(yīng)圖(a)在Y-Z截面上的二維圖；(d)為對(duì)應(yīng)圖(b)在Y-Z截面上的二維圖；圖18為兩種材料的光纖環(huán)骨架內(nèi)層OCT掃描對(duì)比圖；(a)為金屬材料加工骨架內(nèi)·層OCT掃描三維圖；(b)為選用的非金屬材料加工光纖環(huán)骨架內(nèi)層OCT掃描三維圖；(C)為對(duì)應(yīng)圖(a)在Y-Z截面上的二維圖；(d)為對(duì)應(yīng)圖(b)在Y-Z截面上的二維圖；由于OCT掃描圖像可實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描物體實(shí)際尺寸的測(cè)量，因此可以直接給出骨架的同軸度，或者骨架表面的實(shí)際平整度；旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)骨架，通過(guò)采集OCT圖像，通過(guò)數(shù)據(jù)處理及分析模塊，提取光纖環(huán)骨架的OCT圖像，并根據(jù)重建后的三維OCT圖像中骨架位置偏差的最大值與最小值之差計(jì)算光纖環(huán)骨架的同軸度，同軸度> 25um的光纖環(huán)骨架判定為不合格骨架。(2)光纖環(huán)繞制在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，每層缺陷點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和通過(guò)重新繞制及時(shí)消除缺陷點(diǎn)，如圖19、圖20所示；圖19 (a)顯示排布出現(xiàn)缺陷的光纖環(huán)表面；(b)顯示重新繞制后的光纖環(huán)表面，通過(guò)重新繞制消除光纖環(huán)表面存在的缺陷；圖20顯示一在線(xiàn)繞制4層光纖環(huán)的OCT掃描圖，其中(a)為OCT三維掃描圖，其中圖中白色箭頭處可以很明顯的看出光纖環(huán)在第4層上出現(xiàn)一爬起，并且能發(fā)現(xiàn)在匝與匝交替位置處光纖出現(xiàn)微彎曲；(b)為外層缺陷處沿Y-Z截面上二維掃描圖，如白色箭頭處所指位置，可以很清楚的看出光纖爬起；(c)為正常位置處光纖環(huán)Y-Z截面上的二維圖；圖21為通過(guò)對(duì)一只無(wú)膠光纖環(huán)進(jìn)行OCT三維掃描；其中(a)為光纖環(huán)在整個(gè)圓周的OCT掃描圖；(b)為通過(guò)對(duì)(a)中A部位上光纖進(jìn)行放大，提取該位置處光纖的分布情況；(c)為通過(guò)對(duì)(a)中B部位上光纖進(jìn)行放大，提取該位置處光纖的分布情況；(3)不同工藝的光纖環(huán)繞制，及無(wú)膠環(huán)與涂膠環(huán)檢測(cè)，如圖21、圖22。圖21為通過(guò)對(duì)一只無(wú)膠光纖環(huán)進(jìn)行OCT三維掃描；其中(a)為光纖環(huán)在整個(gè)圓周的OCT掃描圖；(b)為通過(guò)對(duì)(a)中A部位上光纖進(jìn)行放大，提取該位置處光纖的分布情況；(c)為通過(guò)對(duì)(a)中B部位上光纖進(jìn)行放大，提取該位置處光纖的分布情況；圖22 (a)為提取圖21 (a)中第三層光纖三維分布圖；(b)為白色圓圈C處光纖排布情況圖；(c)為白色圓圈D處光纖排布情況圖。對(duì)骨架裝配同軸度及內(nèi)層光滑度測(cè)量光纖環(huán)開(kāi)始繞制時(shí)，需要對(duì)待繞制光纖環(huán)的骨架裝配同軸度進(jìn)行測(cè)試，若骨架的裝備同軸度大于規(guī)定要求則需要對(duì)其進(jìn)行重新調(diào)整，以滿(mǎn)足要求。在此，本發(fā)明采用OCT系統(tǒng)對(duì)骨架的同軸度進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如圖17所示，圖17(a)為骨架第一次裝配完的OCT測(cè)試結(jié)果，通過(guò)對(duì)OCT掃描三維圖在Y-Z截面上進(jìn)行投影可得圖17(c)，由圖可以清楚的得到光纖環(huán)同軸度，圖中采用一條虛線(xiàn)做為基準(zhǔn)線(xiàn)，當(dāng)同軸度測(cè)量曲線(xiàn)與該基準(zhǔn)線(xiàn)平行時(shí)，同軸度則最理想。通過(guò)將兩者進(jìn)行比較，可以看出測(cè)量曲線(xiàn)偏離基準(zhǔn)線(xiàn)，呈弧形，說(shuō)明此次裝調(diào)完的骨架同軸度并不理想。因此，通過(guò)對(duì)該骨架進(jìn)行重新裝調(diào)，并利用OCT系統(tǒng)再次測(cè)量，其結(jié)果如圖17(b)、(d)所示，相比第一次裝調(diào)結(jié)果，骨架的同軸度得到一定的改善。另外，光纖環(huán)骨架加工精度不夠時(shí)，特別是當(dāng)骨架底層的光滑度差時(shí)，容易造成與骨架底層接觸的光纖出現(xiàn)偏振串?dāng)_，直接影響最終 繞制的光纖環(huán)質(zhì)量。在光纖環(huán)骨架的選擇上一般要求選擇膨脹系數(shù)與光纖接近的材料，但由于不同材料的骨架加工難易程度不一樣，導(dǎo)致它們的內(nèi)層光滑度也不一樣，所以有必要對(duì)最終加工的骨架精度進(jìn)行測(cè)量。圖18為采用OCT對(duì)兩種不同材料(金屬與非金屬材料)的光纖環(huán)骨架內(nèi)層光滑度的掃描結(jié)果，同樣采用一虛線(xiàn)作為基準(zhǔn)，從圖18(c)、(d)中曲線(xiàn)圖比較可以看出，對(duì)應(yīng)于圖18(a)中金屬材料骨架加工的精度要比對(duì)應(yīng)于圖18(b)中非金屬材料骨架加工的精度好。通過(guò)檢測(cè)，本發(fā)明能得出該非金屬骨架的精度不能滿(mǎn)足要求。三、本發(fā)明利用OCT對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)方法通過(guò)對(duì)OCT三維掃描圖進(jìn)行分析，本發(fā)明可以快速的得到光纖環(huán)上光纖排布缺陷的位置，還能直接對(duì)每一層光纖排布的平整度進(jìn)行觀測(cè)。為了保證OCT三維成像系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)的速率匹配，光纖環(huán)旋轉(zhuǎn)角速率ω與
OCT成像系統(tǒng)掃描頻率F應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系d <—-—F
Nx(r + nd)其中，d為光纖直徑，Nx為X方向圖像的像素?cái)?shù)，r為骨架半徑，η為繞制在環(huán)上光纖的層數(shù)。本實(shí)例中，光纖直徑d為200um, X方向像素Nx為200,光纖環(huán)骨架半徑r為19. 5_，光纖環(huán)繞制層數(shù)η為12層，OCT成像系統(tǒng)掃描頻率為16kHz，因此光纖環(huán)旋轉(zhuǎn)的角速率小于O. 71rad/s。圖19(a)為一只在線(xiàn)繞制光纖環(huán)表層的OCT掃描圖，從圖中可以看出該層上光纖高低起伏，并且有些地方出現(xiàn)裂縫。通過(guò)對(duì)該層光纖進(jìn)行重新繞制，并嚴(yán)格的控制其排纖，重新繞制后的OCT三維掃描圖如圖14(b)所示，通過(guò)重新繞制消除原有的繞制缺陷。圖20給出在線(xiàn)繞制4層光纖環(huán)的OCT三維掃描圖，從圖20 (a)中能很清楚看出在第4層光纖的位置出現(xiàn)一光纖爬起，白色箭頭所指位置；另外該掃描圖中還能清楚的看出每匝光纖交接處出現(xiàn)光纖的微彎曲現(xiàn)象；圖20(b)、(c)分別為在光纖爬起位置處和無(wú)缺陷位置處沿Y-Z截面上剖切的二維圖。對(duì)比兩圖，能容易的得出圖20(b)中白色箭頭所指的位置即光纖爬起位置處。接下來(lái)對(duì)一只200 μ m光纖繞制的12層光纖環(huán)進(jìn)行OCT掃描成像圖，其掃描結(jié)果如圖21(a)所示，從圖中可以看出該光纖環(huán)上存在較多缺陷，其大部分缺陷埋藏光纖環(huán)內(nèi)部，分析其主要原因如下(I)在光纖環(huán)繞制過(guò)程中，底層光纖排布缺陷將直接影響頂層光纖排纖，直接造成光纖環(huán)在該位置處形成一缺陷累積。(2)現(xiàn)有的CXD成像設(shè)備輔助光纖環(huán)繞制，僅可以保證最外層上光纖緊密排布，而無(wú)法避免在繞制過(guò)程中，由于外層光纖擠壓而重新引入的缺陷。通過(guò)對(duì)圖21 (a)光纖環(huán)OCT三維掃描圖進(jìn)行分析，即能快速的得知該光纖環(huán)內(nèi)部光纖整體排布情況。為了對(duì)光纖環(huán)內(nèi)存在的缺陷更好地進(jìn)行定位，掃描前先在光纖環(huán)上做一標(biāo)記點(diǎn)，規(guī)定從標(biāo)記點(diǎn)處開(kāi)始掃描，當(dāng)光纖環(huán)定軸轉(zhuǎn)過(guò)360度，再次經(jīng)過(guò)標(biāo)記點(diǎn)時(shí)停止掃描。通過(guò)計(jì)算掃描圖中缺陷點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)之間的距離來(lái)確定缺陷點(diǎn)在光纖環(huán)圓周上的位置。例如，對(duì)圖21(a)中圓周上120°白色圓圈A處光纖分布情況進(jìn)行分析，并對(duì)該處進(jìn)行光纖信息進(jìn)行放大，如圖21(b)所示，可以看出該位置處光纖層與層、匝與匝之間平行排布，無(wú)繞制缺陷，而對(duì)于圓周上270°白色圓圈B位置上光纖排布情況進(jìn)行提取，結(jié)果如圖
21(c)所示，可以看出光纖排布情況差，并且層與層上缺陷分布具有周期性，出現(xiàn)表層上光纖凸起，內(nèi)部光纖凹凸排布的現(xiàn)象。對(duì)其原因進(jìn)行分析可總結(jié)如下光纖環(huán)中的缺陷具有累積性，即若底層光纖某處出現(xiàn)缺陷，則頂層光纖在該位置上也會(huì)受影響出現(xiàn)光纖繞制缺陷。為了更好的分析同一層上光纖分布情況，本發(fā)明對(duì)掃描結(jié)果中以層為單位進(jìn)行劃分。例如，對(duì)圖21(a)中第3層光纖進(jìn)行提取，其結(jié)果如圖22(a)所示，從圖中可以得出該層上光纖存在多處光纖微彎曲現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)C、D兩處位置上掃描圖進(jìn)行放大，可得到圖
22(b)、(c)，可以看出D位置上光纖整層存在微彎曲，導(dǎo)致其出現(xiàn)的原因可能為(I)底層光纖凸起造成該層光纖發(fā)生凸起引發(fā)的光纖微彎曲現(xiàn)象(2)該層某匝光纖存在繞制缺陷造成剩余匝數(shù)上光纖在該處也存在缺陷引發(fā)光纖微彎曲。 通過(guò)對(duì)光纖環(huán)在線(xiàn)繞制OCT檢測(cè)的初步研究，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)損傷的掃描，為分析光纖環(huán)的內(nèi)部機(jī)構(gòu)并通過(guò)從新繞制消除繞制缺陷起到關(guān)鍵作用。
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)將被測(cè)光纖環(huán)固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上； (2)將光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)探頭垂直固定于被測(cè)光纖環(huán)上方,使得入射光垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)光纖環(huán)； (3)以光纖環(huán)圓心為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該光纖環(huán)，同時(shí)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的掃描探頭對(duì)被測(cè)光纖環(huán)沿著被測(cè)光纖環(huán)軸向進(jìn)行一維掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)的OCT信息；或光纖環(huán)靜止不動(dòng)，掃描探頭沿著光纖環(huán)軸向和垂直光纖環(huán)軸向兩個(gè)方向進(jìn)行二維掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)局部的OCT信息；或光纖環(huán)靜止不動(dòng),光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的掃描探頭相對(duì)被測(cè)光纖環(huán)沿著其外圍轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行軸向掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)的OCT信息； (4)根據(jù)獲得的被測(cè)光纖環(huán)OCT信息，進(jìn)行三維圖像重建，通過(guò)重建圖像判斷該被測(cè)光纖環(huán)表面及表面以下是否存在缺陷，并根據(jù)圖像的不均勻位置對(duì)缺陷進(jìn)行定位，以消除缺陷。
2.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為光纖繞環(huán)機(jī)。
3.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，步驟(4)所述三維圖像重建，包括將光纖折射率、涂膠折射率、光纖直徑、涂膠厚度、光纖環(huán)整體直徑以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度中的任一種、幾種或全部作為基本因素進(jìn)行三維圖像重建。
4.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，所述OCT信息是通過(guò)收集光學(xué)斷層掃描得到干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)，在經(jīng)過(guò)電子運(yùn)算處理生成的三維立體圖像。
5.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，所述光纖環(huán)缺陷是指由光纖繞制過(guò)程中光纖交疊、或光纖繞制過(guò)程中光纖爬起、或光纖繞制過(guò)程中涂膠不均勻造成。
6.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，所述光纖環(huán)為光纖陀螺用光纖環(huán)、或電流互感用光纖環(huán)、或光學(xué)延遲用光纖環(huán)。
7.如權(quán)利要求2所述方法，其特征在于，所述步驟3)中以光纖環(huán)圓心為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該光纖環(huán)，同時(shí)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的掃描探頭對(duì)被測(cè)光纖環(huán)沿著被測(cè)光纖環(huán)軸向進(jìn)行一維掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)的OCT信息，是光纖繞環(huán)機(jī)在繞制光纖環(huán)過(guò)程中，隨著繞環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量。
8.如權(quán)利要求7所述方法，其特征在于，具體包括以下步驟 (1)將光纖環(huán)骨架固定在光纖環(huán)繞制機(jī)上； (2)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)探頭垂直固定于骨架上方，使得入射光沿著骨架徑向方向垂直入射骨架內(nèi)表面； (3)利用光纖環(huán)繞制機(jī)繞制完成一層或幾層光纖,光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)探頭將入射光沿著光纖環(huán)徑向垂直入射該層或該幾層光纖； (4)以光纖環(huán)軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)，同時(shí)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的掃描探頭對(duì)被測(cè)光纖環(huán)沿著被測(cè)光纖環(huán)軸向進(jìn)行一維掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)第一層光纖的三維OCT圖像； (5)根據(jù)獲得的該層光纖三維OCT掃描圖像，通過(guò)圖像發(fā)現(xiàn)該層光纖繞制缺陷，并指導(dǎo)對(duì)存在缺陷位置進(jìn)行處理，以消除缺陷； (6)繼續(xù)繞制光纖環(huán)，再完成一層或幾層后，重復(fù)步驟(3)-(5)，直至完成該光纖環(huán)每層光纖的繞制及缺陷檢測(cè)和處理。
9.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，所述光纖環(huán)只是一個(gè)光纖環(huán)骨架，通過(guò)測(cè)量骨架的OCT信息，判斷骨架的質(zhì)量和安裝情況，以保證繞制光纖環(huán)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。
10.一種基于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)裝置，該裝置包括 一個(gè)安裝被測(cè)光纖環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；一個(gè)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)，其探頭置于被測(cè)光纖環(huán)之上，用于對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行掃描，并采集光纖環(huán)的OCT信息；一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接到光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)上，用于處理被測(cè)光纖環(huán)OCT信息，對(duì)其進(jìn)行三維成像，通過(guò)采集獲得的光纖環(huán)骨架、光纖環(huán)上光纖、光纖環(huán)上涂膠的圖像，以判斷光纖環(huán)質(zhì)量的優(yōu)劣。
11.如權(quán)利要求11所述裝置，其特征在于，光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)為時(shí)域系統(tǒng)光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)，或?yàn)轭l域系統(tǒng)光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的光纖環(huán)質(zhì)量檢測(cè)方法及裝置，屬于光學(xué)測(cè)量、光纖傳感及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括將被測(cè)光纖環(huán)固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上；將光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)探頭垂直固定于被測(cè)光纖環(huán)上方；以光纖環(huán)圓心為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該光纖環(huán)，同時(shí)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的掃描探頭對(duì)被測(cè)光纖環(huán)沿著被測(cè)光纖環(huán)軸向進(jìn)行一維掃描，從而獲得被測(cè)光纖環(huán)的OCT信息；根據(jù)OCT信息，進(jìn)行三維圖像重建，通過(guò)重建圖像判斷該被測(cè)光纖環(huán)表面及表面以下是否存在缺陷，并根據(jù)圖像的不均勻位置對(duì)缺陷進(jìn)行定位，以消除缺陷。該方法利用OCT檢測(cè)光纖環(huán)成品的質(zhì)量以及繞制過(guò)程中產(chǎn)生的繞制缺陷，可以有效提高各種使用光纖環(huán)的角度傳感器的精度。
文檔編號(hào)G01M11/00GK102901615SQ20121038190
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者姚曉天, 李志宏, 孟卓 申請(qǐng)人:蘇州光環(huán)科技有限公司