一种双视场光相干断层扫描成像系统及材料厚度检测法的制作方法
本发明涉及材料检测技术领域，具体涉及一种非透明材料厚度检测技术领域，尤其涉及一种双视场光相干断层扫描成像系统及非透明材料厚度检测法。
背景技术：
光学相干断层扫描成像（opticalcoherencetomography,oct）是一种低相干光学干涉成像技术，可以对光学散射介质如生物组织等进行扫描成像,获得的图像分辨率可以达到微米级。oct有着新型技术手段，具有非接触、非侵入、无损伤和分辨率高等优点。根据其成像机理，该技术非常适合多层结构的成像和厚度测量，因此，oct在医学诊断上得到了广泛应用。迄今为止，oct已作为眼科常规工具成功地应用于眼科影像学，并且在皮肤病学，心脏病学，肠胃病学等临床领域也显示出了巨大的潜力。在许多非医学领域，oct也得到了快速的发展，尤其是在无损检测中，包括纸张、药物片剂包衣、玉石、工业陶瓷等的无损检测。同时，由于oct的微米级分辨率，其在厚度测量方面也具有重要意义，在医学和工业领域中有着广泛的应用前景。在医学领域，oct常用于对纤维层，纤维帽和角膜的厚度进行测量。在工业领域，oct常用于pcb、金属箔片、汽车涂料、珍珠、蛋壳等的厚度测量。
在其他领域，也有很多测量材料厚度的方法。厚度作为材料属性的衡量单位之一，其测量方法也是生产生活中较为常见的内容。当前，测量材料厚度的方法可以分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法主要采用游标卡尺、螺旋测微计等工具。但是，接触式测量方法的量具直接接触材料产生应力，不但影响测量精度，而且容易划伤材料表面。非接触式测量方法则主要通过超声法和涡流法来进行。随着光学技术和电子技术的发展，非接触测量方法的精度越来越高，现已成为工业生产领域的主要测量方法。超声法通过测量波在材料中的反射回波时间来确定被测材料的厚度。然而，当超声波入射到多层介质上时，在异质界面处产生多个反射波和透射波。当材料的厚度薄时，会造成介质上下表面的回波混叠在一起，不易分辨。这使得常规超声测厚技术难以得到测量所必须的声速、声衰减等参数。涡流法式利用提离距离与涂层厚度之间一定的关系，通过提离效应实现对厚度的测量。然而，涡流法受材料表面粗糙度的影响很大，必须去除材料表面和探头之间的附着物质，以消除由于粗糙表面引起的系统误差和偶然误差。因此，开发一种具有较强鲁棒性和较高精度的材料厚度测量方法是十分必要的。与这些方法相比，oct在轴向分辨率和横向分辨率上均具有更好的性能。但是由于有限的成像深度，目前oct只用于测量透明材料的厚度。
技术实现要素：
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于扫频光学相干断层扫描成像的非透明材料厚度检测法，采用一种双侧视图oct系统，将oct技术进一步扩展到了不透明材料的厚度测量，提高了测量非透明材料厚度的精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种双视场光相干断层扫描成像系统，包括带有数据采集功能的扫描成像系统，以及给扫描成像系统提供光源的扫频光源，所述扫描成像系统采用dsv-oct系统，所述dsv-oct系统包括分别与所述扫频光源对应衔接的样品臂和参考臂，所述扫频光源分别给所述样品臂和参考臂提供采样光源或参考光源；所述样品臂还对应衔接有样品放置平台，所述样品放置平台包括定位待测样品的姿态调整单元；所述样品臂与所述参考臂返回的光发生干涉形成干涉信号，所述干涉信号由平衡光电探测器检测并回传给pc机。
本发明一个较佳的实施例中，扫频光源的光源输出端与所述样品臂与所述参考臂之间设置有光纤耦合器一，所述光纤耦合器一将光源分为采样光源和参考光源两束，所述采样光源和参考光源分别引入所述样品臂和参考臂。
本发明一个较佳的实施例中，姿态调整单元与所述dsv-oct系统驱动连接；所述姿态调整单元包括x轴位平台、y轴位移平台、z轴位移平台中的一种或多种。
本发明一个较佳的实施例中，所述样品臂与所述样品放置平台之间设置有光纤耦合器二，所述光纤耦合器二将采样光源创建成两束采样光源；所述待测样品的两侧相对设置的采样光路，所述采样光路包括准直仪一和聚焦透镜；所述两束采样光源均通过所述待测样品两侧的采样光路中的准直仪一，再经过聚焦透镜后，给所述待测样品两侧提供所述采样光源，进行双侧面成像。
本发明一个较佳的实施例中，参考臂的一端与所述光纤耦合器一对应，所述参考臂的另一端引入参考光源，所述参考臂的另一端与所述回传装置对应，所述参考光源经过回传装置后将参考光源输入所述平衡光电探测器。
本发明一个较佳的实施例中，回传装置包括相对设置的一对准直仪和平面镜；所述参考光源引入所述回传装置后经过一组准直仪二和平面镜，再由相对的一组平面镜和准直仪二将所述参考光源引入所述平衡光电探测器。
本发明一个较佳的实施例中，一种扫频光学相干断层扫描成像系统的非透明材料厚度检测的方法：
步骤一，选择并校准对应的扫描成像系统，扫描成像系统选用dsv-oct系统，将待测样品定位放置在样品放置平台的姿态调整单元上；
步骤二，通过扫频光源给样品臂提供采样光源，给参考臂提供参考光源；对待测样品进行数据采集，数据采集采样光源穿过待测样品后输出的采样光源；
步骤三，通过dsv-oct系统中的样品臂、采样臂，以及样品放置平台的姿态调整单元配合进行b扫描或/和c扫描；通过pc机将回传的数据进行采集和处理；a扫描：对样品进行点测量;b扫描：实现光点在样品表面的一维线性扫描，获得扫描位置的横截面图；c扫描：实现光点在样品表面的二维区域扫描，获得扫描位置的三维结构图；
步骤四，pc机将处理的数据进行转化，计算样品厚度。
具体的，a扫描：对样品进行点测量，获取得到干涉光谱信号，通过信号处理可获得该样品测量点沿着深度方向的结构，这称之为a扫描。b扫描：通过姿态调整单元使得样品沿着x方向作匀速运动，从而实现光点在样品表面的一维线性扫描，对获取得到的数据进行处理，即可获得扫描位置的横截面图，这称之为b扫描。c扫描：通过姿态调整单元使得样品沿着x和y方向作匀速运动，从而实现光点在样品表面的二维区域扫描，对获取得到的数据进行处理，即可获得扫描位置的三维结构图，这称之为c扫描。
本发明一个较佳的实施例中，一种扫频光学相干断层扫描成像系统的非透明材料厚度检测的方法，步骤二中，所述样品臂将输出的采样光源创建成两束采样光源后，分别将两束采样光源对称引入所述待测样品的相对两侧后，与所述参考臂返回的参考光源分别通过光纤耦合器三耦合后，再输入所述平衡光电探测器，发生干涉产生干涉信号，再将所述干涉信号回传给pc机。
本发明一个较佳的实施例中，一种双视场光相干断层扫描成像系统的非透明材料厚度检测的方法，步骤四中，通过dsv-oct系统进行厚度测量，dsv-oct系统通过不透明材料的表面轮廓进行厚度测量，因此不受成像深度的限制；
实际厚度可以使用c扫描中两个表面轮廓之间的轴向间隙来计算；设在焦平面上存在一个厚度为0的虚拟反射面，则通过两个独立的采样光束显示的反射面将在b扫描中位于两个不同深度位置，深度分别定义为
焦平面与材料的中间平面略有偏离，因此左右表面会有一些偏移，深度分别为
其中，
本发明一个较佳的实施例中，一种双视场光相干断层扫描成像系统的非透明材料厚度检测的方法，步骤四中：
将厚度为d的材料放置在两个聚焦透镜之间，此时样品的放置会有两种方式；
方式一，焦平面在材料的内部，但与材料的中间平面略有偏离，因此左右表面会有一些偏移，左右表面都位于参考平面同一侧，深度分别为
其中，
方式二，样品放置的常见情况是焦平面不在材料内部，两个表面位于参考深度的不同侧；根据以下公式计算厚度：
公式(2)和(3)可以重新表述为相同的形式
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果：
本发明提供了一种新的具有可行性和有效性的用一种双视场光相干断层扫描成像系统进行不透明材料厚度测量的方法。通过对dsv-oct在载玻片上的性能进行了测评，并与传统光学oct进行了比较，结果表明dsv-oct保持了oct的成像能力，对不透明材料具有良好的厚度测量能力。本发明所设计的方案也适用于谱域光学相干断层扫描成像系统。
相比于现有的接触式测量方法，该方法有如下几点优势：1、本发明提出的方法是非接触式的，不会损伤材料表面。2、通过光学成像实现客观测量，可以减少人为主观因素的影响。
与现有非接触式的测量方法比较，该方法有如下几点优势：1、该方法是非侵入式的，能无损地检测出非透明材料的厚度。2、测量精度更高。3、不受材料本身表面粗糙度的影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是dsv-oct系统原理图；
图2双侧采样方案：（a）厚度为零的虚拟反射平面位于焦点处得到参考平面；（b）和（c）分别为焦平面位于厚度为d的样品内部和外部。
图3（a）~（c）分别是对应于图2（a）~（c）的对非透明材料的实际b扫描图像。
图4（a）dsv-oct焦平面在载玻片内部的b扫描；（b）dsv-oct焦平面在载玻片外部的b扫描。zls_a和zrs_a线分别表示左侧采样光束对载玻片的左表面和右表面的成像，zrs_b和zls_b线分别表示右侧采样光束对载玻片的右表面和左表面的成像,l线在实际测量中没有用到，它是光从左侧光束到右侧光束后被探测到的信号，或者是光从右侧光束到左侧光束后被探测到的信号，两个信号重合的。
图5用千分尺测得的厚度c曲线和用dsv-oct测得的厚度(焦点在样品内部a曲线和样品外部b曲线，以及用千分尺测得的厚度与dsv-oct测得的厚度差异(a-c曲线和b-c曲线)；
图6载玻片厚度差异的直方图和高斯拟合曲线；
图7（a）焦点位于不透明材料内部的3d表面轮廓图，面积为4mm×4mm；（b）对应于（a）中虚线标记区域的oct横截面图像；
图8（a）对应于图7（b）的上下表面轮廓图；（b）根据表面轮廓计算出的厚度曲线；
图9不透明材料的厚度结构图，焦平面在不透明材料内部；
图10(a)用dsv-oct对十层磨砂带进行成像;(b)图像融合后的十层磨砂带图像；
其中，1-pc机,2-平衡光电探测器,3-光纤耦合器一,6-光纤耦合器二,7-光纤耦合器三,51-准直仪一,52-准直仪二,4-平面镜,8-聚焦透镜,9-待测样品，10-扫频光源。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明专利，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例公开了为达到上述目的，一种双视场光相干断层扫描成像系统，包括带有数据采集功能的扫描成像系统，以及给扫描成像系统提供光源的扫频光源10，扫描成像系统采用dsv-oct系统，dsv-oct系统包括分别与扫频光源10对应衔接的样品臂和参考臂，扫频光源10分别给所述样品臂和参考臂提供采样光源或参考光源；样品臂还对应衔接有样品放置平台，样品放置平台包括定位待测样品9的姿态调整单元；样品臂与参考臂返回的光发生干涉形成干涉信号，干涉信号由平衡光电探测器2检测并回传给pc机1。
具体的，样品放置平台上还设置有用于放置待测样品9的姿态调整单元，姿态调整单元包括与检测系统连接的x轴电动位移平台，y轴电动位移平台，以及z轴手动平台。样品放置平台上与dsv-oct系统驱动连接。通过样品放置平台的x轴电动位移平台，y轴电动位移平台，以及z轴手动平台与dsv-oct系统中的样品臂和参考臂配合，通过创建两束对称的采样光束，实现了双侧面成像，为非透明材料厚度测量打下基础。
本发明一个较佳实施例中，扫频光源10的光源输出端设置有光纤耦合器一3，光纤耦合器一3将光源分为采样光源和参考光源两束，采样光源和参考光源分别引入样品臂和参考臂。扫频光源10优选扫频激光光源，扫频激光光源采用中心波长为1310纳米，波长范围为1249.4纳米到1359.6纳米。如图1所示。扫频激光光源发出的光通过50:50光纤耦合器被分成两束，其中50%作为采样光源进入样品臂，50%作为参考光源进入参考臂。
本发明一个较佳实施例中，待测样品9的两侧相对设置的采样光路，采样光路包括准直仪一51和聚焦透镜8；样品臂与样品放置平台对应的一端设置有光纤耦合器二6，光纤耦合器二6将采样光源创建成两束采样光源；两束采样光源均通过待测样品9两侧的采样光路中的准直仪一51，再经过聚焦透镜8后，给待测样品9两侧提供采样光源。光纤耦合器二6使用1×2光纤耦合器创建两个采样光束。两组相同的准直仪一51和聚焦透镜8在待测样品9的两侧对称放置。
本发明一个较佳实施例中，参考臂的一端与光纤耦合器一3对应，参考臂的一端引入参考光源，参考臂的另一端与回传装置对应，参考光源经过校准装置后将参考光源输入平衡光电探测器2。回传装置包括相对设置的一对准直仪二52和平面镜4；参考光源引入回传装置后经过一组准直仪二52和平面镜4，再由相对的一组平面镜4和准直仪二52将参考光源引入平衡光电探测器2。
本发明一个较佳实施例中，样品臂将输出的采样光源经过待测样品9后作为采样光源，与参考臂输出的参考光源，经由样品臂和参考臂反射回来的背向散射光分别通过光纤耦合器三7，型号为50/50的光纤耦合器发生干涉，并且干涉信号由平衡光电探测器2通过使用一对垂直放置的电动平移台固定样品以实现样品扫描，回传给pc机1，从而提供b扫描和c扫描。
本发明一个较佳实施例中，一种双视场光相干断层扫描成像系统的非透明材料厚度检测的方法，
步骤一，选择并校准对应的检测系统，检测系统采用扫描成像系统，扫描成像系统选用dsv-oct系统，将待测样品9定位放置在样品放置平台的姿态调整单元上；
步骤二，通过扫频光源10给样品臂提供采样光源，给参考臂提供参考光源；对待测样品9进行数据采集，数据采集采样光源穿过待测样品9后输出的采样光源；
步骤三，通过dsv-oct系统中的样品臂、采样臂，以及样品放置平台的姿态调整单元配合进行a扫描或/和b扫描或/和c扫描；本发明优选b扫描和c扫描。通过pc机1将回传的数据进行采集和处理；
步骤四，pc机1将处理的数据进行转化，计算样品厚度。
具体的，a扫描：对样品进行点测量，获取得到干涉光谱信号，通过信号处理可获得该样品测量点沿着深度方向的结构，这称之为a扫描。b扫描：通过姿态调整单元使得样品沿着x方向作匀速运动，从而实现光点在样品表面的一维线性扫描，对获取得到的数据进行处理，即可获得扫描位置的横截面图，这称之为b扫描。c扫描：通过姿态调整单元使得样品沿着x和y方向作匀速运动，从而实现光点在样品表面的二维区域扫描，对获取得到的数据进行处理，即可获得扫描位置的三维结构图，这称之为c扫描。
本发明一个较佳的实施例中，一种扫频光学相干断层扫描成像系统的非透明材料厚度检测的方法，步骤二中，所述样品臂将输出的采样光源创建成两束采样光源后，分别将两束采样光源对称引入所述待测样品9的相对两侧后，与所述参考臂返回的参考光源分别通过光纤耦合器三7耦合后，再输入所述平衡光电探测器2，发生干涉产生干涉信号，再将所述干涉信号回传给pc机1。
本发明一个较佳的实施例中，一种双视场光相干断层扫描成像系统的非透明材料厚度检测的方法，步骤四中，通过dsv-oct系统进行厚度测量，dsv-oct系统通过不透明材料的表面轮廓进行厚度测量，因此不受成像深度的限制；
实际厚度可以使用c扫描中两个表面轮廓之间的轴向间隙来计算；设在焦平面上存在一个厚度为0的虚拟反射面，则通过两个独立的采样光束显示的反射面将在b扫描中位于两个不同深度位置，深度分别定义为
焦平面与材料的中间平面略有偏离，因此左右表面会有一些偏移，深度分别为
其中，
本发明一个较佳的实施例中，一种扫频光学相干断层扫描成像系统的非透明材料厚度检测的方法，步骤四中：
将厚度为d的材料放置在两个聚焦透镜8之间，此时样品的放置会有两种方式；
方式一，焦平面在材料的内部，但与材料的中间平面略有偏离，因此左右表面会有一些偏移，左右表面都位于参考平面同一侧，深度分别为
其中，
方式二，样品放置的常见情况是焦平面不在材料内部，两个表面位于参考深度的不同侧；根据以下公式计算厚度：
公式(2)和(3)可以重新表述为相同的形式
实施例一
通过pc机1与dsv-oct系统中的样品臂，以及样品放置平台的姿态调整单元配合进行b扫描和c扫描，并实现数据采集与处理。pc机1中通过设置的数据采集卡以激光源提供的外部k时钟作为采样时钟将平衡探测器输出的信号进行模数转换，所获得的干涉光谱信号在波数空间等间隔均匀分布，并存入电脑内存，用于后续的傅立叶变换计算。数据采集程序建立在labview平台上，用来采集数据和控制电动平移台的移动，实现b扫描和c扫描。数据处理主要是通过对探测到的干涉信号进行光谱整形、傅立叶变换和去除固定模式噪声，从而把干涉信号转变成样品深度域的信号。
具体的，厚度计算。图2说明了dsv-oct系统进行厚度测量的机制。dsv-oct系统通过不透明材料的表面轮廓进行厚度测量，因此不受成像深度的限制。实际厚度可以使用同一c扫描中两个表面轮廓之间的轴向间隙来计算。如图2中（a）图所示，通过两个独立的采样光束显示的反射面将在b扫描中位于两个不同深度位置，深度分别定义为
然后，将厚度为d的材料放置在两个聚焦透镜8之间，此时样品的放置会有两种方式。图2（b）为焦平面在材料的内部，但与材料的中间平面略有偏离，因此左右表面会有一些偏移。左右表面都位于参考平面同一侧，深度分别为
其中，
另一种样品放置的常见情况是焦平面不在材料内部，两个表面位于参考深度的不同侧，如图2（c）所示，根据以下公式计算厚度：
公式(2)和(3)可以重新表述为相同的形式
在实验中，参考平面通过不放置任何样品的情况下，光束从样品臂中一侧出发由另一侧接收并最终被探测得到。该信号在oct图像上的深度位置作为参考平面，如图3（a）所示。
图3(b)和(c)为使用dsv-oct系统采集的硅胶模型的b扫描，对应于图2中（b）、（c）描述的两种情况。显然，从待测样品9的两侧只能成像非常浅的深度区域。因此，每个采样光束在单次b扫描中仅会产生一个表面轮廓。而且，两个表面在b扫描中成像的深度分布与图2中的理论预测一致。值得一提的是，在实验中由于电动平移台固有的特性，其驱动的样品运动具有从加速、匀速再到减速的过程。由于在加速和减速过程中收集的数据不均匀，因此每次b扫描仅保留相同匀速过程的数据。
本发明中dsv-oct系统在厚度测量中的准确性，使用厚度约1mm的透明载玻片作为样品，并比较使用dsv-oct系统和千分尺测量的厚度。图4中（a）图和图4中（b）图为dsv-oct对载玻片所成的图像。此处的参考平面与图3中（a）图一致。同时，两个采样光束都对载玻片的整个深度成像，这就可以解释dsv-oct的载玻片b扫描中存在四个表面。另外，在dsv-oct系统成像中，存在一条明亮的水平线，这是由于光在两个采样的光学元件之间单向传递形成的。
根据先前讨论的厚度理论计算载玻片的光学厚度。图4中（a）图~（b）图计算得出的厚度以及千分尺十次测量取平均得到的厚度如图5所示。总的来说,dsv-oct测量焦平面在内部的厚度(1.01mm±1.18μm)和在外部的厚度(1.01mm±1.14μm)与千分尺测量的平均厚度(1.01mm±1.6μm)基本一致。但是仍然存在一些细微的差异，通过图5中的厚度差异曲线可以使差异更加直观。从图5中可以清楚地看到，在3mm的全范围内，两种方法的不一致性接近于零。图6中的直方图说明了图5中测量误差的统计数据，a曲线是厚度差直方图的高斯拟合。焦平面在载玻片内部时，dsv-oct系统与千分尺之间的厚度差范围为-5.8~6.08µm，平均差异为0.4µm，标准差为1.18µm，高斯曲线的fwhm为2.2μm。焦平面在载玻片外部时，差异范围为-6.88~5µm，平均差异为-0.28µm，标准差为1.14µm，高斯曲线的fwhm为2.2µm。最后,假定每个测量的真实值在±ɛ的范围内概率是95%，定义ɛ为绝对精度，我们通过计算ɛ从而量化dsv-oct的性能。从图6中可以看出dsv-oct计算出的绝对精度结果大约为3μm。
实施例二
在实施例一的基础上，dsv-oct系统生成二维厚度图的能力。定制一个刻有圆形壁（内径：2mm，外径：3mm，高度：0.3mm）的1英寸不透明圆盘作为样品。用dsv-oct系统扫描了一个4mm的方形区域，扫描的原始3d图像如图7中（a）图所示。从三维图形可以清楚地看到两个表面的整体轮廓。图7中（b）图为图7中（a）图中虚线矩形框处的截面图像的示例。在计算厚度之前，用均值滤波以进一步降低噪声。图8中（a）图绘制了两个表面的轮廓，使用公式（4）计算出的材料厚度如图8中（b）图所示。厚度存在一些微小的波动，表明材料表面粗糙度不是很好。
此外，dsv-oct系统增加成像深度方面的潜力。图10中待测样品9是10层磨砂带。图10中(a)图为dsv-oct生成的10层磨砂带的图像。如图1所示，样品臂和参考臂都具有良好的信噪比。但样品臂中单侧的采样光路a和单侧的采样光路b最大扫描范围都不能成像超过靠近待测样品9的采样光路a或采样光路b的前5层。较佳实施例中，为了保证成像品质，使用时最好不要超过靠近待测样品9的采样光路a或采样光路b的前4层。因此，在待测样品9是10层磨砂带进行采样成像时。需要利用采样臂中位于待测样品9两侧的采样光路a和采样光路b分别从左右两侧对待测样品9即10层磨砂带进行采样。采样光路a和采样光路b分别获得从10层磨砂带左右两侧采样的图像，即图10中的(a)图，由于超过前5层以外侧图像相对模糊，因此将采样光路a的图像，与另一个对称翻转后的采样光路b的图像进行重叠，然后进行图像融合处理，即可获得10层磨砂带的采样的图像，整个磨砂胶带的十层图像即可清晰可见，如图10中(b)图。通过双侧设置的采样光路a或采样光路b进一步提升成像深度。
总的来说，结果表明开发的dsv-oct系统保持了oct的成像能力并可以提供不透明材料的厚度测量，并且dsv-oct系统还可以克服穿透深度和聚焦深度的限制，实现厚弱散射材料的全深度成像。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
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