基于光学相干层析成像的塑料薄膜厚度检测

1、题 目基于光学相干层析成像的塑料薄膜厚度检测目录摘要1Abstract2第一章 绪论31.1 课题背景及意义31.2 OCT技术简介及应用现状41.2.1 OCT技术发展简介41.2.2 OCT技术应用现状41.3 本文研究目的和主要研究内容6第二章 扫频OCT系统及算法设计72.1 频域OCT系统介绍72.2 扫频OCT系统搭建72.3 图像处理与厚度算法设计92.3.1 图像去噪102.2.2 图像二值化112.2.3 闭运算112.2.4 边缘检测112.2.5 厚度计算12第三章 实验及结果分析133.1 单层薄膜实验及结果133.2 多层薄膜实验及结果15第四章 总结与展望20参考文献21致谢22摘要非破坏性测试和评估（NDTE）以其独特的非侵入性的特点已经在工业生产上取得了广泛的应用。但是在微米级物品内部快速、非接触、非侵入性和高分辨率成像技术仍然稀缺。光学相干层析成像技术（OCT）作为一种新颖的NDTE工具受到了越来越多的关注。论文主要介绍了 OCT 技术，并根据实验要求在实验室完成扫频OCT系统搭建。使用扫频OCT系统分别对单层塑料薄膜、两层塑料薄膜以及三层塑料薄膜进行

2、扫描成像。通过对三幅图像进行图像处理，完成各层薄膜的边界提取，并根据像素与实际厚度的对应关系，完成塑料薄膜厚度的计算。并依据边界提取结果，对塑料薄膜的平整性进行定量可视化分析，突出了光学相干层析技术其无损性和高精度的特点，展现了光学相干层析成像技术对多层塑料薄膜各层厚度精确检测以及平整性检测方面有着广泛的应用前景。关键词：非破坏性测试和评估、光学相干断层扫描技术、薄膜厚度AbstractNon-destructive testing and evaluation (NDTE) has been widely used in industrial production with its unique non-invasive characteristics.But rapid, non-contact, non-invasive, and high-resolution imaging are still scarce in micron-sized objects.Optical coherence tomography (OCT) has attracted more and mor

3、e attention as a novel NDTE tool.1 the paper mainly introduces the OCT technology, and then completes the scanning of the OCT system in the laboratory according to the experiment requirements.The scanning image of single - layer plastic film, two - layer plastic film and three - layer plastic film were used.Through image processing of three images, the boundary extraction of each layer of film is completed, and the thickness of plastic film is calculated according to the corresponding relationsh

4、ip between the pixel and the actual thickness.And according to the results of boundary extraction, quantitative visualization analysis was carried out on the smoothness of plastic film, highlight its condition of the optical coherence tomography technique and the characteristics of high precision, showing the optical coherence tomography technology of multilayer plastic film thickness of each layer accurate detection and smoothness detection has a wide application prospect.Keywords: Optical cohe

5、rence tomography, thickness of the plastic film， non-destructive testing and evaluation 第一章 绪论1.1 课题背景及意义无损检测因为其独特性受到广泛的关注，逐步变成了工业发展必不可少的重要工具1。现阶段商品化的无损检测方法主要有有射线检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）和液体渗透检测（PT） 四种。其他无损检测方法如：涡流检测（ECT）、声发射检测（AE）、热像/红外（TIR）、泄漏试验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检验（MFL）、远场测试检测方法（RFT）、超声波衍射时差法（TOFD）等也取得了长足的进步。但是上述无损检测方法或无法做到精准检测或检测精度低。微米级无损检测技术仍然稀缺2。多层塑料薄膜在包装工业中应用普遍，常常用来保护物品不受环境影响。例如在食品包装中，为了达到不同的保护效果，工厂常常使用不同材质制成薄膜保护内部不受氧气的氧化。在吹制多层薄膜的生产过程中，生产线往往是多种薄膜一次挤压成型，直接产出多层薄膜。在挤压成型的过程中，保证各层厚度符合要求至关重要。

6、另一方面，从生产成本来看，有一些特殊的生产原料的价格极其高昂，任何材料的过量使用都会造成生产成本的提高。但是如果薄膜层太薄，规格无法满足要求，那么整个多层薄膜产本都将无法使用。为了确保在生产过程中产品符合规范，就需要进行在线质量控制，比如需要监测的参数包括各个层的厚度和均匀性，以及可能夹杂的空气或杂质等。在线质量监测必须是是非破坏性的，快速的，并且必须能够展现(半)透明的材料内部结构。现行的工业监测手法是用射线探照的方式来测量薄膜的整体厚度。然而，这种方法会产生大剂量的辐射，存在安全隐患，另一方面这种检测方式无法确定多层薄膜中每一层层薄膜的厚度。一般来说，单个层的厚度通常通过控制材料的重量来实现。也就是说，最终产品的质量控制，永远只在离线状态下进行。而且进行样本检测时，样品是从产品上直接剪出，以破坏性的方式如切片显微镜进行分析。这种方法一方面浪费时间，另一方面，往往在产品产出后的数小时之后才会得出结果。在检测的这段时间内，生产线上生产的多层薄膜的质量是未知的，很有可能检测过程中生产的产品都不合格。OCT非破坏性和非接触式的特性使该技术成为多层薄膜或涂层结构分析和质量监控的理想工具。如果

7、已知多层薄膜中的各层薄膜材料折射率，根据折射率的相关知识，人们就可以获得样品单层厚度的精确值。将OCT系统集成至生产线上，形成整套的自动控制系统，就能在实时监测多层薄膜各个层的厚度。1.2 OCT技术简介及应用现状1.2.1 OCT技术发展简介OCT技术的理论基础是早期的白光干涉测量法。1991年美国麻省理工的 DHuang和 J.G.Fujimoto 等人把白光干涉测量法与相干层析成像的概念相互结合，使用OCT技术完成了对视网膜以及冠状动脉壁进行成像3。此后，OCT技术得到了快速的发展，并且依据成像模式的不同，逐步发展出了多普勒OCT（ODT）、光谱OCT、差分吸收型OCT等多个种类。1996年，眼科OCT系统设备首次作为商业产品进入市场，商用OCT设备在医疗行业广泛被采用。目前世界各地的研究小组在不断地提高成像速度、探测深度、图像分辨率以及信噪比等方面取得了长足的进步。1.2.2 OCT技术应用现状2007年，Stifter发表了一份关于OCT在生物医学领域以外的应用的综合评价报告。此后OCT作为一种新颖的NDTE工具受到了越来越多的关注。越来越多的研究小组进一步的探索OCT可能的

8、应用方向。在众多国家中最新的研究方向包括：多层薄膜厚度的测量，药片生产，激光钻孔和微型机械设备引导，有机太阳能电池生产，以及艺术品保护。现在已经有几家公司和研究中心提供商业用OCT系统产品。这些系统的服务对象是在医疗部门和普通光学实验室之外的工业生产。一般来说，商用OCT系统设备中除了电脑外，所有的仪器设备都嵌入在一个单独的外壳中。这种轻量化的设计能够胜任多种检测需求，而且非常容易运输。但是在一些特殊情况下，需要为一个特定的目的来定制应用程序以及配套的OCT系统。在生物医学成像（如眼科、皮肤学）中，定制OCT系统已经是非常常见。然而，在NDTE的领域，仍然有待探索。目前为止，大部分的OCT系统都是为某一个固定功能开发使用的，因此成本相当昂贵。OCT是基于白光干涉测量（WLI）的物理原理。将光源发出的光线分成两束，一束发射到被测物体(比如塑料薄膜)，这段光束被称为信号臂。另一束发射到参照反光镜，称为参考臂。然后把从样品(信号臂)和从反光镜(参考臂)反射回来的两束光信号叠加。当信号臂和参考臂的长度一致时，就会发生干涉。从组织中反射回来的光信号随组织的形状而显示强弱。由于采用了干涉检测方案，

9、OCT检测方法非常适合于图像分层和观察样品微观结构。图像的对比是由于样品材料的折射率的不同形成的，因此，OCT相比于其他高分辨率成像技术如超声波、X射线计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等提供了更加丰富的信息4。和以往的影像学技术相比，光学相干断层扫描技术主要有如下优点：无损性，一般的OCT系统的光源选择一般是近红外线。这种光对人体的组织几乎无害；断层成像，根据干涉的原理实现断层成像，可获得丰富的多维度组织断层信息，进一步扩大了成像的深度；高分辨率，OCT技术结合了半导体和超快激光技术，利用超灵敏探测、精密自动控制和相干选通门等方法，通过计算机数字信号和图像处理，使其最高分辨率可达1020m；易小型化，OCT系统使用光纤作为光的载体，极易做成细小的光学探测装置，方便携带5。OCT技术最早应用于眼科学应用领域，它对黄斑部疾病的诊断有重要应用价值，很多眼底病的发生和发展都与黄斑区血管丢失相关。例如，糖尿病视网膜病变引起的黄斑区血管丢失是视力丧失的主要原因6。随着OCT技术不断发展，其在医疗行业展现了惊人的活力。特别是在血管成像以及病理检测方面。目前为止最具有发展前景以及最重要的应用之一是探测软组织的早期癌变。借助 OCT技术，极大满足了医生在软组织病理检查的需求，加快了诊断效率；另一方面，通过大量的临床实践，OCT用于临床研究癌症治疗的技术越来越成熟。随着技术的发展，除了在医学领域，OCT 技术正在向其他领域推进。植物光子学和食物组织分析方面，人们通过对苹果果实的表皮进行OCT扫描，实时监测苹果皮的质量和厚度，通过探究苹果皮与外界空气的交互，探究新型的果实存储和防病虫害的方法。在激光切割领域，人们一般很难掌握切割深度。如果客户对于对切割深度有特殊要求，一般很难生产出符合要求的产品。然而通过OCT对切割过程进行扫描，测算切割深度，让切割深度精度可控成为可能。最新的相关研究都强调了OCT对激光微加工的动态效

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