CN115541599B - 基于光学相干层析的缺陷检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光学相干层析的缺陷检测方法及系统，包括：通过表面设置有半透半反射膜的一维振镜，将第一光源发出的测量光反射至扫描透镜，测量光通过扫描透镜照射在被测物上；通过第二光源输出的光照射在被测物上；从被测物反射的反射光依次通过扫描透镜进入一维振镜，通过半透半反射膜将反射光中的测量光反射并与参考光相干干涉，得到光学相干层析结果，通过半透半反射膜透射反射光中第二光源输出的光；将透射的第二光源输出的光汇聚至成像装置进行成像；通过光学相干层析结果进行缺陷检测，用成像的结果进行实时监测、参考。本发明既可分析待测样品的深度信息，又可直观对样品表面进行成像，使其可以满足更多不同类型的检测场景。

Description

基于光学相干层析的缺陷检测方法及系统

技术领域

本发明涉及测量、测试中的缺陷检测领域，具体地，涉及一种基于光学相干层析的缺陷检测方法及系统，可应用于光学相干层析技术中的多个技术领域，包括光谱OCT、扫频OCT、时域OCT等。

背景技术

近代以来，随着光学成像技术的不断发展，市场对于工业质检的需求不断扩大，传统工业相机取图模式已不满足于当下不同类型的检测场景。究其原因在于，使用传统工业相机加工业光源相组合的模式进行产品表面的质检往往会在不同机台间产生台间差，且现场工程师的调试经验也会对成像效果带来影响，导致人为误差较大，且对于一些如凹坑、凸起、异色、磨痕印等人眼直观较难分辨的缺陷则主要依赖于光源的选择及其对应的打光角度。

OCT（Optical Coherence Tomography）光学相干断层扫描是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术，特别是在生物组织活体检测和成像方面具有广阔的应用前景，具有大视场、高分辨率、无接触式、快速成像等特点。OCT的基本工作原理与迈克尔逊干涉仪类似，是将一束具有一定谱线宽度的光束通过分光镜等光学元件分为两束，一束作为测量光，另一束作为参考光；其中，测量光入射到达待测样品不同深度的表面并发生反射，而参考光通过微调其光程来产生不同大小的延迟，两束光在进行合光后会发生干涉，不同的延迟量则对应于被测样品的不同深度，再将这些干涉信号进行收集，通过后期算法处理便可得到不同深度层面的信息。

专利文献CN102901615A公开了基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法及装置。该方法包括：将被测光纤环固定在一个旋转机构上；将光学相干断层扫描系统探头垂直固定于被测光纤环上方；以光纤环圆心为旋转轴旋转该光纤环，同时光学相干断层扫描系统的扫描探头对被测光纤环沿着被测光纤环轴向进行一维扫描，从而获得被测光纤环的OCT信息；根据OCT信息，进行三维图像重建，通过重建图像判断该被测光纤环表面及表面以下是否存在缺陷，并根据图像的不均匀位置对缺陷进行定位，以消除缺陷。该方法利用OCT检测光纤环成品的质量以及绕制过程中产生的绕制缺陷，可以有效提高各种使用光纤环的角度传感器的精度。但其操作较为复杂，需保证光纤环旋转的同时使用光学相干断层扫描的扫描头对其进行扫描，且该装置的检测对象主要是光纤环，检测范围较为单一。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于光学相干层析的缺陷检测方法及系统。

根据本发明提供的一种基于光学相干层析的缺陷检测方法，包括：

测量光提供步骤：通过表面设置有半透半反射膜的一维振镜3，将第一光源发出的测量光反射至扫描透镜5，测量光通过扫描透镜5照射在被测物上；

光场提供步骤：通过第二光源6输出的光照射在被测物上；

干涉、汇聚步骤：从被测物反射的反射光依次通过扫描透镜5进入一维振镜3，通过所述半透半反射膜将反射光中的所述测量光反射并与参考光相干干涉，得到光学相干层析结果，通过所述半透半反射膜透射反射光中所述第二光源6输出的光；

成像步骤：将透射的所述第二光源6输出的光汇聚至成像装置8进行成像；

缺陷检测步骤：通过所述光学相干层析结果进行缺陷检测，用成像的结果进行实时监测、参考。

优选地，所述第一光源输出的光通过外接光纤耦合进入所述一维振镜3，并通过光纤准直器1对所述第一光源进行准直。

优选地，所述第一光源输出的光入射至所述一维振镜3的轴心。

优选地，所述扫描透镜5和所述一维振镜3枢纽点间的距离与所述扫描透镜5自身的扫描距离相等。

优选地，通过成像透镜7将透射的所述第二光源6输出的光汇聚至成像装置8进行成像；

所述成像透镜7和所述成像装置8之间具有预设距离，所述预设距离能够使得各视场的光在到达所述成像装置8感光面处的RMS值最小。

优选地，所述半透半反射膜包括双色介质膜。

优选地，所述第二光源输出的光包括绿光。

根据本发明提供的一种基于光学相干层析的缺陷检测系统，包括：第一光源、一维振镜3、扫描透镜5、第二光源6、成像透镜7和成像装置8；

所述扫描透镜5和所述成像透镜7分别位于所述一维振镜3两侧的光轴上，所述成像装置8位于所述成像透镜7外侧，所述一维振镜3的振镜表面设置有对所述第一光源波长反射，且对所述第二光源6波长增透的半透半反射膜；

所述第一光源输出的光通过所述一维振镜3反射进入所述扫描透镜5后，照射在被测物上，所述第二光源6输出的光照射在被测物上；

从被测物反射的所述第一光源的光通过所述扫描透镜5进入所述一维振镜3反射，与测量臂的测量光相干干涉，得到光学相干层析结果；从被测物反射的所述第二光源6的光依次透过所述扫描透镜5、所述一维振镜3和所述成像透镜7汇聚进入所述成像装置8参与成像；

所述基于光学相干层析的缺陷检测系统通过所述光学相干层析结果进行缺陷检测，用成像的结果进行实时监测、参考。

优选地，所述第一光源输出的光通过外接光纤耦合进入所述一维振镜3，并通过光纤准直器1对所述第一光源进行准直；

所述扫描透镜5和所述一维振镜3枢纽点间的距离与所述扫描透镜5自身的扫描距离相等；

所述成像透镜7和所述成像装置8之间具有预设距离，所述预设距离能够使得各视场的光在到达所述成像装置8感光面处的RMS值最小；

所述第二光源6包括环形光源，所述环形光源同轴设置在所述扫描透镜5的外周；

所述第二光源输出的光包括绿光。

优选地，还包括：

工作台10，用于放置被测物；

立柱12，连接在所述工作台10上，所述基于光学相干层析的一维扫描成像系统滑动连接在所述立柱12上；

保护板，设置于所述一维振镜3的轴心四周。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过采用对振镜表面镀有半透半反膜的方式，对被测物品表面既可以进行扫描，又可以进行成像，达到实时监控的效果。

2、通过在扫描透镜外径表面固定的环形光源的方式，给被测物品提供一个稳定的光场，以此对待测样品进行监控成像，由被测物品表面反射的两种光源分别由振镜反射，与参考臂的另一束光（参考光）发生相干干涉，并透过振镜参与成像。这样设计的优势在于既可分析待测样品的深度信息，又可直观对样品表面进行成像，使其可以满足更多不同类型的检测场景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的光路原理图；

附图标记：

1-光纤准直器；2-光学调整架；3-一维振镜；4-振镜支架；5-扫描透镜；6-第二光源；7-成像透镜；8-成像装置；9-粗微调旋钮；10-工作台；11-焦距调整架；12-立柱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于光学相干层析的缺陷检测方法，包括：

测量光提供步骤：通过表面设置有半透半反射膜的一维振镜3，将第一光源发出的测量光反射至扫描透镜5，测量光通过扫描透镜5照射在被测物上。

光场提供步骤：通过第二光源6输出的光照射在被测物上。

干涉、汇聚步骤：从被测物反射的反射光依次通过扫描透镜5进入一维振镜3，通过所述半透半反射膜将反射光中的所述测量光反射并与参考光相干干涉，得到光学相干层析结果，通过所述半透半反射膜透射反射光中所述第二光源6输出的光。

成像步骤：将透射的所述第二光源6输出的光汇聚至成像装置8进行成像。

缺陷检测步骤：通过所述光学相干层析结果进行缺陷检测，用成像的结果进行实时监测、参考。

实施例2

如图1所示，本实施例是在实施例1的基础上提供的一种基于光学相干层析的缺陷检测系统，所述系统可以通过执行所述方法的流程步骤予以实现。所述系统包括：第一光源、一维振镜3、扫描透镜5、第二光源6、成像透镜7和成像装置8。扫描透镜5和成像透镜7分别设置于一维振镜3两侧的光轴上，成像装置8位于成像透镜7外侧，一维振镜3的振镜表面设置有对第一光源波长反射，且对第二光源6波长增透的半透半反射膜，如双色介质膜。

如图2所示，本发明的工作原理如下：

第一光源输出的光通过一维振镜3反射进入扫描透镜5后，照射在被测物上，第二光源6输出的光照射在被测物上。从被测物反射的第一光源的光通过扫描透镜5进入一维振镜3反射，与参考臂的参考光相干干涉，从被测物反射的第二光源6的光透过扫描透镜5、一维振镜3、成像透镜7进入成像装置8参与成像。在本实施例中，成像透镜7为依次设置的平凹透镜、双胶合透镜的透镜组合。双胶合透镜的作用在于：1.将被测样品反射回的光聚焦至成像装置8的CMOS感光面上，从而进行成像；2.由于第二光源6的中心波长带宽较大，选用双胶合透镜也可以很好的消除系统中的色差。平凹透镜的作用在于：由于仅使用两个双胶合透镜对系统进行成像，模拟出系统的正球差较大，因此在双胶合透镜的前面加入一片平凹透镜以减小系统的球差，从而改善成像质量。但在其他实施例中，也可以是其他的结构，比如双凸透镜，本发明对此不做限制。

通过所述光学相干层析结果进行缺陷检测，用成像的结果进行实时监测、参考。

第二光源6对被测物提供一稳定的光场，以此对被测物进行监控成像。此外，在振镜表面镀有双色介质膜以此来对光源进行选择，使得不同中心波段的光线在振镜表面发生透射或反射。这样设计的优势在于既可分析待测样品的深度信息，又可直观对样品表面进行成像，使其可以满足更多不同类型的检测场景。

实施例3

如图1所示，在实施例1、2的基础上，本实施例提供的一种基于光学相干层析的缺陷检测设备，包括：光纤准直器1、光学调整架2、一维振镜3、振镜支架4、扫描透镜5、第二光源6、成像透镜7、成像装置8、粗微调旋钮9、工作台10、焦距调整架11、立柱12。

第一光源选择中心波长为830nm，带宽为±30nm的SLED光源，其所发射出的光线通过一外接光纤耦合进入一维振镜3，并通过一接口类型为FC/APC的光纤准直器1将光源进行准直，由此得到一束光斑直径为8mm左右的准直光束。使用一转接件对光纤准直器1进行固定，并于同轴位置处放置一光学调整架2来微调光束的倾斜角度，以保证出射的准直光束能够正好入射到一维振镜3的轴心位置，实现光束对准。

一维振镜3通过自带的伺服驱动板控制扫描电机带动振镜实现角度的倾斜，振镜初始倾斜角度为45°，准直光束在入射至振镜表面时会发生反射，由此改变光束的传播方向，使得光束沿系统轴线方向传播。通过电机控制，可以满足振镜沿轴线方向±7°的倾斜，整个振镜通过振镜支架4进行固定。

一维振镜3振镜表面镀有对SLED光源波长高反，且对环形光源波长增透的双色介质膜，以此保证从待测物表面反射的波长为830nm的准直光束可以按原光路返回，与参考臂的参考光进行相干干涉，而从待测物表面反射的中心波长为530nm的环形光可以透过振镜镜片继续向前传播参与成像。通过所述光学相干层析结果以及成像的结果对被测物进行缺陷检测。

扫描透镜5选择远心扫描透镜，与一维振镜3配合，入射在扫描透镜入瞳方向上的准直光束扫过某个角度范围，以保证在远心扫描透镜的视场范围内能够移动被测物表面上的光斑位置，使得透过扫描透镜的聚焦光束能够在被测物表面的每个扫描位置处产生均匀的光斑尺寸，以确保整个被测物上的成像分辨率几乎不变，由此得到高质量的图像。

使用一标准笼板来固定并加持扫描透镜5，通过调节扫描透镜与一维振镜的相对位置，使得扫描透镜安装平面与一维振镜枢纽点间的距离与扫描透镜本身设计的扫描距离相等。

于扫描透镜5外径表面固定一中心波长为530nm的第二光源6（环形光源），其谱线宽度为20nm。由环形光源发出的绿光照射被测物的表面，可为后者提供一个稳定且均匀的光场，经由被测物表面反射回的绿光透过一维振镜向前传播，参与成像。

成像透镜经过一同轴系统垂直安装板进行固定，通过调整成像透镜与成像装置8间的距离，使得各个视场的光束在最终达到成像装置8感光面处的RMS值最小，以此保证所拍的成像质量。成像装置8采用黑白相机，包括黑白面阵相机模组，285W有效像素，工作温度范围为0-65℃。

被测物可滑动设置于固定焦距调整架11的立柱12上，其尺寸为320mm*260mm，通过调焦旋钮来对整个扫描系统的焦距进行粗微调，旋钮表面有刻线标记，调焦精度为2µm，调焦行程为65mm。立柱12固定在工作台上，工作台上用于放置被测物。此工作台也可设置成二维或三维平移台对被测物进行移动。

由于测量臂系统中存在两种不同波段的光源，在一维振镜的表面镀有双色介质膜，以此来对不同波长的光线进行选择，使得830nm波段的近红外光线经振镜表面反射，按原光路返回与参考臂的光线发生干涉，同时，530nm波段的绿光则透过振镜向前传播，由相机感光面接收参与成像。

为提高系统光源到达被测样品表面的光强，需确保经光纤准直器准直后的系统光束直径与所选振镜本身的尺寸相匹配，并确保在振镜倾角的范围内，通过振镜表面的光束始终与振镜的轴心相重合。

为避免测试环境中的灰尘、颗粒等脏污附着于振镜表面的双色介质膜上，对系统的测试结果造成干扰，在一维振镜的轴心四周加固有保护板，以此来减小震动、灰尘对测试结果的影响；为达到最好的扫描及成像效果，同时兼顾整个系统的装配稳定性，系统中各个光学元件间的距离精确计算。

实施例4

在实施例1或实施例2的基础上，根据本发明提供的一种基于光学相干层析的缺陷检测系统的构建方法，构建方法包括：

在扫描透镜5的扫描距离处设置一维振镜3，在扫描透镜5的另一侧设置成像透镜7和成像装置8，如图2所示，其中的扫描镜头和螺纹安装面均为扫描透镜5的组成部分，扫描距离（scanning distance)定义为螺纹安装面到入瞳（即一维振镜）的距离，需根据螺纹安装面的位置来确定一维振镜的位置。通过仿真软件ZEMAX设置不同的视场来模拟一维振镜3的旋转，并确定成像透镜7与成像装置8的距离，使得由被测物表面反射的不同视场的可见光（图中的三束光）最终到达成像设备的CMOS感光面，并对待测样品进行成像。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于光学相干层析的缺陷检测方法，其特征在于，包括：

测量光提供步骤：通过表面设置有半透半反射膜的一维振镜（3），将第一光源发出的测量光反射至扫描透镜（5），测量光通过扫描透镜（5）照射在被测物上；

光场提供步骤：通过第二光源（6）输出的光照射在被测物上；

干涉、汇聚步骤：从被测物反射的反射光依次通过扫描透镜（5）进入一维振镜（3），通过所述半透半反射膜将反射光中的所述测量光反射并与参考光相干干涉，得到光学相干层析结果，通过所述半透半反射膜透射反射光中所述第二光源（6）输出的光；

成像步骤：将透射的所述第二光源（6）输出的光汇聚至成像装置（8）进行成像；

缺陷检测步骤：通过所述光学相干层析结果进行缺陷检测，用成像的结果进行实时监测、参考。

2.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的缺陷检测方法，其特征在于，所述第一光源输出的光通过外接光纤耦合进入所述一维振镜（3），并通过光纤准直器（1）对所述第一光源进行准直。

3.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的缺陷检测方法，其特征在于，所述第一光源输出的光入射至所述一维振镜（3）的轴心。

4.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的缺陷检测方法，其特征在于，所述扫描透镜（5）和所述一维振镜（3）枢纽点间的距离与所述扫描透镜（5）自身的扫描距离相等。

5.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的缺陷检测方法，其特征在于，通过成像透镜（7）将透射的所述第二光源（6）输出的光汇聚至成像装置（8）进行成像；

所述成像透镜（7）和所述成像装置（8）之间具有预设距离，所述预设距离能够使得各视场的光在到达所述成像装置（8）感光面处的RMS值最小。

6.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的缺陷检测方法，其特征在于，所述半透半反射膜包括双色介质膜。

7.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的缺陷检测方法，其特征在于，所述第二光源输出的光包括绿光。

8.一种基于光学相干层析的缺陷检测系统，其特征在于，包括：第一光源、一维振镜（3）、扫描透镜（5）、第二光源（6）、成像透镜（7）和成像装置（8）；

所述扫描透镜（5）和所述成像透镜（7）分别位于所述一维振镜（3）两侧的光轴上，所述成像装置（8）位于所述成像透镜（7）外侧，所述一维振镜（3）的振镜表面设置有对所述第一光源波长反射，且对所述第二光源（6）波长增透的半透半反射膜；

所述第一光源输出的光通过所述一维振镜（3）反射进入所述扫描透镜（5）后，照射在被测物上，所述第二光源（6）输出的光照射在被测物上；

从被测物反射的所述第一光源的光通过所述扫描透镜（5）进入所述一维振镜（3）反射，与参考臂的参考光相干干涉，得到光学相干层析结果；从被测物反射的所述第二光源（6）的光依次透过所述扫描透镜（5）、所述一维振镜（3）和所述成像透镜（7）汇聚进入所述成像装置（8）参与成像；

所述基于光学相干层析的缺陷检测系统通过所述光学相干层析结果进行缺陷检测，用成像的结果进行实时监测、参考。

9.根据权利要求8所述的基于光学相干层析的缺陷检测系统，其特征在于，所述第一光源输出的光通过外接光纤耦合进入所述一维振镜（3），并通过光纤准直器（1）对所述第一光源进行准直；

所述扫描透镜（5）和所述一维振镜（3）枢纽点间的距离与所述扫描透镜（5）自身的扫描距离相等；

所述成像透镜（7）和所述成像装置（8）之间具有预设距离，所述预设距离能够使得各视场的光在到达所述成像装置（8）感光面处的RMS值最小；

所述第二光源（6）包括环形光源，所述环形光源同轴设置在所述扫描透镜（5）的外周；

所述第二光源输出的光包括绿光。

10.根据权利要求8所述的基于光学相干层析的缺陷检测系统，其特征在于，还包括：

工作台（10），用于放置被测物；

立柱（12），连接在所述工作台（10）上，所述基于光学相干层析的一维扫描成像系统滑动连接在所述立柱（12）上；

保护板，设置于所述一维振镜（3）的轴心四周。

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