CN110196021A - 基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度及其应用，所述的方法包括以下步骤：搭建光学相干断层扫描成像（OCT）测试***；使用OCT***对样品材料进行深度方向和表面的二维横截面进行扫描，并最终获得被测对象的三维扫描图；将所获得的三维扫描图进行降噪处理后，转换成二进制图像，之后采用边缘跟踪法分割涂层的上下边界，计算涂层的厚度。所述的方法不仅能够实现对涂层的无损自动检测，而且该方法能够实现快速、准确、大范围的测量涂层的厚度。可应用于测量薄膜涂层的厚度包括印刷电路板表面的三防漆、着色聚合物涂料、瓷器保护涂层、等离子喷涂陶瓷、生物可降解复合涂层、清漆涂层、透明或半透明药片薄膜涂层。

Description

基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度及其应用
技术领域
本发明属于基于图像分析的检测领域，具体涉及一种基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度及其应用。
背景技术
光学相干断层扫描成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种低相干光学干涉成像技术。该技术通过干涉的方法测量材料内不同深度散射/反射回来的光信号，从而实现对材料内部进行三维成像。根据其成像机理，该技术非常适合对多层结构进行成像和厚度测量。这种成像技术具有非破坏性，快速和高灵敏度的优点。OCT最初是为医学应用而发明的，目前已成功发展成为眼科疾病的常规检查和诊断方法。同时，OCT在其它临床领域，如皮肤病学，心脏病学，肠胃病学等领域展现出巨大潜力。近些年，OCT在工业无损检测中的应用也得到了长足的发展，特别是各种工业材料和产品的厚度测量，如汽车涂料，蛋壳和多层箔片。另外，OCT也被用于检测玉石，硅集成电路，工业陶瓷等。我们的近期研究发现OCT能够通过印刷电路板表面三防漆涂层进行三维成像，从而实现对涂层厚度的测量。
例如：印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)在汽车、消费电子、工业和通讯等领域都有广泛的应用，这就要求印刷电路板能够在各种环境中正常工作，包括高温、高湿和腐蚀性等恶劣环境。在实际使用中，一般通过对印刷电路板表面涂一层三防漆来确保印刷电路板能够在上述恶劣条件能够正常工作或者延长其使用寿命。三防漆涂层一般是一种厚度为几十到几百微米的薄层，通常由合成树脂或塑料制成。三防漆涂层可以保护PCB使其免受电气，机械和化学等恶劣环境的影响，如湿气，灰尘，机械应力，热应力，腐蚀，溶剂，化学蒸气等。因此，三防漆已被广泛用于提高PCB的可靠性和寿命，特别是在汽车，航空电子和军用电子产品中。为了确保有效的保护，需要对三防漆涂层的质量进行严格控制，其中三防漆厚度是三防漆涂层质量好坏的一个重要指标。涂层厚度的不均匀性会导致其保护能力的下降，同时，涂层厚度需要在标准范围之内，但是涂层在喷涂后并不能确定其厚度，需要固化后进行检测。因此对于三防漆厚度测量是非常必要的。目前三防漆厚度测量方法包括非破坏性和破坏性。一种简单的非破坏性方法是使用千分尺直接测量，但需要在未涂覆的PCB上进行测量作为基准。近红外光谱仪，拉曼光谱仪，β反向散射法也非破坏测量方法，但测量方式不直接，同时无法测量涂层分布的均匀性。超声技术和声波显微镜也是无损检测方法，但是需要将被测物体浸泡在液体中，同时分辨率低。至于破坏性测量，常见的方法是切割PCB，然后在显微镜下观察其横截面从而实现厚度的测量。这种方法由于其破坏性只能在抽样检查的基础上进行；而且这种方法也很耗时，并且会受到人为操作的误差影响。除了上述缺点之外，上述非破坏性测量和破坏性测量方法仅适用于点测量而非区域性的测量。然而，在工业实践中，需要区域扫描来评估保形涂层的覆盖度和均匀性，这是决定保护效果的另外两个关键因素。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于光学相干断层扫描成像技术测量漆涂层厚度及其应用。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，包括以下步骤：
搭建光学相干断层扫描成像(OCT)测试***，通过从OCT测试***的光源端所发出激光被分成两束，分别照射至参考臂和样品臂，从参考臂和样品臂反射回来的光束发生干涉，获取干涉光谱信号；
使用OCT***中的光谱仪对干涉光谱信号进行测量，包括对干涉光谱信号进行逆傅里叶变化获得所测量的位置沿深度方向的反射率轮廓，和采用光束对被测对象表面进行扫描并获得二维横截面图并结合所获得的沿深度方向的反射率轮廓获得被测对象的三维扫描图；
将所获得的三维扫描图进行降噪处理后，转换成二进制图像，之后采用边缘跟踪法分割涂层的上下边界，计算涂层的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述的光谱仪采集的是像素或波长空间的干涉光谱，通过校准将输出的干涉光谱转换成波数空间的干涉光谱。
作为本发明的进一步改进，所述的校准方法包括：将空间的干涉光谱通过希尔伯特变换提取重映射向量，之后通过线性差值获得波数空间的干涉光谱；或者，通过采用线性回归进行色散补偿获得波数空间的干涉光谱。
作为本发明的进一步改进，所述的降噪方法包括均值滤波法和高斯滤波法。
作为本发明的进一步改进，采用边缘跟踪法对二进制图像分割涂层的上下边界的过程包括：
以第一个像素作为起始点标记强度1，按纵向或横向两个方向逐个比较邻域中像素的强度，并将邻域中包含强度为0的像素点选取成跟踪点，最终所获得的所有的跟踪点连接起来，确认上下边界。
作为本发明的进一步改进，所搭建的OCT***中的激光源所发射的光谱范围为770-950nm。
应用以上所述的基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，应用于测量薄膜涂层的厚度包括印刷电路板表面的三防漆、着色聚合物涂料、瓷器保护涂层、等离子喷涂陶瓷、生物可降解复合涂层、清漆涂层、透明或半透明药片薄膜涂层，所测量的薄膜涂层厚度为微米级到毫米级。
本发明的有益效果：本发明通过超高分辨率光学相干断层扫描成像技术不仅能够实现对涂层的无损自动检测，而且该方法能够实现快速、准确、大范围的测量涂层的厚度。
附图说明
图1为本发明中所搭建的OCT***的结构图；
图2(a)和图2(b)为本发明的一种实施例中将三防漆涂覆在两种具有不同结构的印刷电路板的结构示意图；
图3(a)和图3(b)为与图2(a)和图2(b)相对应的获得的OCT横截面图像；
图4为对图像的处理过程图：(a)原始OCT横截面图像，(b)降噪处理的图像，(c) 二进制图像，(d)通过边缘追踪产生的三防漆涂层上边界的封闭包络线，(e)通过边缘追踪产生的三防漆下边界和下层区域的包络线，(f)检测到的顶部三防漆涂层和底部边界；
图5(a)为本专利的实施例中所采用的PCB照片，图5(b)为图5(a)所显示的矩形框区域内的正面俯视图；
图6为采用两种不同的方法测试涂层的厚度，图6(a)采用的是OCT技术，图6(b) 采用的是显微镜技术；
图7为采用两种不同方法获得的涂层厚度分布图和涂层厚度差别图；
图8为图7(b)中厚度差的分布直方图和拟合的高斯曲线图；
图9为采用本发明的OCT技术生成的涂层厚度图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明中以测量印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)上的三防漆涂层的厚度为例进行具体说明。如图5所示，本实施例中选取的印刷电路板上喷涂了Peters公司生产的三防漆层，选取图5(a)中的矩形方框区域进行扫描，得到对应的图5(b)的投影图，并对图5(b)进行图像。
所使用的测试方法主要包括3个步骤：超高分辨率OCT***设计和开发、数据采集与处理、图像边缘提取及厚度计算。具体描述如下：
(1)搭建超高分辨率OCT的测试***，获得干涉光谱信号
如图1所示本发明所设计的超高分辨率OCT测试***主要由超连续激光光源，样品臂，参考臂，数据采集卡，光谱仪(Spectrometer)组成。激光光源的中心波长是810nm，半峰值带宽180nm，输出功率15.6mW。从光源出来的光经过分光镜分为两部分，一部分进入参考臂，一部分进入样品臂。所述的参考臂中通过依次设置的L2、L3和L4组成的透镜组件照射到参考镜(RM)上，所述的样品臂通过依次设置的L5、L6和L7组成的透镜组件照射到样品(Sample)上。从参考臂和样品臂返回的光被重新组合到相同的单模光纤 (SMF)，互相发生干涉，最终耦合到光谱仪。参考臂和样品臂采用了同样的光学透镜组 (L2和L5,L3和L6,L4和L7)，目的在于最小化色散。在样品臂上还设置了X-Y扫描振镜(GS)实现光束扫描，光束扫描的轨迹由数据采集卡产生模拟电压信号(AO)来控制。
OCT形成的干涉光谱信号是由一个自主设计的光谱仪来探测。光谱仪是由一个准直透镜(L9)，一个衍射光栅(Grating)，一个成像镜头(CL)，和一个线阵相机(LSC)组成。线阵相机探测到的信号通过12位图像采集卡(IMAQ)转换为数字信号并存储到电脑中。
(2)OCT信号处理和图像重建
在基于光谱仪的OCT中，干涉光谱在探测器像素空间(n-空间(n-space)均匀分布，其中n是探测器像素的指数)被采样，而不是在波数空间(k-空间)等间隔均匀分布。所以，测量得到的干涉光谱需要在进行逆傅里叶变换之前重新采样，从而使其在波数空间等间隔均匀分布。本专利中，我们采用的像素空间到波数空间转换的校准方法是：当使用单个反射镜作为样品时，OCT应当在k-空间生成完美的正弦干涉图，因此可以找到映射矢量来重新映射n-空间原先不完美的干涉图。具体来说，校准方法包括两个主要步骤：首先，在不同光程长度上记录两个干涉图，随后通过希尔伯特变换提取重映射向量，然后通过线性插值获得k-空间干涉光谱；其次，采用线性回归来实现色散补偿过程，以获得期望的k- 空间干涉光谱。
完成光谱信号从波数空间到k-空间转换后，就可以对干涉光谱信号进行逆傅里叶变化来获得横截面图像(B-扫描)。将多个横截面图像组合在一起就可以产生三维(3D)图像。
(3)图像边缘提取及厚度计算
如图2(a)所示，PCB通常是多层结构，在三防漆的下边通常有一层阻焊层，在有些区域阻焊层下边还有一层铜箔线路(如图2(b))。由于OCT成像深度较浅，通常对上面所述的这两层或者三层的结构成像。三防漆与相邻涂层之间的折射率的不连续性会导致三防漆在OCT成像时通常会显示出两个不同的边界，如图3所示。我们利用这两个边界并通过以下的算法对三防漆的厚度进行计算测量，具体的过程如下。
首先，将所获得的原始的OCT横截面图像(如图4(a))使用均值滤波法和高斯滤波法对图像进行降噪处理得到降噪后的图像(如图4(b))；然后，将每张图像都转换成二进制图像(如图4(c))；最后采用边缘跟踪法分割涂层的上下边界。
以图4(c)为例采用边缘跟踪法分割涂层的上下边界的过程为：按从上到下遍历左侧第一列中的每个像素，将选区强度为1的第一个像素用作起始点，然后采用如下策略进行边缘跟踪。具体的为(1)从左侧第一列中选区强度为1的第一个像素用作起始点，依次在邻域中找到强度为1的像素点；(2)在上述强度为1的像素点中选取下一个跟踪点，选择的条件是其该像素点的邻域中包含强度为0的像素点；(3)重复上述过程。该跟踪过程最终产生如图4(d)所示的封闭包络。将包络的中间设定为三防漆涂层的上边界(图4 (e))，在检测到涂层的上边界之后，算法选择新的跟踪起始点继续边缘跟踪，通过在从上边界到底部的二进制图像的第一列中搜索强度为1的第一个像素点作为新的跟踪起点，边缘跟踪产生另一个封闭的包络。如图4(f)所示，最后，可以通过测量检测到的上边界和下边界之间的垂直距离来获得涂层的厚度。
实验结果：
由图6(a)显示的结果可知，OCT横截面图像中存在明显的上下两条边界，并以这两条边界为基础进行涂层厚度测量。另该图所显示的结果包含了两层和三层的结构，两层的区域较短，三层的区域较长。
图6(b)所显示的通过显微镜技术获得的涂层的图像是为了进一步评估本发明所提出的厚度测量方法的准确性。PCB在用超高分辨率OCT成像后将同一片样品送到第三方做金相切片来测量厚度。该方法是将PCB切开，然后打磨光滑，在显微镜下成像来测量其厚度。这种方法会使PCB永久性的被破化。因此，如图6(b)所示，在显微镜下仅拍摄了 PCB的一个横截面。同时，可以看出显微镜图像和超高分辨率OCT生成的截面图非常一致。两幅图中的铜层部分都显现出了较强的反射。显微图像上的厚度测量是通过手动分割涂层来实现的。
图7(a)描述了通过上述两种不同方法测量的涂层厚度的比较。总体而言，这两种方法的测量结果在约5mm的范围内显示出良好的一致性。如图7(b)所示，通过计算两个测量之间的差异来评估不一致性。差值全部分布在正负五微米范围内，主要分布在三微米范围内，平均差异为0.37μm，标准差为1.38μm。图8是图7(b)中厚度差的分布直方图，后面的曲线是厚度差直方图上的高斯拟合，半高宽为3.01um。这种差异一部分归因于超高分辨率OCT的轴向分辨率(1.72μm)，这决定了测量精度。同样，另一部分归因于传统方法的测量误差。上述结果表明超高分辨率OCT可以为PCB上的三防漆涂层提供精确的厚度测量
此外，可以利用OCT的三维成像能力生成厚度图，如图9所示，通过厚度的颜色编码，很容易掌握厚度变化。这为快速检测PCB涂层厚度铺平了道路。
最后，我们还在计算效率方面评估了我们提出的算法。该算法在Matlab平台上实现，并在具有Intel(R)Xeon(R)CPU [email protected]和24GB RAM的电脑上进行测试，其中仅使用单核。处理了350张连续图像，算法的运行时间约为36秒。为了比较，金相切片方法花费大约两个小时，包括切割PCB，抛光和测量。从这些数据来看，我们的方法可以用在流水线的在线检测。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建光学相干断层扫描成像（OCT）测试***，通过从OCT测试***的光源端所发出激光被分成两束，分别照射至参考臂和样品臂，从参考臂和样品臂反射回来的光束发生干涉，获取干涉光谱信号；
使用OCT***中的光谱仪对干涉光谱信号进行测量，包括对干涉光谱信号进行逆傅里叶变化获得所测量的位置沿深度方向的反射率轮廓，和采用光束对被测对象表面进行扫描并获得二维横截面图并结合所获得的沿深度方向的反射率轮廓获得被测对象的三维扫描图；
将所获得的三维扫描图进行降噪处理后，转换成二进制图像，之后采用边缘跟踪法分割涂层的上下边界，计算涂层的厚度。
2.根据权利要求1所述的基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，其特征在于：所述的光谱仪采集的是像素或波长空间的干涉光谱，通过校准将输出的干涉光谱转换成波数空间的干涉光谱。
3.根据权利要求2所述的基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，其特征在于，所述的校准方法包括：
将空间的干涉光谱通过希尔伯特变换提取重映射向量，之后通过线性差值获得波数空间的干涉光谱；
或者，通过采用线性回归进行色散补偿获得波数空间的干涉光谱。
4.根据权利要求1所述的基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，其特征在于：所述的降噪方法包括均值滤波法和高斯滤波法。
5.根据权利要求1所述的基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，其特征在于，采用边缘跟踪法对二进制图像分割涂层的上下边界的过程包括：
以第一个像素作为起始点标记强度1，按纵向或横向两个方向逐个比较邻域中像素的强度，并将邻域中包含强度为0的像素点选取成跟踪点，最终所获得的所有的跟踪点连接起来，确认上下边界。
6.根据权利要求1所述的基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，其特征在于：所搭建的OCT***中的激光源所发射的光谱范围为770-950nm。
7.应用根据权利要求1-6所述的基于光学相干断层扫描成像技术测量涂层厚度的方法，其特征在于：采用所述的方法应用于测量薄膜涂层的厚度包括印刷电路板表面的三防漆、着色聚合物涂料、瓷器保护涂层、等离子喷涂陶瓷、生物可降解复合涂层、清漆涂层、透明或半透明药片薄膜涂层。
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