1.引言

光学工业检测是通过光学系统成像的方式实现自动检测的一种手段，核心技术点为如何获得准确且高质量的光学图像并加工处理。随着工业制造集成度与精细化程度的提高，传统2D检测已经不能满足工业领域新生方向对于成像能力与效率的迫切需求。随着包含深度维度的3D光学成像技术的日益进步以及工业检测要求越发严格和多样化，传统2D 工业检测不可避免地逐步向3D 工业检测发展，以期解决工业检测中存在的诸多瓶颈问题。

目前主流的3D测量技术包括双目立体视觉、时间飞行法、散斑测量、以及结构光等方法。然而上述3D检测方法只能获取样品的表面形貌信息。另一方面，超声探测和X光CT方法，可以成功获取样品内部3D信息，但空间分辨率有限，检测时间长并且对样品和使用人员有一定的伤害。基于常规波段光波的显微成像以及共聚焦成像技术中，通过机械调节成像系统焦平面的位置可以在一定程度上实现3D层析成像，但成像速度非常有限。同时，色散共聚焦显微技术通过透镜组构成的色散系统将光信号在深度维度展开，使得不同的深度对应于不同的波长信号，从而实现层析成像，但成像灵敏度有限且深度成像中介质折射率将严重影响系统纵向空间分辨率。

光学相干层析(Optical Coherence Tomography，OCT)技术作为新一代、革命性的3D层析成像技术已经在生物医学领域，尤其是眼科领域，得到了广泛的应用。OCT技术在基本原理上与超声成像类似，即通过测量返回光信号的时间差(光程差)和振幅获取被测试样品的3D层析结构信息。光学干涉，外差探测，共聚焦，并行检测等诸多技术的集成使得OCT在横向纵向空间分辨率(微米量级)，探测灵敏度(>100dB)等方面具有独特优势，有望解决传统工业检测中的棘手问题。

2.OCT技术简介

上面提到了OCT原理上是基于时间差测量技术来获取被测样品的深度信息，但由于光速数值非常巨大，要实现0.1 mm-1 cm的样品检测空间分辨率需要测量的时间差为0.0001 ns-0.01 ns量级，已经大大超过商用光电探测装置带宽上限，因而OCT技术将时间差的测量转换为基于干涉仪的距离的测量，从而系统的深度方向的空间分辨率由光源的半高全宽和中心波长决定。根据光学干涉理论的基本知识，OCT系统通过测量被样品信息调制的自相关函数来获取样品的空间结构信息。根据Wiener-Khinchin定理，一个信号的自相关函数的傅里叶变换等价于它的功率谱密度，或者说，该信号的自相关函数与其功率谱密度之间构成傅里叶变换。因此，OCT技术可以分为两大类：①时域OCT(Time Domain OCT, TD-OCT)和②频域(或者傅里叶域)OCT(Fourier Domain OCT, FD-OCT)。

TD-OCT从人们的直观理解出发，通常使用具有宽带光谱和低光噪声的超辐射发光二极管作为光源，分束器或者光纤耦合器将总能量分别入射到样品臂和参考臂。参考臂通常使用能够高速轴向扫描的平面反射镜将能量返回系统，而参考臂则使用成像系统将能量聚焦于被测样品之上，耦合样品结构信息的背向散射光反射回干涉仪系统并和参考臂返回光发生干涉(自相关函数)，形成“相干门”，也即两臂返回信号在系统相干长度之内时才能发生干涉，相干门内微弱的样品臂信号被参考臂信号外差放大，光电探测和数据装置获取该信号并进行包络识别等相关数据处理。伴随着参考臂平面反射镜的高速运动，相干门对样品臂不同深度返回信号进行扫描(A-Scan)，从而获得样品的一线信号。样品臂系统对光束进行2D偏转，光信号扫描样品待测区域，获得不同位置的A-Scan信号，从而最终组成样品的3D结构信息。

如上TD-OCT技术的简要阐述可以直观地展示OCT技术的基本思想和框架，然而在实际应用中，TD-OCT因存在参考臂反射镜的机械运动而难以实现高速成像。针对此困难，FD-OCT通过干涉光谱(功率谱密度)的测量并辅以iFFT(快速逆傅里叶变换)得到自相关函数(即TD-OCT中描述的干涉信号)，从而在成像速度和成像灵敏度方面获得巨大提升（成像速度几乎提升两个数量级）。FD-OCT根据其光谱的测量方式又分为光谱OCT/谱域OCT(Spectral Domain OCT, SD-OCT)和扫频OCT(Swept-Source OCT, SS-OCT)。其中SS-OCT使用波长可调谐的宽带光源，在每一个时刻输出光谱带宽很窄的准单色光，然后用高速光电探测器记录从样品各个深度返回的光信号和参考光的干涉信号。随着光源波长的扫描，得到系统干涉信号随不同时刻波长的变化曲线，也就是干涉光谱信号。SS-OCT往往需要昂贵的高速波长可调谐光源，同时其在相位稳定性方面面临一定的劣势，因此SD-OCT在工业检测领域被视为一种非常理想的选择。结合OCT在透明/半透明以及高散射介质中的工业应用，SD-OCT是本文讨论的重点。

如图1显示为一款典型的光纤化SD-OCT系统。系统光源和传统光纤化TD-OCT系统类似，均为宽带的超辐射发光二极管，其发出的光经过光纤耦合器，50%的能量注入样品臂(1-3)，经过二维扫描振镜偏转后入射到样品表面，耦合样品结构信息的散射光经原路返回到系统中。另外50%的能量注入参考臂(1-4)，并通过固定不动的平面反射镜反射回系统，后与样品臂返回光在光纤耦合形成光谱干涉信号，并由线扫光谱仪系统(1-5)和信号采集以及控制系统完成采集并对系统进行同步控制。各偏振控制器主要用来调整最终偏振状态实现信号的最大对比度。采集到的信号经由数据处理系统进行波数线性化插值，色散补偿和iFFT等运算的到最终的3D图像，并经由数据显示和分析系统呈现并做相应数据分析。

图1 SD-OCT装置示意图。1-1，超辐射发光二极管；1-2，光纤耦合器(分光比50/50)；1-3-1，偏振控制器-s；1-3-2，准直器-s；1-3-3，二维振镜；1-3-4，聚焦光学模组-s；1-4-1，偏振控制器-r；1-4-2，准直器-r；1-4-3，聚焦光学模组-r；1-4-4，平面反射镜；1-5-1，偏振控制器；1-5-2，线扫描相机；1-5-3，聚焦光学模组-o；1-5-4，体相位光栅；1-5-5，准直器-o；1-6，待测样品；1-7，信号采集和控制系统；2，待测样品载物台；3，数据处理系统；4，数据显示和分析系统

图 2 微亿灵眸OCT3D高精度层析缺陷检测仪标准机台

实践证明，SD-OCT是一种强有力的成像手段，其具有空间分辨率高、成像灵敏度高、无损检测和层析成像等特点，被称作“光学活检”。微亿智造团队针对3D层析工业检测面临的困难和迫切需求，尤其是针对透明/半透明，以及高散射产品，开展了近红外波段光学相干层析技术在工业缺陷检测中的应用研究，开发了具有10μm空间横向分辨率，8μm空间纵向分辨率，248KHz点扫描速率和大于100dB成像灵敏度的3D层析成像产品，达到了国际先进水平，如图2。该型产品已经成功应用在了光学透镜、高纯度云母片等3C产品的缺陷检测中，因其层析能力以及成像灵敏度高等特点，产品及其细小缺陷将以3D结构呈现，缺陷的识别效率可获得可观的提升，同时能够驾驭结构复杂的产品形态，从而验证了其不可替代的优势和先进性。

3.微亿智造OCT产品与典型竞争性技术产品的性能对比

表1 

表1 对微亿智造灵眸OCT产品与典型的传统光学方案以及同样具有层析能力的线扫色散共聚焦技术做了比较。从中可以看出OCT产品在成像空间分辨率，成像灵敏度和层析能力方面具有独特的优势。

4.微亿智造OCT产品的应用场景

OCT工业检测产品的特征应用场景为透明/半透明以及高散射样品的内外部缺陷检出。根据前述OCT系统的成像指标和特征，可将其运用于高纯度云母片和镜片的缺陷检测。

4.1 高端云母片缺陷成像

某客户提供的高纯度云母样品的平均厚度为52微米。使用传统方法区分上下表面以及云母本体之中的缺陷，包括斑点，裂痕和花纹等，是非常困难的。OCT技术在这种样品上则有明显的优点。光学透镜大类一般分为玻璃透镜和塑胶透镜。

图4 (a) OCT系统对高端云母片的明场成像的结果。检测的横向范围为。(b) OCT系统对高端云母的暗场成像的结果。检测的横向范围为10mm×10mm。但需注意此检测区域为随机选取和图4所示检测区域并不一致

如图4所示，OCT系统可以对云母片做清晰的3D明场成像，上下表面分层明显，且可在上表面看到划痕和花纹缺陷。OCT系统同时可以对样品进行暗场成像，如图5所示。OCT所具有的高灵敏度的特点，使其特别适合做暗场成像。云母样品中的所关心的各种缺陷以及灰尘和脏污以白色信号凸显。其中上下表面出现形状几乎一致的划痕装纹理，则可判断其为云母本体贯通性裂痕。

图5 某镜片生产企业提供的待检测车载镜片样品(该公司已经授权使用此样品图片)。（a）载具及镜片图像；（b）单个镜片图像

4.2 镜片缺陷成像

这里同样使用暗场成像方法：透镜各个反射面因其曲率的原因以及镜面反射只有很少的光信号直接返回系统，从而呈现微弱图像信号(暗场)，而缺陷则会强烈反射光信号到达系统从而呈现明亮的像。OCT系统本身所特有的高灵敏度特性则可以保证非常微弱的信号得以表征。

图6 OCT系统对透镜样品的3DOCT成像(缺陷名称按照样品供应商的起名规则定义，缺陷大概位置由红圈标出)。(a) 含有“面取发白”缺陷的透镜；(b) 含有“膜色NG”缺陷的透镜；(c) 含有“凹面脏污”缺陷的透镜；(d) 含有“取面打痕”缺陷的透镜；(e) 为(c)中显示的透镜沿着深度方向的纵向截面图。红色箭头指向透镜上表面(凸面)，紫色箭头指向透镜下表面(凹面)，绿色箭头指向底面透镜支撑载具的成像；(f)为不存在“凹面脏污”缺陷的透镜在同样位置沿着深度方向的纵向截面图。红色箭头指向透镜上表面(凸面)，紫色箭头指向透镜下表面(凹面)

如图6所示为某镜片生产企业送检的镜片产品。其为直径4.5mm车载广角镜头第一片”帽子透镜“。图7 (a)-(d) 展示了具有不同缺陷的镜头的3DOCT图像。图中的缺陷由红色圆圈标出。(a) 表示含有“面取发白”缺陷的透镜。(b) 表示含有“膜色NG”缺陷的透镜。(c) 表示含有“凹面脏污”缺陷的透镜。(d) 表示含有“取面打痕”缺陷的透镜；(e) 为(c)中显示的透镜沿着深度方向的纵向截面图。红色箭头指向透镜上表面(凸面)，紫色箭头指向透镜下表面(凹面)，绿色箭头指向底面透镜支撑载具的成像；(f)为不存在“凹面脏污”缺陷的透镜在同样位置沿着深度方向的纵向截面图。红色箭头指向透镜上表面(凸面)，紫色箭头指向透镜下表面(凹面)。对于(a)，(b)和(d)三种缺陷，OCT图像可以成功呈现，即在均匀结构中出现了不均匀的成分从而表征为缺陷。对于(c)所显示的缺陷，需要注意到，在没有脏污的样品(f)中，凹面玻璃界面因其洁净程度非常好，散射信号是非常微弱的。相比之下(e)或者(c)中的样品，因为凹面存在脏污而呈现非常明显的散射信号。

5.结语

光学相干层析(OCT)成像系统能够以微米级横向/纵向分辨率，100dB以上的灵敏度对样品进行高速3D层析成像。微亿智造基于此技术的产品已经成功应用在了光学透镜、高纯度云母片等3C产品的缺陷检测中，因其层析能力以及成像灵敏度高等特点，产品及其细小缺陷将以3D结构呈现，缺陷的识别效率可获得可观的提升，同时能够驾驭结构复杂的产品形态，从而验证了其不可替代的优势和先进性。随着光学相干层析技术在成像速度，成像视野等方面的不断提升，该技术将在工业检测领域得到更加广泛的应用，助力工业检测技术从传统的2D检测技术向3D检测技术的革命性转变。

（微亿智造 霍天成 张书源）