视频
光纤激光器 半导体激光器 激光切割
工业应用
OCT
OCT技术在工业领域的应用
材料来源:激光世界           录入时间:2011-9-26 11:27:23

注:本文版权为《激光世界》所有,未经许可,请勿转载!

作者:Barbara G. Goode

       光学相干断层扫描(OCT)技术在20世纪90年代初一问世,其便凭借着能够对生物组织进行高分辨率、深度成像的能力,赢得了生物医学领域的普遍认可。随后,OCT技术在生物医学领域获得了广泛应用。目前,在世界各地无数的眼科治疗案例中,OCT技术每天都对眼科疾病的诊断和治疗发挥着重要作用。

然而,人们对OCT技术在非生物医学领域的应用却知之甚少。OCT技术采用一种非接触式和非侵入式的操作方法,能够对透明、浑浊、强散射介质成像,这些成像特性对于零件的无损探伤和无损评估(NDT,NDE)应用颇具吸引力。

事实上,早在2007就有介绍OCT技术在工业领域应用的论文发表,文章说明了OCT技术可用于发光二极管(LED)的封装检测,以及用于陶瓷材料中无损探伤。

目前,人们正在研究OCT技术在工业领域的大量应用,其中包括表面与厚度测量、无损探伤、无损评估;用于陶瓷、玻璃元件、高分子材料、复合纤维材料和纸材料的非接触材料特性鉴定;以及用于数据存储设备的质量评估。[2]

现在人们已经意识到了OCT技术在生命科学领域之外的巨大应用潜力,已经开始探讨OCT技术能够适用的主要应用领域,并且也在致力于了解这些领域的特定应用需求和普遍存在的问题。

OCT技术一直在不断向前快速发展。大约在两年前,OCT技术开始了在非生物应用领域的拓展步伐,其中一些研究机构和商业公司在这方面贡献了不小的力量。如奥地利非破坏性检测研究中心主要致力于为解决制造商的测试问题提供专门研究;英国Michelson Diagnostics公司(MDL)和美国Thorlabs公司等一些商业化OCT技术开发者,也在“OCT技术在工业领域的应用”方面取得了重要进展。

       在特定应用领域的优势

与目前最常用的测试和评估方法(微计算机断层扫描技术,Micro-CT)相比, OCT技术所能提供的最大优势在于其价格、精度和速度。OCT技术基于干涉测量原理,其测量更加精确,而且OCT系统供应商也已经在成像速度方面获得了稳步增长。OCT技术的其他优点还包括:检测过程中零件可以访问(Micro-CT则是使样本处于电离辐射中),另外还能采用手持探针对样本成像。与传统的红外(IR)显微镜检查技术(可用于检查硅零件)相比,OCT技术以成像分辨率和成像深度为代价,提升了成像速度。超声检测(可用于检测复合材料)能够实现更深的成像,并且也能提供手持探针成像模式,但是其分辨率却不尽人意。目前一些制造商仍然在使用耗时费力、浪费资源的检测方法。

总之,OCT技术提供了很多引人注目的优势——但是该技术也并非适用于任何应用。MDL公司首席执行官Jon Holmes指出:“检测材料的类型对OCT技术的应用非常关键,对于OCT所能提供的波长而言,材料必须是透明或半透明的。”目前市场上的多数OCT系统能够提供1300nm(近红外)甚至是一些更短的波长。当检测硅材料时,OCT系统的优势尽显。此外,OCT技术比较适用的一些其他材料包括多数聚合物材料和塑料(如PMMA)、陶瓷以及有机材料,如木头和珍珠等。但是,OCT技术并不适用于检测金属。OCT技术在1~3mm深度成像效果非常好,能够提供5~20μm的分辨率,并能获得几毫米的视场。

 因此,OCT技术非常适合微型化元件的产品开发、先进材料的检测与测试,无论是在离线和在线的情况下。需要特别指出的是,OCT技术在检测硅材质和塑料材质的MEMS元件、太阳能电池板的质量控制、由复合材料制成的设备(如涡轮叶片)的质量控制、微工程塑料原型零件、聚合物设备的检测以及珍珠检测等方面,都具有重要的价值(见图1)。OCT技术将会在很多特定的应用领域大显身手,目前提到的这些很可能只是刚刚被开拓出来的冰山一角。

图1:OCT成像使一颗珍珠的外层和内核之间的边界、以及其内部的层次清晰可见。珍珠外层的厚度和质量是表征珍珠质量好坏的重要指标。

成功使用OCT技术的秘诀是:应用的材料要适当,同时还要注意以下四个要点。首先是光源的波长,其决定了成像的分辨率和成像深度。例如,1.3μm波长在硅和塑料中的成像效果非常好,因为材料对该波长的吸收非常小。二是光源的功率,其决定着更深区域成像的对比度。三是光谱仪的摄像头和光学元件,其决定着成像质量。最后是计算能力,其决定着成像速度。

通过使用快速可调谐激光器和更快速的线性扫描相机,也能提高成像速度。高速成像降低了由样品移动或环境引起的运动影响。OCT系统在这方面的改进,能够为生产制造和过程控制提供良好的快速成像解决方案。

应用案例

奥地利RECENDT公司负责为工业应用开发新OCT系统的科学家Martin Wurm博士表示:“RECENDT的制造客户都渴望采用更好的工具。当制造商看到这些新的OCT系统时,高兴不已。”RECENDT公司正致力于用OCT系统检测用于建筑行业的产品,如聚烯烃泡沫、强化复合地板涂层以及玻璃纤维复合材料等(见图2)。

图2:超高分辨率OCT能够在聚烯烃泡沫样品的不同深度成像,(a)图显示的是成像横截面,(b-e)图为平面图像(左图)。同样的方法可以检查强化复合地板,在顶部面板内的树脂层中,陶瓷颗粒清晰可见(中图)。在玻璃纤维复合材料样品的检查中(右图),一个OCT截面视图(a)和优美的显微照片(b),很清楚地显示出了其内部的一个延长缺陷。

目前,MDL公司也正在为一个客户的MEMS制造工厂安装OCT显微镜系统,用于在线检测(见图3)。

图3:OCT系统可以透过位于一个MEMS压力传感器表面上的薄膜成像(在左上方可见),产生一系列横向截面图像,其展示了内部缺陷的详细情况。

Thorlabs公司先进成像部门市场与业务开发负责人Anjul Davis表示,日本一家汽车公司正在使用OCT技术检查车用电池外壳是否有缺陷,而这些缺陷能导致电池寿命缩短(见图4)。该应用采用了与Thorlabs为制药公司开发的用于检测药片涂层相同的算法。有了高速OCT技术,这些缺陷就能够在制造过程中被检测出来了。

       

 图4:用OCT扫描车用电池外壳,显示了该外壳中存在的一个缺陷以及位置。该缺陷可能会导致电池失效。

Thorlabs开发此算法用于定量测量涂层和表面粗糙度,这些参数通常在应用中非常重要。例如在制药应用中,时间缓释片表面的涂层决定着药片将在多久的时间内继续向体内释放药物。美国食品和药物管理局(FDA)建议制药公司实时在线监控药片加工过程中的每个阶段。

针对制药公司的应用需求,Thorlabs公司专门设计了一套Hyperion系统,其能以110kHz的线速率成像。另外能够适用于该应用的唯一一种技术是太赫兹成像,但是基于该技术的解决方案更加昂贵,并且成像速度并非足够快。

      克服挑战

要成功地应用OCT技术,必须要对该技术和具体的应用有着深入理解。例如,在测试对象中,任何反射表面都可以产生混乱的图像失真,这是因为多个干涉路径长度和探测器的饱和。因为OCT技术通常用于检测过厚或过大的物体,或者是用于被认为需要更高分辨率的应用中,因此与现有的技术(如Micro-CT)相比,该技术的优势并不明显。

目前,OCT技术应用需要克服的一个主要问题就是:要让人们在应用中形成使用OCT技术的意识,并要对具体的应用和OCT技术所带来的优势有着深入的理解。目前,制造商还没有真正意识到OCT技术的潜力。只有大量制造商开始采用OCT技术、而其他制造商也看到OCT技术是多么有用的时候,OCT技术才能迎来在应用领域中的突破。


      未来发展方向

RECENDT公司的Martin Wurm博士已经将OCT系统看成是具有反馈的在线系统的一部分,用于控制生产过程。很多时候,工业应用需要的是瞬时结果。

 另一个问题是:目前市场上能提供的大量OCT系统,都主要是面向科研人员或临床医生使用的,而并不是真正为工业制造领域的快速测量应用而设计的。未来,将需要为工业应用专门设计的OCT系统。

当然,一些商业公司已经意识到了这一点,并开始着手满足这一市场需求。例如Thorlabs公司为制药公司设计了Hyperion系统;MDL公司正在努力开发下一代速度高达140kHz的OCT系统。Thorlabs公司的Davis表示:“我们打算将显示程序移到图形卡中,以减少CPU的负荷,提高成像速度。”

目前,用于非生物医学领域的OCT技术尚处在起步阶段。随着人们对OCT技术认识的不断增强,以及更多、更高应用需求的出现,未来OCT技术将会在生物医学以外更广泛的工业领域中找到更多用武之地。 

       参考文献

1. osnsupersite.com / view.aspx.

2. Appl Phys B 88, p. 337 (2007).


上一篇:Synrad激光器用于聚丙烯环的打标 下一篇:用光纤激光器实现不锈钢材料的打标...
相关文章
·混合物光电二极管实现低成本短波红外成像    技术中心    2010-7-23 15:49:40
·用于微型、低成本投影仪的硅基液晶激光显示技术    技术中心    2010-7-23 21:20:08
·最新活体成像技术使所有分子一览无余    科研应用    2010-8-9 17:31:36
·数字光处理技术拓展到微型投影仪之外的广泛领域    技术中心    2010-8-9 18:04:56
·激光投影机遭中外企业战略雪藏    市场观察    2010-8-17 9:12:10
·北京卓立汉光公司新推出生物荧光影像系统    产品快讯    2010-8-25 9:14:13
·让超高速成像成为现实    科研应用    2010-10-12 8:30:06
·反射光学元件助力多光谱成像系统    技术中心    2010-11-30 10:15:23
·全息投影技术的发展现状    市场观察    2010-12-27 15:20:16
·欧司朗高功率微型红外ChipLED 面向中小尺寸超薄光学触摸屏    产品快讯    2011-7-21 9:19:59
·激光当光源?德仪DLP获批新的技术专利    新闻聚集    2011-9-14 9:36:32
·穿透硅通孔技术实现内窥镜用微型相机    技术中心    2011-9-26 11:17:58
·近红外光照射更易于发现龋齿    新闻聚集    2011-10-8 22:24:52
·高光谱成像仪用于探测高空化学品    新闻聚集    2011-10-8 22:29:58
·红外摄像机的市场状况及发展方向    市场观察    2011-10-17 9:46:57
·柯达向Imax授权激光投影技术 获利1000万美元    新闻聚集    2011-10-17 10:07:16
·新型超晶格摄像机问世    新闻聚集    2011-11-1 10:33:05
·德研发新型车载偏振相机    新闻聚集    2011-11-3 11:03:08
·全新红外 Power Topled 采用纳米堆叠技术,光输出提高80%    产品快讯    2011-11-14 9:58:39
·凌华科技发布业界最高效能的小型机器视觉系统    产品快讯    2012-1-4 14:49:04

版权声明:
《激光世界》网站的一切内容及解释权皆归《激光世界》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《激光世界》杂志社。
 
 
 
 
友情链接
首页 | 关于我们 | 联络我们
Copyright© 2018: 《激光世界》; All Rights Reserved.
请用 Microsoft Internet Explorer 6.0 或以上版本。
Please use Microsoft Internet Explorer 6.0 or higher version.
备案序号:粤ICP备12025165号