基于光學(xué)相干層析成像的塑料薄膜厚度檢測(cè)

1、題 目基于光學(xué)相干層析成像的塑料薄膜厚度檢測(cè)目錄摘要1Abstract2第一章 緒論31.1 課題背景及意義31.2 OCT技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀41.2.1 OCT技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介41.2.2 OCT技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀41.3 本文研究目的和主要研究?jī)?nèi)容6第二章 掃頻OCT系統(tǒng)及算法設(shè)計(jì)72.1 頻域OCT系統(tǒng)介紹72.2 掃頻OCT系統(tǒng)搭建72.3 圖像處理與厚度算法設(shè)計(jì)92.3.1 圖像去噪102.2.2 圖像二值化112.2.3 閉運(yùn)算112.2.4 邊緣檢測(cè)112.2.5 厚度計(jì)算12第三章 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析133.1 單層薄膜實(shí)驗(yàn)及結(jié)果133.2 多層薄膜實(shí)驗(yàn)及結(jié)果15第四章 總結(jié)與展望20參考文

2、獻(xiàn)21致謝22摘要非破壞性測(cè)試和評(píng)估（NDTE）以其獨(dú)特的非侵入性的特點(diǎn)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)上取得了廣泛的應(yīng)用。但是在微米級(jí)物品內(nèi)部快速、非接觸、非侵入性和高分辨率成像技術(shù)仍然稀缺。光學(xué)相干層析成像技術(shù)（OCT）作為一種新穎的NDTE工具受到了越來(lái)越多的關(guān)注。論文主要介紹了 OCT 技術(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)室完成掃頻OCT系統(tǒng)搭建。使用掃頻OCT系統(tǒng)分別對(duì)單層塑料薄膜、兩層塑料薄膜以及三層塑料薄膜進(jìn)行掃描成像。通過(guò)對(duì)三幅圖像進(jìn)行圖像處理，完成各層薄膜的邊界提取，并根據(jù)像素與實(shí)際厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成塑料薄膜厚度的計(jì)算。并依據(jù)邊界提取結(jié)果，對(duì)塑料薄膜的平整性進(jìn)行定量可視化分析，突出了光學(xué)相干層析技術(shù)其

3、無(wú)損性和高精度的特點(diǎn)，展現(xiàn)了光學(xué)相干層析成像技術(shù)對(duì)多層塑料薄膜各層厚度精確檢測(cè)以及平整性檢測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：非破壞性測(cè)試和評(píng)估、光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)、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 ar

4、e still scarce in micron-sized objects.Optical coherence tomography (OCT) has attracted more and more 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 scan

5、ning 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

6、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, s

7、howing 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 coherence tomography, thickness of the plastic film， non-destructive testing and evaluation 第一章 緒論1.1 課題

8、背景及意義無(wú)損檢測(cè)因?yàn)槠洫?dú)特性受到廣泛的關(guān)注，逐步變成了工業(yè)發(fā)展必不可少的重要工具1?，F(xiàn)階段商品化的無(wú)損檢測(cè)方法主要有有射線檢驗(yàn)（RT）、超聲檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）和液體滲透檢測(cè)（PT） 四種。其他無(wú)損檢測(cè)方法如：渦流檢測(cè)（ECT）、聲發(fā)射檢測(cè)（AE）、熱像/紅外（TIR）、泄漏試驗(yàn)（LT）、交流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)（ACFMT）、漏磁檢驗(yàn)（MFL）、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試檢測(cè)方法（RFT）、超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）等也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是上述無(wú)損檢測(cè)方法或無(wú)法做到精準(zhǔn)檢測(cè)或檢測(cè)精度低。微米級(jí)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)仍然稀缺2。多層塑料薄膜在包裝工業(yè)中應(yīng)用普遍，常常用來(lái)保護(hù)物品不受環(huán)境影響。例如在食品包裝中，為了達(dá)

9、到不同的保護(hù)效果，工廠常常使用不同材質(zhì)制成薄膜保護(hù)內(nèi)部不受氧氣的氧化。在吹制多層薄膜的生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)線往往是多種薄膜一次擠壓成型，直接產(chǎn)出多層薄膜。在擠壓成型的過(guò)程中，保證各層厚度符合要求至關(guān)重要。另一方面，從生產(chǎn)成本來(lái)看，有一些特殊的生產(chǎn)原料的價(jià)格極其高昂，任何材料的過(guò)量使用都會(huì)造成生產(chǎn)成本的提高。但是如果薄膜層太薄，規(guī)格無(wú)法滿足要求，那么整個(gè)多層薄膜產(chǎn)本都將無(wú)法使用。為了確保在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品符合規(guī)范，就需要進(jìn)行在線質(zhì)量控制，比如需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括各個(gè)層的厚度和均勻性，以及可能夾雜的空氣或雜質(zhì)等。在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)必須是是非破壞性的，快速的，并且必須能夠展現(xiàn)(半)透明的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。現(xiàn)行的工業(yè)監(jiān)

10、測(cè)手法是用射線探照的方式來(lái)測(cè)量薄膜的整體厚度。然而，這種方法會(huì)產(chǎn)生大劑量的輻射，存在安全隱患，另一方面這種檢測(cè)方式無(wú)法確定多層薄膜中每一層層薄膜的厚度。一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)層的厚度通常通過(guò)控制材料的重量來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，最終產(chǎn)品的質(zhì)量控制，永遠(yuǎn)只在離線狀態(tài)下進(jìn)行。而且進(jìn)行樣本檢測(cè)時(shí)，樣品是從產(chǎn)品上直接剪出，以破壞性的方式如切片顯微鏡進(jìn)行分析。這種方法一方面浪費(fèi)時(shí)間，另一方面，往往在產(chǎn)品產(chǎn)出后的數(shù)小時(shí)之后才會(huì)得出結(jié)果。在檢測(cè)的這段時(shí)間內(nèi)，生產(chǎn)線上生產(chǎn)的多層薄膜的質(zhì)量是未知的，很有可能檢測(cè)過(guò)程中生產(chǎn)的產(chǎn)品都不合格。OCT非破壞性和非接觸式的特性使該技術(shù)成為多層薄膜或涂層結(jié)構(gòu)分析和質(zhì)量監(jiān)控的理想工具。如果

11、已知多層薄膜中的各層薄膜材料折射率，根據(jù)折射率的相關(guān)知識(shí)，人們就可以獲得樣品單層厚度的精確值。將OCT系統(tǒng)集成至生產(chǎn)線上，形成整套的自動(dòng)控制系統(tǒng)，就能在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多層薄膜各個(gè)層的厚度。1.2 OCT技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀1.2.1 OCT技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介OCT技術(shù)的理論基礎(chǔ)是早期的白光干涉測(cè)量法。1991年美國(guó)麻省理工的 D·Huang和 J.G.Fujimoto 等人把白光干涉測(cè)量法與相干層析成像的概念相互結(jié)合，使用OCT技術(shù)完成了對(duì)視網(wǎng)膜以及冠狀動(dòng)脈壁進(jìn)行成像3。此后，OCT技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并且依據(jù)成像模式的不同，逐步發(fā)展出了多普勒OCT（ODT）、光譜OCT、差分吸收型OCT等多個(gè)

12、種類。1996年，眼科OCT系統(tǒng)設(shè)備首次作為商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，商用OCT設(shè)備在醫(yī)療行業(yè)廣泛被采用。目前世界各地的研究小組在不斷地提高成像速度、探測(cè)深度、圖像分辨率以及信噪比等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。1.2.2 OCT技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀2007年，Stifter發(fā)表了一份關(guān)于OCT在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以外的應(yīng)用的綜合評(píng)價(jià)報(bào)告。此后OCT作為一種新穎的NDTE工具受到了越來(lái)越多的關(guān)注。越來(lái)越多的研究小組進(jìn)一步的探索OCT可能的應(yīng)用方向。在眾多國(guó)家中最新的研究方向包括：多層薄膜厚度的測(cè)量，藥片生產(chǎn)，激光鉆孔和微型機(jī)械設(shè)備引導(dǎo)，有機(jī)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)，以及藝術(shù)品保護(hù)?，F(xiàn)在已經(jīng)有幾家公司和研究中心提供商業(yè)用OCT系統(tǒng)產(chǎn)品

13、。這些系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象是在醫(yī)療部門和普通光學(xué)實(shí)驗(yàn)室之外的工業(yè)生產(chǎn)。一般來(lái)說(shuō)，商用OCT系統(tǒng)設(shè)備中除了電腦外，所有的儀器設(shè)備都嵌入在一個(gè)單獨(dú)的外殼中。這種輕量化的設(shè)計(jì)能夠勝任多種檢測(cè)需求，而且非常容易運(yùn)輸。但是在一些特殊情況下，需要為一個(gè)特定的目的來(lái)定制應(yīng)用程序以及配套的OCT系統(tǒng)。在生物醫(yī)學(xué)成像（如眼科、皮膚學(xué)）中，定制OCT系統(tǒng)已經(jīng)是非常常見。然而，在NDTE的領(lǐng)域，仍然有待探索。目前為止，大部分的OCT系統(tǒng)都是為某一個(gè)固定功能開發(fā)使用的，因此成本相當(dāng)昂貴。OCT是基于白光干涉測(cè)量（WLI）的物理原理。將光源發(fā)出的光線分成兩束，一束發(fā)射到被測(cè)物體(比如塑料薄膜)，這段光束被稱為信號(hào)臂。另一束發(fā)

14、射到參照反光鏡，稱為參考臂。然后把從樣品(信號(hào)臂)和從反光鏡(參考臂)反射回來(lái)的兩束光信號(hào)疊加。當(dāng)信號(hào)臂和參考臂的長(zhǎng)度一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生干涉。從組織中反射回來(lái)的光信號(hào)隨組織的形狀而顯示強(qiáng)弱。由于采用了干涉檢測(cè)方案，OCT檢測(cè)方法非常適合于圖像分層和觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)。圖像的對(duì)比是由于樣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術(shù)如超聲波、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）等提供了更加豐富的信息4。和以往的影像學(xué)技術(shù)相比，光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)損性，一般的OCT系統(tǒng)的光源選擇一般是近紅外線。這種光對(duì)人體的組織幾乎無(wú)害；斷層成像，根據(jù)干涉的原理實(shí)現(xiàn)

15、斷層成像，可獲得豐富的多維度組織斷層信息，進(jìn)一步擴(kuò)大了成像的深度；高分辨率，OCT技術(shù)結(jié)合了半導(dǎo)體和超快激光技術(shù)，利用超靈敏探測(cè)、精密自動(dòng)控制和相干選通門等方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)和圖像處理，使其最高分辨率可達(dá)1020m；易小型化，OCT系統(tǒng)使用光纖作為光的載體，極易做成細(xì)小的光學(xué)探測(cè)裝置，方便攜帶5。OCT技術(shù)最早應(yīng)用于眼科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，它對(duì)黃斑部疾病的診斷有重要應(yīng)用價(jià)值，很多眼底病的發(fā)生和發(fā)展都與黃斑區(qū)血管丟失相關(guān)。例如，糖尿病視網(wǎng)膜病變引起的黃斑區(qū)血管丟失是視力喪失的主要原因6。隨著OCT技術(shù)不斷發(fā)展，其在醫(yī)療行業(yè)展現(xiàn)了驚人的活力。特別是在血管成像以及病理檢測(cè)方面。目前為止最具有發(fā)展前景以

16、及最重要的應(yīng)用之一是探測(cè)軟組織的早期癌變。借助 OCT技術(shù)，極大滿足了醫(yī)生在軟組織病理檢查的需求，加快了診斷效率；另一方面，通過(guò)大量的臨床實(shí)踐，OCT用于臨床研究癌癥治療的技術(shù)越來(lái)越成熟。隨著技術(shù)的發(fā)展，除了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，OCT 技術(shù)正在向其他領(lǐng)域推進(jìn)。植物光子學(xué)和食物組織分析方面，人們通過(guò)對(duì)蘋果果實(shí)的表皮進(jìn)行OCT掃描，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蘋果皮的質(zhì)量和厚度，通過(guò)探究蘋果皮與外界空氣的交互，探究新型的果實(shí)存儲(chǔ)和防病蟲害的方法。在激光切割領(lǐng)域，人們一般很難掌握切割深度。如果客戶對(duì)于對(duì)切割深度有特殊要求，一般很難生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品。然而通過(guò)OCT對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行掃描，測(cè)算切割深度，讓切割深度精度可控成為可能。

17、最新的相關(guān)研究都強(qiáng)調(diào)了OCT對(duì)激光微加工的動(dòng)態(tài)效應(yīng)分析的巨大潛力，可以作為一種反饋工具來(lái)控制結(jié)構(gòu)的深度。在材料結(jié)構(gòu)變化評(píng)估方面，許多材料在生產(chǎn)過(guò)程或生命周期中由于硬化、冷卻、加熱、機(jī)械負(fù)荷或應(yīng)力變化等原因，非常容易引起結(jié)構(gòu)變化。然而在從外部是無(wú)法觀察到這些內(nèi)部產(chǎn)生的變化。OCT卻可以快速、完全無(wú)接觸、無(wú)破壞性的方法來(lái)監(jiān)測(cè)和評(píng)估這類過(guò)程，對(duì)于大型建筑的實(shí)施扮演著不可或缺的角色。在藥物生產(chǎn)過(guò)程中，藥物往往需要達(dá)到嗅覺與味覺的掩蔽，提高藥品穩(wěn)定性，有效藥物成分（API）的控制釋放等目的。實(shí)現(xiàn)這些目的的方法一般是對(duì)藥物進(jìn)行多涂層處理。盡管涂層工藝已經(jīng)使用了幾十年，但仍然存在著嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)槿藗儗?duì)材料

18、和操作參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響缺乏了解。往往在產(chǎn)品完成后才能進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，不能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如果在生產(chǎn)流水線上引進(jìn)OCT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就能對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)流水線產(chǎn)品控制自動(dòng)化。1.3 本文研究目的和主要研究?jī)?nèi)容本論文研究主題是基于光學(xué)相干層析成像的塑料薄膜厚度檢測(cè)。主要通過(guò)掃頻OCT系統(tǒng)對(duì)塑料薄膜進(jìn)行掃描成像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲得薄膜邊界以及塑料薄膜厚度等其他參數(shù)。本論文包括四個(gè)章節(jié)，每章研究?jī)?nèi)容如下：第一章首先對(duì)OCT技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)略介紹，對(duì)OCT技術(shù)進(jìn)行整體概述，對(duì)基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，介紹了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中成熟的OCT產(chǎn)品。接著介紹了本篇文章的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容，最后

19、介紹整篇文章的脈絡(luò)框架。第二章主要介紹了塑料薄膜厚度檢測(cè)系統(tǒng)的搭建以及圖像處理的算法設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)搭建方面，以掃頻OCT系統(tǒng)為基礎(chǔ)，完成厚度檢測(cè)系統(tǒng)的搭建。在圖像處理方面，以邊緣檢測(cè)為主要目標(biāo)，進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，整體算法分為邊緣提取和厚度計(jì)算兩個(gè)部分。第三章為實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析部分，也是本文的主體內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)部分主要是使用掃頻OCT系統(tǒng)塑料薄膜進(jìn)行光學(xué)相干層析成像獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果分析部分主要是對(duì)獲得的圖像文件進(jìn)行處理，最終獲得可視的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第四章為總結(jié)與展望，主要是對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果進(jìn)行總結(jié)；后半部分對(duì)此次實(shí)驗(yàn)在未來(lái)工業(yè)上的前景進(jìn)行分析，對(duì)未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行展望。第二章 掃頻OCT系統(tǒng)

20、及算法設(shè)計(jì)2.1 頻域OCT系統(tǒng)介紹頻域OCT系統(tǒng)相比于時(shí)域OCT系統(tǒng)在成像速度方面有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。頻域OCT系統(tǒng)省略了參考臂光程掃描這一復(fù)雜過(guò)程，直接一次性獲取縱向的掃描的數(shù)據(jù)。獲得干涉光譜目前主要有兩種方法,一種是基于光譜儀的光譜頻域OCT( Spectral domainOCT,SD-OCT),另一種是基于掃頻光源的掃頻OCT( Swept Source OCT,SS-OCT)。SD-OCT通過(guò)基于光柵和透鏡的光譜儀,將干涉信號(hào)分光再聚焦到線陣電荷耦合元件上獲得干涉光譜。SS-OCT采用一個(gè)輸出波長(zhǎng)隨時(shí)間高速掃描的掃頻光源，通過(guò)探測(cè)器記錄下每一波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)而得到干涉光譜。圖2.1為S

21、S-OCT原理圖。圖2.1 SS-OCT原理圖根據(jù)維納辛欽定理，信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度是一對(duì)傅立葉變換對(duì)，通過(guò)探測(cè)樣品光與參考光干涉光譜信號(hào)，基于傅立葉變換的信號(hào)處理即可恢復(fù)樣品各層信號(hào)和參考鏡信號(hào)的自相關(guān)信號(hào)，反映樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)7。2.2 掃頻OCT系統(tǒng)搭建圖2.2展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的SS-OCT系統(tǒng)框圖。整個(gè)系統(tǒng)主要分為掃頻光源、樣品臂、參考臂以及光電信號(hào)轉(zhuǎn)換四個(gè)部分。系統(tǒng)工作流程如下：掃頻激光源發(fā)射出的激光經(jīng)過(guò)光纖耦合器1，經(jīng)過(guò)50/50分光，分為兩束光。一束光進(jìn)入樣品臂中，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡和鏡子3，聚焦到樣品上，入射光束遇到組織內(nèi)的結(jié)構(gòu)或表面時(shí)發(fā)生反射，反射的光沿著樣品臂光路返回到光纖耦合

22、器1中，接著經(jīng)過(guò)光纖耦合器1的50/50分光，分為兩束，一束進(jìn)入光纖耦合器2。掃頻激光源經(jīng)過(guò)光纖耦合器1之后的另一束光通過(guò)準(zhǔn)直鏡1、鏡子1、鏡子2、準(zhǔn)直鏡2之后進(jìn)入光纖耦合器2；在光電信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，參考臂、樣品臂兩束光進(jìn)入光纖耦合器2之后發(fā)生干涉，干涉信號(hào)由平衡探測(cè)器探測(cè)得到8。平衡探測(cè)器探測(cè)得到的干涉信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波器用以去除頻率高于155MHz的信號(hào)存入電腦中。圖2.2 SS-OCT系統(tǒng)框圖實(shí)驗(yàn)室掃頻光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如下:·波長(zhǎng)范圍：985nm1095nm·中心波長(zhǎng)：1040nm1060nm·平均輸出功率：15mW·掃描頻率：100

23、kHz·最大采樣點(diǎn)數(shù)：1344·時(shí)鐘頻率：170MHz310MHz ·成像系統(tǒng)軟件：界面簡(jiǎn)單、容易操作、方便對(duì)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置圖2.3為搭建后的系統(tǒng)成品。這套系統(tǒng)是由掃頻激光光源、參考臂、樣品臂、平衡探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。光源中心波長(zhǎng)為1050，波長(zhǎng)范圍從985到1095，掃頻速率為100。圖2.3系統(tǒng)成品圖2.3 圖像處理與厚度算法設(shè)計(jì)掃頻OCT系統(tǒng)對(duì)塑料薄膜進(jìn)行光學(xué)相干層析成像，我們能夠明顯的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)的原因，有著不可避免的系統(tǒng)噪聲，嚴(yán)重影響了接下來(lái)的厚度計(jì)算。我們需要對(duì)圖像進(jìn)行處理，盡量減少噪聲對(duì)圖像處理造成的影響9。預(yù)處理流程如圖2.4所示。圖2

24、.4 圖像預(yù)處理流程圖2.3.1 圖像去噪在圖像去噪這一流程中，我們主要使用了中值濾波和腐蝕兩種方法。中值濾波，是一種經(jīng)典的非線性圖像信號(hào)處理技術(shù)，使用某一像素點(diǎn)周邊像素點(diǎn)的灰度的中值來(lái)代替該像素點(diǎn)的值，能夠有效地濾除噪聲也能很好地保護(hù)圖像的邊緣11。在實(shí)際操作中，使用的matlab中自帶的中值值濾波函數(shù)：B = medfilt2(A, m n) B = medfilt2(A)默認(rèn)的濾波模板為3*3，但是我們最終是為了獲得橫向的邊界圖像，于是可以更改濾波模板大小，更改為3*7，在保留橫向邊界的基礎(chǔ)上更加有效地濾除噪聲。腐蝕，一種消除邊界點(diǎn)，使邊界向內(nèi)部收縮的過(guò)程12。利用它可以消除小

25、而且無(wú)意義的噪聲。B對(duì)X腐蝕產(chǎn)生的二值圖像E是一組滿足以下條件的點(diǎn)（x，y）： 如果B的原點(diǎn)被轉(zhuǎn)換為點(diǎn)（x，y），那么B將完全包含在X中。計(jì)算公式如式2.1所示：; (2.1) 在實(shí)際操作中，使用matlab自帶的腐蝕函數(shù)：IM2=imerodea(IM,SE)函數(shù)中，IM為原圖像，IM2為輸出圖像，SE為腐蝕模板。2.2.2 圖像二值化二值化就是根據(jù)閾值對(duì)圖像灰度進(jìn)行重新賦值。高于閾值灰度值賦值為255，低于閾值賦值為0，將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果的過(guò)程。圖像二值化可使圖像簡(jiǎn)單化，減少了圖像數(shù)據(jù)量而且可以凸顯出感興趣的輪廓。在matlab中，二值化的函數(shù)為：B=im2bw(I,thres

26、h)其中B為二值化后的圖像，I為原圖，thresh為閾值。在實(shí)驗(yàn)中，選擇了兩種閾值方式，一種是手動(dòng)設(shè)定閾值方式，另一種是自動(dòng)獲取閾值。自動(dòng)獲取閾值的函數(shù)：thresh=graythresh(I)2.2.3 閉運(yùn)算二值化過(guò)程中，在保留圖像邊緣細(xì)節(jié)的情況下，一定會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的孔洞。為了方便之后的邊界提取，要先對(duì)空洞進(jìn)行填補(bǔ)。選擇閉運(yùn)算進(jìn)行空洞填補(bǔ)。先膨脹后腐蝕的過(guò)程稱為閉運(yùn)算。它用于填充圖像中的細(xì)小空隙，連接相鄰物體并平滑其邊界，而且不顯著改變其面積10。在matlab中有專門的閉運(yùn)算函數(shù)：B=imclose(I,se)2.2.4 邊緣檢測(cè)在邊緣檢測(cè)方面，主有三種方法可以選擇，分別是 roberts

27、 算子、sobel 算子、prewitte 算子。prewitte 算子是一種邊緣樣板算子，利用像素點(diǎn)相鄰點(diǎn)灰度差值在邊緣處達(dá)到極值為依據(jù)，檢測(cè)邊緣。在檢測(cè)邊緣的同時(shí)，對(duì)噪聲有平滑作用，有效抑制了噪聲的影響。在matlab中，調(diào)用函數(shù)為：BW=edge（I,prewitte）2.2.5厚度計(jì)算在提取邊界之后，整個(gè)圖像就分為了背景和邊界兩個(gè)部分。因?yàn)槎祷脑?，背景和邊界兩者的灰度值或?yàn)?或?yàn)?55。對(duì)于一幅圖像，最小的單位為像素。如果對(duì)每一個(gè)像素及其周邊像素點(diǎn)進(jìn)行比較判斷，得出邊界像素點(diǎn)所在的矩陣坐標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)采集的塑料薄膜圖像，邊界為橫向分布。那么通過(guò)對(duì)圖像逐列逐行進(jìn)行掃描判斷，如果b列第

28、a+1行像素點(diǎn)與b列a行的像素點(diǎn)發(fā)生灰度值的跳變，就記錄該點(diǎn)的矩陣坐標(biāo)。第三章 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析3.1 單層薄膜實(shí)驗(yàn)及結(jié)果圖3.1為原圖，3.2為中值濾波之后的圖像，3.3為腐蝕的圖像，圖3.4為二值化之后的圖像，圖3.5為閉運(yùn)算之后的圖像。圖3.1原圖圖3.2中值濾波圖3.3腐蝕 （a）使用的大小為1的“disk”模板 （b）使用的大小為2的“disk”模板 （c）使用的大小為4的“disk”模板圖3.4二值化圖3.5 閉運(yùn)算由圖可知，在中值濾波之后，圖像上仍然有著很多的噪點(diǎn)。腐蝕運(yùn)算時(shí)，分別選用了大小不同的“disk”模板進(jìn)行腐蝕，當(dāng)模板大小為4時(shí)，就能很好的去除圖像中的噪聲。接下來(lái)的處理就

29、選用圖3.4的（c）圖。圖像上的噪點(diǎn)基本去除干凈，但是圖像自身和背景的對(duì)比度降低，并不利于之后的圖像處理，所以進(jìn)行二值化運(yùn)算。二值化之后，圖像對(duì)比度增強(qiáng)，但是圖像中出現(xiàn)了很多孔洞，如果不對(duì)孔洞進(jìn)行填補(bǔ)，在接下來(lái)的邊界提取時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾。圖3.6邊界提取對(duì)圖像3.6進(jìn)行逐列掃描。因?yàn)闃悠窋[放的原因，在圖像的左邊部分，有一部分翹起。雖然對(duì)厚度計(jì)算沒(méi)有影響，但是上下邊界位置的確定會(huì)造成偏差?？倛D片總共有2000像素列，為了消除影響，我們只對(duì)第500列到1500列進(jìn)行分析。第500列到第1500列提取邊界，進(jìn)行擬合計(jì)算，得出上邊界為第305.5820像素行，下邊界為第365.1310行。單層膜厚度為59

30、.5個(gè)像素行。根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算得厚度為257.04微米。將計(jì)算得到的邊界放回圖中進(jìn)行對(duì)比，得到圖3.7。圖3.7單層膜提取邊界覆蓋圖對(duì)于單層膜的平整性方面，我們將上下邊界與各像素列中薄膜厚度進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。圖3.8單層膜結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖 （a）為上下邊界提取統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖 （b）為厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖圖3.8（a）中每一列的上邊界減去下邊界，就可以獲得圖3.8中（b）每一列的薄膜厚度的具體結(jié)果。通過(guò)分析每列的薄膜厚度，可以獲得薄膜在平整性上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)薄膜厚度數(shù)值分布在58像素行至62像素行之間。最終樣品一統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3.1所示。表3.1樣品一測(cè)量結(jié)果樣品一測(cè)量結(jié)果上邊界（像素行編號(hào)）305下邊界

31、（像素行編號(hào)）365厚度（像素行）60厚度（微米）259.2在獲得系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)之后，我們對(duì)單層塑料薄膜進(jìn)行手動(dòng)采樣與測(cè)量。測(cè)得其厚度為0.25mm。數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為1.68%，數(shù)據(jù)可信。3.2 多層薄膜實(shí)驗(yàn)及結(jié)果多層薄膜的實(shí)驗(yàn)一共做了兩組，第一組為雙層膜，第二組為三層膜。圖3.9為雙層膜OCT圖像，圖3.10為三層膜OCT圖像。圖3.9為雙層膜OCT圖像圖3.10三層膜OCT圖像單層膜因?yàn)椴牧蠁我唬凵渎蕟我?，在OCT掃描之后，圖像結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于處理。但是在處理雙層膜和三層膜的過(guò)程中，因?yàn)楦鲗幽さ牟牧喜煌?，折射率也不盡相同。所以O(shè)CT的圖像顯得更為復(fù)雜。在預(yù)處理過(guò)程中，特別是三層膜二值化與閉運(yùn)算的

32、圖像結(jié)果不是十分理想。雙層膜圖像處理結(jié)果如下：圖3.11雙層膜處理過(guò)程圖3.11中，（a）圖為原圖經(jīng)過(guò)濾波、腐蝕之后的圖像。（b）圖則是經(jīng)過(guò)二值化的圖像。因?yàn)閳D像二值化之后不存在空洞的問(wèn)題，所以跳過(guò)閉運(yùn)算的過(guò)程，直接進(jìn)行邊界提取，邊界提取結(jié)果如圖3.11（c）。三層膜處理結(jié)果如下：圖3.12三層膜處理過(guò)程在圖3.12中，（a）圖為原圖經(jīng)過(guò)濾波、腐蝕之后的圖像。（b）為二值化的圖像，（c）則為二值化的圖像。因?yàn)閳D像相較于單層與雙層膜更加復(fù)雜，圖像二值化嘗試了多種閾值，閉運(yùn)算了也更換了多種閉運(yùn)算模板，但是處理結(jié)果并不理想。但是對(duì)于圖3.12（c）而言，如果我們更改厚度計(jì)算算法中的掃描起始位置，就可

33、以避開圖像中間的空洞，完成邊界的提取和厚度的計(jì)算。圖3.13雙層膜邊界提取覆蓋圖圖3.14三層膜邊界提取覆蓋圖算法主要是對(duì)圖片中段的像素列進(jìn)行掃描，如果在OCT成像過(guò)程中，樣品擺放出現(xiàn)問(wèn)題，那么在邊界提取過(guò)程中容易出現(xiàn)某一端或兩端邊界不重合的情況。圖3.13中右端就出現(xiàn)了明顯的不重合的情況。但是，在厚度算法中，是對(duì)掃描的像素列進(jìn)行計(jì)算，所以兩端的不重合不會(huì)影響最終的結(jié)果。雙層膜中，上層膜厚度為17.6像素行，下層膜為28.8像素行。根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，厚度分別為76微米，124.4微米。三層膜中，上層膜厚度為43像素行，185.76毫米；中間層厚度18像素行，77.76毫米；下層42像素行，181.

34、44毫米。對(duì)于雙層膜，我們對(duì)三個(gè)邊界以及兩個(gè)層的厚度平整性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。圖3.15雙層膜結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖（a）為邊界提取統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖 （b）為厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖我們可以通過(guò)厚度算法獲得雙層膜各個(gè)邊界以及層厚度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。就雙層膜而言，層一的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為0.954，層二的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為0.743。實(shí)際樣品中，層一為膠帶，層二為硬塑料薄片。因?yàn)槟z帶的一面涂有膠水，相較于層二而言自然更加粗糙。圖3.16 三層膜結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖（a）為邊界提取統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖 （b）為厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖實(shí)驗(yàn)使用的三層膜為兩種材質(zhì)，層一與層三材料為同一種材料。在圖3.2.10中十分明顯的可以看出兩層厚度折線重疊。層一的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)

35、差為0.629，層二的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為0.772層三的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為0.778。同樣的材料，理論上層一與層三的標(biāo)準(zhǔn)差相近，但是存在著0.15的差值。三層膜的疊加過(guò)程中為了方便疊加，在層與層之間加入了少部分水。薄膜與水的交界處可能會(huì)附著有小的氣泡，對(duì)厚度計(jì)算造成影響。最終樣品二統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3.2所示，樣品三統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3.3所示。表3.2樣品二測(cè)量結(jié)果樣品二測(cè)量結(jié)果邊界一（像素行編號(hào)）73邊界二（像素行編號(hào)）90邊界三（像素行編號(hào)）116層一厚度（像素行）17層一厚度（微米）73.44層二厚度（像素行）26層二厚度（微米）112.32表3.3樣品三測(cè)量結(jié)果樣品三測(cè)量結(jié)果邊界一（像素行編號(hào)）

36、81邊界二（像素行編號(hào)）124邊界三（像素行編號(hào)）142邊界四（像素行編號(hào)）184層一厚度（像素行）43層一厚度（微米）185.76層二厚度（像素行）18層二厚度（微米）77.76層三厚度（像素行）42層三厚度（微米）181.44在獲得系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)之后，我們對(duì)雙層塑料薄膜進(jìn)行手動(dòng)采樣與測(cè)量。測(cè)得層一厚度為0.07mm，層二為0.12mm。層一相對(duì)誤差4.9%，層二相對(duì)誤差為6.4%。三層膜的手動(dòng)測(cè)量值分別為：0.18mm，0.08mm，0.18mm。相對(duì)誤差分別為：3.2%，2.8%以及0.8%。對(duì)比手動(dòng)測(cè)量與系統(tǒng)測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方法，手動(dòng)測(cè)量需要將多層薄膜破壞，獲得單層樣品之后再進(jìn)行測(cè)量。而且手動(dòng)測(cè)量精度低、耗時(shí)長(zhǎng)。OCT系統(tǒng)在不破壞樣品的情況下能快速對(duì)樣品進(jìn)行高精度分析。OCT技術(shù)無(wú)損性，快速性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，更加符合現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的檢測(cè)需求。第四章 總結(jié)與展望作為一種新興的成像技術(shù)，OCT除了其在科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)臨床上具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)方面展現(xiàn)了其驚人的活力。相比于技術(shù)已經(jīng)成熟的超聲，CT，PET，MRI等成像技術(shù)，OCT有著其自身的