导读
OCT可以用于工业成像检测。然而，现在的OCT技术不具备动态扫描能力，当样品处于连续运动工况时，传统振镜系统的固定扫描轨迹会引发采样点空间分布失配，导致重建图像产生条纹状拉伸或压缩畸变，但连续运动的流水线检测为工业检测的主要方式，这限制了OCT技术在工业领域的推广应用。山东大学宋维业团队提出了一种自适应扫描OCT系统（AS-OCT），其利用OCT可以获得深度信息的特点，独创了一种无需外部传感器的速度测算方法，再通过控制算法控制振镜扫描速度，补偿运动造成的畸变。该成果以“Dynamic Optical Coherence Tomography for Industrial Inline Inspection: Real-Time Motion Artifact Compensation via Adaptive Galvanometer Scanning”为题发表在了《Advanced Engineering Informatics》杂志上。
研究背景
在智能制造高速发展的背景下，工业在线检测系统面临着动态测量精度与成像速度的双重挑战。当前主流技术如激光三角测量法、结构光三维成像及高速机器视觉在静态场景中表现优异，但在处理运动物体时普遍存在两个技术瓶颈：其一，表面形貌测量与速度检测需分立系统实现，多传感器数据融合带来的时间同步误差可达毫秒级；其二，现有光学检测手段受限于二维投影特性，难以在物体高速运动时同步解析深度维信息，导致动态测量中轴向分辨率严重损失。因此为保证测量精度，现有检测系统普遍要求被测物绝对静止，即使个别应用于流水线的系统也采用“凝视检测”模式，仍依赖机械平台的间歇式启停，导致检测效率降低30%-50%，并伴随机械磨损与产线协同难题。因此开发一种高分辨率的动态扫描技术对于检测行业具有重要意义。
研究方法
为实现高分辨率的运动物体扫描系统本研究主要有以下两点创新。首先提出了不依赖外部传感器仅靠OCT自身特性的速度测量方法，该方法基于OCT穿透成像特性，创新性地通过相邻B扫描层的高度差解析样品实时运动速度。进一步，为突破传统OCT系统的运动限制，提出面向动态物体的主动式扫描补偿技术。针对运动物体引起的扫描图像畸变问题，建立了基于振镜-运动耦合的数学模型，通过实时获取物体运动速度并设计新型控制算法驱动振镜实现同步跟踪。
研究结果
本研究所搭建的系统模型及工作流程如图1所示。我们通过该系统进行路测速准确性验证，随后进行了标准尺及二维码样品的扫描验证。
图1 运动中样品的动态OCT扫描成像。（a）运动畸变矫正示意图，（b）AS-OCT系统。（c）AS-OCT动态扫描工作流程和信号传输示意图
振镜跟随扫描的效果依赖于精准的速度测量，因此首先进行了测速效果的验证。我们将标准尺倾斜放置在传送带上，通过传送带设置匀加速、正弦、三角波及复合运动，通过OCT扫描相邻Bscan的高度变化，从而实现速度精准测量。测试结果如下图2所示。
图2 实时测速结果
实现了精准测速后，我们进一步对标准尺和二维码进行运动中扫描测试系统的图像重建质量。测试仍在匀加速、正弦、三角波及复合运动下进行，标准尺在不同算法下振镜速度跟随结果如图3所示。我们所提出的FlexPID振镜速度控制算法有良好的速度跟随效果。
图3 实时速度跟随结果。速度跟随曲线（左列），跟随误差（中列），评估指标（右列）
用不同算法控制振镜跟随速度变化所获得的数据重建结果如下图4所示。可以看出FlexPID算法所重建图像几乎没有产生畸变。
图4 图像重建结果及归一化互相关指标
最终我们使用常见的二维码做样本进行了系统性能测试，如图5所示。最终FlexPID算法所重建的二维码几乎没有运动畸变，且能被解码设备准确识别。
图5 二维码扫描重建结果
论文信息
该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的支持。山东大学博士生李子健为第一作者，山东大学宋维业教授为通讯作者。
