來自精密醫(yī)療成像技術(shù)的靈感：汽車工業(yè)檢測新手段誕生

今天，絕大多數(shù)的汽車都是身披一層閃閃發(fā)光的“外衣”，用它的酷炫來吸引人們的眼球。實際上，你看到的這些閃耀的金屬光澤以及各種各樣的顏色都是由汽車油漆材料中所加入的微小金屬薄片的分布和特性所決定的。現(xiàn)在，一種基于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)（光學(xué)相干斷層掃描OCT）的新方法為汽車工業(yè)提供了一種實用手段，來對這些金屬薄片進(jìn)行自動分析，以提高汽車后處理的效率。而在以前，其他技術(shù)手段都難以對這種材料進(jìn)行成像研究。

“這種新方法能夠定量，并且自動化測量工業(yè)應(yīng)用汽車涂料中金屬薄片的尺寸、數(shù)量以及排列方向”，來自英國利物浦大學(xué)的同時作為該項目的首席研究員Yaochun Shen教授說道：“這種方法可能會對汽車制造程序中的質(zhì)量控制過程非常有用”。

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)是一種以微米級分辨率獲取實時橫截面圖像、基于光學(xué)的先進(jìn)成像技術(shù)。自1991年發(fā)明以來，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用迅速擴(kuò)大，今天的醫(yī)生們經(jīng)常會使用該技術(shù)來診斷眼科疾病等。另外，該技術(shù)正在不斷進(jìn)入新的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)在許多研究人員還在探索將其作為改善制造和工業(yè)流程的有效工具的可能性。

Yaochun Shen教授介紹說：“油漆噴涂步驟是汽車加工制造過程中的一個技術(shù)瓶頸所在。如果成品車的車身油漆不符合相關(guān)要求，則必須將其進(jìn)行化學(xué)去除，并將車輛完全重新粉刷，這不僅要花費大量的時間和金錢，還可能會造成化學(xué)廢棄物和相關(guān)的環(huán)境問題”。

在著名光學(xué)期刊美國光學(xué)學(xué)會（OSA）的《Optics Express》上，Shen和他的同事報道稱，他們的方法可以自動識別直徑僅為10微米，厚度為1微米的金屬片，并對其進(jìn)行精確的三維測量，可以成功應(yīng)用在汽車涂料樣品上。并且隨著進(jìn)一步研究，該技術(shù)有望對產(chǎn)品進(jìn)行在線監(jiān)測，這樣就可以實時檢測到油漆噴涂過程中所發(fā)生的問題。

“使用該技術(shù)監(jiān)控在線工藝還可以幫助汽車制造商更好地了解整個涂層工藝。有了更好的了解，汽車行業(yè)才可能會開發(fā)出新的涂層工藝或新型涂層材料” Shen說道。

非接觸式涂料分析

汽車車身所用的油漆一般都具有復(fù)雜的四層結(jié)構(gòu)，汽車行業(yè)目前通常使用超聲波成像技術(shù)在質(zhì)量控制中對汽車油漆進(jìn)行檢查。雖然超聲波檢測儀器使用方便，但該方法不能有效地對許多現(xiàn)代汽車涂料中使用的微小金屬薄片進(jìn)行成像。并且超聲波測量儀器還要求設(shè)備與樣品進(jìn)行接觸，這意味著超聲波技術(shù)無法在不干擾油漆噴涂工作的前提下進(jìn)行在線監(jiān)測。

“當(dāng)汽車制造商聯(lián)系我們，希望開發(fā)出一種能夠分析汽車油漆材料中閃光金屬薄片的新技術(shù)時，我們覺得光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)或許可以提供一個完美的解決方案。我們在眼科研究中經(jīng)常使用到光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，因為它具有較高的成像分辨率，并且可以在不接觸樣品的情況下進(jìn)行測量，因此非常適合汽車制造商生產(chǎn)過程中的分析要求”Shen說道。

研究人員設(shè)計了一種具有非常高的橫向空間分辨率的3D光學(xué)相干斷層掃描儀器來區(qū)分微小的薄片，該設(shè)備還具有高深度分辨率以查看每個薄片的位置和排列方向。由于單個三維光學(xué)相干斷層掃描圖像包含了數(shù)以千計的薄片——數(shù)量太多，導(dǎo)致無法手動測量——研究人員還開發(fā)了一種算法，以自動識別和表征樣品中的每個薄片。

（a）OCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；（b）USAF 1951分辨率板的OCT正面圖像；（c）汽車油漆樣品的深度剖面示意圖；（d）本工作中使用的汽車油漆板的照片，其中被測區(qū)域用九個紅色點突出顯示。

研究人員通過對五種油漆樣品進(jìn)行技術(shù)測試后發(fā)現(xiàn)，光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)對頂部兩層汽車涂料（包括具有金屬薄片的涂層）的成像分析運行良好。使用3D分析算法，可以有效確定涂料樣品中金屬薄片的數(shù)量、大小和排列方向。

4種汽車油漆樣品的OCT檢測結(jié)果（左）與B掃描顯微形貌（右）的比較

研究人員表示，目前的光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，無論是硬件還是軟件都已經(jīng)能夠勝任工業(yè)環(huán)境中常用汽車油漆的分析檢測，他們接下來需要繼續(xù)研究加速測量的方法，以便更好的實現(xiàn)實時監(jiān)測。

此外，研究人員也正在嘗試將光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)應(yīng)用于其他一些工業(yè)領(lǐng)域中，例如分析藥片的表面涂層等。藥片涂層的質(zhì)量能夠有效控制藥物的釋放速率，該技術(shù)可以幫助人們定量分析這些涂層的厚度均勻性，并檢查其是否含有缺陷等。

Shen教授表示：光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)在，該技術(shù)同樣可以在許多工業(yè)應(yīng)用中大展拳腳！


轉(zhuǎn)載自：“無損檢測NDT”微信公眾號
來源：美國光學(xué)學(xué)會（OSA）
譯自：sciencedaily
譯者：Vince

參考文獻(xiàn)：

Jinke Zhang, Bryan M. Williams, Samuel Lawman, et al. Non-destructiv6eanalysis of flake properties in automotive paints with full-field opticalcoherence tomography and 3D segmentation. Optics Express, 2017; 25 (16): 18614 DOI: 10.1364/OE.25.018614

Jinke Zhang