基于外差法的红外热波成像检测装置

摘要

本发明公开了一种基于外差法的红外热波成像检测装置，所述装置包括计算机、双路函数发生器、混频器、激光器和红外相机，计算机控制双路函数发生器产生两个幅值与偏置相同、频率不同的正弦调制信号；双路函数发生器将两个频率的正弦信号输入至混频器；混频器的输出端一路控制激光器产生含有混频调制信号的激光对检测样件进行激励，另一路触发红外相机进行图像序列的同步采集；红外相机将采集的图像序列反馈至计算机，计算机将采集到的图像序列与两个频率的差频信号Δ

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外热波成像检测装置，适用于医学领域中牙齿组织的缺陷识别与检测。

背景技术

在医学领域，龋齿是一种高发性疾病，通常认为是由细菌、环境、宿主及时间等因素导致的牙齿硬组织动态时进性病损，若不及时诊断与治疗，龋齿将继续发展形成龋洞，最终使牙齿丧失。因此，找到一种检测速度快、检测分辨率高及无损伤的检测方法实现对牙齿龋损的检测至关重要。在无损检测领域，红外热波成像检测具有非接触、无损伤、直观、探测面积大及效率高等优势，因此，红外热波成像检测方法在医学检测领域具有广泛的应用前景。

红外相机是红外热波成像检测系统核心部件，而由于红外相机采集频率的限制，传统的红外热波成像检测方法只能采用较低频率的调制激励热源对样件激励，造成热波的热扩散长度较长，使得传统的红外热波成像检测方法对牙齿早期龋损检测分辨率不高。

发明内容

本发明的目的是克服目前红外热成像检测方法对牙齿早期龋损检测分辨率较低的不足，提供了一种基于外差法的红外热波成像检测装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于外差法的红外热波成像检测装置，包括计算机、双路函数发生器、混频器、激光器和红外相机，其中：

所述计算机控制双路函数发生器产生两个幅值与偏置相同、频率不同的正弦调制信号；

所述双路函数发生器将两个频率的正弦信号输入至混频器；

所述混频器的输出端一路控制激光器产生含有混频调制信号的激光对检测样件进行激励，另一路触发红外相机进行图像序列的同步采集；

所述红外相机将采集的图像序列反馈至计算机，计算机将采集到的图像序列与两个频率的差频信号Δf做锁相运算，来获取检测样件的光热辐射信号幅值图与相位图。

本发明具有如下优点：

1、可以实现牙齿早期龋损的高分辨率及高信噪比检测；

2、检测过程完全无损伤、非接触，大大提高了检测效率及准确度；

3、通过对检测样件进行主动式热波激励可实现缺陷类型及位置的高分辨率识别。

附图说明

图1是基于外差法红外热波成像检测装置的结构示意图；

图2是经混频器混频后的调制信号示意图；

图3是检测样件光学图片；

图4是最终检测缺陷结果示意图，a）相位图，b）幅值图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的基于外差法红外热波成像检测装置包括计算机1、双路函数发生器5、混频器6、激光器8、光纤9、准直镜10、样件三维移动台12、准直镜光学支架13、红外相机14、红外相机三维移动台15，其中：

所述计算机1通过USB连接线2控制双路函数发生器5产生两个幅值与偏置相同、频率不同的正弦调制信号；

所述双路函数发生器5经第一BNC连接线3和第二BNC连接线4将两个正弦调制信号输入至混频器6，混频器6的输出端一路通过第三BNC连接线7控制激光器8产生含有混频调制信号的激光对固定在样件三维移动台12上的检测样件11进行激励，另一路通过第四BNC连接线16控制红外相机14、红外相机14根据采集指令进行图像序列的同步采集；

所述红外相机14固定在红外相机三维移动台15上，红外相机14将采集的图像序列通过网线17反馈至计算机1，计算机1将采集到的图像序列与两个频率的差频信号Δf做锁相运算，来获取检测样件11的光热辐射信号幅值图与相位图，进而判断出检测样件11的缺陷类型及位置；

重复改变检测样件11的位置，通过获取检测样件11各区域的光热辐射信号的幅值与相位信息来对缺陷位置进行识别与检测。

本发明是基于外差法的光热辐射测量原理，计算机1经USB连接线2控制双路函数发生器5产生两个幅值与偏置相同、频率不同的正弦调制信号；双路函数发生器5经第一BNC连接线3和第二BNC连接线4将两个正弦调制信号输入至混频器6，混频器的输出端一路通过第三BNC连接线7控制激光器8产生含有混频调制信号的激光，通过光纤10、经准直镜9汇聚到检测样件11表面对检测样件11进行激励，调制变化的激光照射到检测样件11后由于存在光热效应，检测样件11出现温度涨落与红外辐射，光热辐射信号与检测样件光热特性参数相关，信号被红外相机14采集，生成图像序列，获取的图像序列与两个正弦信号频率的差频Δf的参考信号做锁相运算，此方法可以实现对检测样件11表面缺陷的高分辨率与高信噪比检测。

具体实施步骤如下：

步骤1、确定要测量的检测样件11，将检测样件11放置到样件三维移动台12上；

步骤2、开启基于外差法红外热波成像检测装置，此步骤包括计算机1、双路函数发生器5、混频器6、激光器8、红外相机14等设备的开启；

步骤3、通过观察计算机1判断红外相机14对焦是否合理，通过调节样件三维移动台12及红外相机三维移动台15使图像成像清晰；

步骤4、计算机1经USB连接线2控制双路函数发生器5产生两个幅值与偏置相同、频率分别为f₁和f₂的正弦调制信号；双路函数发生器5经第一BNC连接线3和第二BNC连接线4将两个正弦调制信号输入至混频器6；

步骤5、混频器6的输出端一路通过第三BNC连接线7控制激光器8产生含有混频调制信号的激光对检测样件11进行激励，同时另一路通过第四BNC连接线16触发红外相机14进行图像序列采集；

步骤6、红外相机14采集的图像序列通过网线17反馈至计算机1，计算机1将采集到的图像序列与两个频率的差频信号Δf做锁相运算，来获取检测样件的光热辐射信号幅值图与相位图，进而判断出检测样件11的缺陷类型及位置；

步骤7、调整样件三维移动台12使检测样件11至另一检测位置；

步骤8、重复步骤3～步骤7，完成采用基于外差法红外热波成像检测装置对样件的检测过程。

具体实施方式二：本实施方式中，检测样件11选择表面无明显龋损与裂纹的人类牙齿组织。将其某一位置用牙齿酸蚀剂酸蚀5min后，进行基于外差法的红外热波成像检测，其中，两个频率的正弦调制信号分别设置为y₁=A₁sin(2πf₁t)，y₂=A₂sin(2πf₂t)，经混频器混频后的调制信号为y=A₁A₂/2[cos(f₁+f₂)-cos(f₁-f₂)]。混频后的调制信号如图2所示。图2中，A₁=A₂=1；f₁=110Hz；f₂=100Hz。每次进行测试前需预热5分钟。试件检测结果如图4所示。

由图3可知，通过牙齿龋损样件的光学图片很难识别诊断出龋损部位，但由图4中牙齿龋损样件的幅值图与相位图可知，基于外差法的红外热波成像检测装置可以高分辨率高信噪比地检测出牙齿早期龋损。