OCT：光學(xué)相干層析成像技術(shù)

光學(xué)相干層析成像技術(shù)（OCT）在上世紀(jì)90年代即被開(kāi)發(fā)用于生物學(xué)的無(wú)創(chuàng)斷層掃描成像。OCT使用低相干干涉術(shù)，以類(lèi)似于超聲脈沖回波成像的方式，從內(nèi)部組織微結(jié)構(gòu)的光學(xué)散射信號(hào)生成截面二維圖像。OCT具有微米級(jí)的縱向和橫向空間分辨率，可以檢測(cè)到小至入射光功率~10^-10的反射信號(hào)。對(duì)透明、半透明、渾濁材料內(nèi)部可以有很好的細(xì)節(jié)檢測(cè)能力，對(duì)于不可穿透材質(zhì)也可輕松實(shí)現(xiàn)表面輪廓掃描。針對(duì)表面以及內(nèi)部缺陷識(shí)別應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是對(duì)于傳統(tǒng)相機(jī)視覺(jué)技術(shù)的有力補(bǔ)充。

一般的光學(xué)相干斷層掃描(OCT)成像系統(tǒng)示意圖如上所示。來(lái)自低相干光源的光被引導(dǎo)到一個(gè) 2 × 2 的光纖耦合器，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)。

假設(shè)耦合器將入射光功率均勻地分成樣品臂和參考臂，參考光纖的光入射到參考延遲線(xiàn)/反射鏡，并定向返回同一光纖。樣品光纖的光入射到掃描儀上，掃描儀將光束聚焦在樣品上，并通過(guò)振鏡結(jié)構(gòu)在一個(gè)或兩個(gè)橫向方向上使光斑進(jìn)行掃描，來(lái)自樣品的后向散射或直接反射的光通過(guò)相同的光學(xué)掃描系統(tǒng)重新定向返回到樣品臂光纖中，在光纖耦合器中與返回的參考臂光混合，并在光電接收器或檢測(cè)器形成干涉信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后即可反映深度軸向信息，即A-scan信號(hào)；通過(guò)樣品臂振鏡或者機(jī)械移動(dòng)掃描點(diǎn)即可得到一組A-scan信號(hào)組成的截面二維圖像，稱(chēng)為B-scan信號(hào)，同樣的，如果在x、y兩個(gè)方向進(jìn)行掃描即可得到體掃描3D圖像，也稱(chēng)為C-scan。

如果放在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，我們可以抽象地理解OCT技術(shù)為一種自帶光源的點(diǎn)探測(cè)相機(jī)，結(jié)合不同規(guī)格掃描振鏡實(shí)現(xiàn)不同的視野與掃描方式（線(xiàn)掃、面掃），而其內(nèi)部干涉光路則定義了它的“焦距”，因?yàn)橹挥性跐M(mǎn)足干涉條件的位置才能形成清晰的干涉信號(hào)。

OCT根據(jù)原理還可分成時(shí)域（TD）、譜域（SD）、掃頻域（SS）OCT技術(shù)。對(duì)于譜域OCT來(lái)說(shuō)，光源常使用紅外波段的寬帶光源，其探測(cè)器為線(xiàn)陣CMOS或者InGaAs。

這里的光源帶寬影響掃描深度與分辨率，硬件處理模塊通過(guò)快速傅里葉變換計(jì)算干涉項(xiàng)，一次掃描即可獲得單點(diǎn)全深度信息，A-scan速率一般在幾十kHz量級(jí)，意味著即使512像素以上大小的需要實(shí)時(shí)檢測(cè)切面B-scan圖像也可以達(dá)到幾十幀。在SS-OCT技術(shù)中還可以更快。

OCT與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)如超聲、共聚焦顯微鏡、CT等技術(shù)的分辨率和成像深度比較如上圖。OCT的軸向圖像分辨率范圍為1 ~ 15 um，由光源的相干長(zhǎng)度決定。在大多數(shù)生物組織/半透明工件中，由于光散射的衰減，成像深度被限制在2-3毫米，而在空氣中掃描表面輪廓的場(chǎng)景則可以實(shí)現(xiàn)約6-10mm的成像深度，OCT技術(shù)填補(bǔ)了毫米成像深度和微米成像分辨率尺度間成像領(lǐng)域的空白，且技術(shù)仍在迭代更新。在一些科研項(xiàng)目中，也有實(shí)現(xiàn)米級(jí)成像范圍的遠(yuǎn)距離OCT（如下圖，來(lái)自麻省理工論文）。

從這項(xiàng)技術(shù)發(fā)明以來(lái)這近三十年期間，因其具有非接觸、非侵入、無(wú)損傷/輻射、成像分辨率高、成像速度快、靈敏度高、實(shí)時(shí)性好、三維成像、易與內(nèi)窺鏡技術(shù)相結(jié)合、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，從生物醫(yī)療開(kāi)始已拓展到越來(lái)越多的無(wú)損檢測(cè)研究、工業(yè)生產(chǎn)、以及食品藥品等應(yīng)用領(lǐng)域。

OCT的工業(yè)應(yīng)用

OCT可用于對(duì)塑料聚合物、材料涂層和電路元件等“渾濁”物體，亦或是玻璃鏡片、膠帶等透明材料的表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，以驗(yàn)證制造工藝并評(píng)估可能存在的缺陷。

01 螺紋凹槽、螺距測(cè)量等

OCT相比傳統(tǒng)相機(jī)方案的一大優(yōu)勢(shì)之一是干涉圖像攜帶光程信息，可以經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后輕松從圖像獲得實(shí)際深度、厚度、長(zhǎng)寬等計(jì)量數(shù)據(jù)。

02電路板輪廓

下圖顯示了從印刷電路板獲得的三維OCT數(shù)據(jù)，可獲得電路元件的布局和截面。在使用特定波長(zhǎng)光源時(shí)也可以對(duì)多層板內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)損成像。

03MEMS振鏡器件

MEMS振鏡器件在1050 nm波長(zhǎng)下的OCT成像與截面掃描。此外對(duì)于Si半導(dǎo)體器件，OCT常用的1310nm波長(zhǎng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅材料的穿透，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)截面測(cè)量，相比紅外相機(jī)的方案來(lái)說(shuō)更加精準(zhǔn)，信息更加豐富。

04導(dǎo)線(xiàn)涂層

下圖為使用 OQ Labscope 系列OCT成像設(shè)備對(duì)涂層厚度進(jìn)行精密測(cè)量與成像：

友思特OCT成像系統(tǒng)

友思特提供的Lumedica-OQ LabScope系列便攜式小巧緊湊的OCT成像系統(tǒng)采用了獨(dú)創(chuàng)的光路設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)路線(xiàn)，并通過(guò)算法克服了由非制冷SLD光源的強(qiáng)度波動(dòng)引起的成像偽影，使用高像素CMOS線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)了一個(gè)特制環(huán)形光譜儀。并采用了3D打印制造外殼，整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)藍(lán)色金屬板外殼中，外殼大小與鞋盒差不多，還在其中集成了微型PC計(jì)算機(jī)。

OCT成像技術(shù)的豐富應(yīng)用

01實(shí)時(shí)截面成像

在很多質(zhì)量檢測(cè)需求中，傳統(tǒng)手段需要借助切割等方式才能獲得截面圖像，或者需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間3維計(jì)算處理得到截面，而OQ Labscope系列成像系統(tǒng)可以直接通過(guò)高速振鏡系統(tǒng)獲得高達(dá)22幀以上的實(shí)時(shí)雙軸x、y截面圖像，大大提高了檢測(cè)效率。

02多種掃描手段

擁有圓環(huán)掃描、圓徑向掃描、長(zhǎng)程掃描、逐行掃描、體掃面等5種掃描模式以適應(yīng)不同的樣品檢測(cè)需求。

03兩種測(cè)量模式

（1）鼠標(biāo)實(shí)時(shí)尺度分析，可對(duì)掃描圖像進(jìn)行任意尺度拉取刻線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)測(cè)量。

（2）自動(dòng)層厚工具，可自動(dòng)分析均勻截面平均厚度，分段厚度等信息。

04快速3D渲染與截面分析

可以決定掃描密度，A-scan/B-scan范圍和數(shù)量，每個(gè)B-scan可以配置16、32、64、128、512個(gè)A-scan，并可以拖動(dòng)矢量面分析任意切面。

OCT技術(shù)-值得期待的未來(lái)

OCT成像技術(shù)最大的特點(diǎn)是足夠靈活，傳感頭可以比相機(jī)鏡頭還小，并且可以通過(guò)幾米長(zhǎng)光纖線(xiàn)纜連接，適用各種復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景，也可以與多種同類(lèi)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行同軸光路集成，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像，比如現(xiàn)在已經(jīng)有比較成熟的激光加工熔深在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案。

可以設(shè)想，在未來(lái)會(huì)有更多OCT集成技術(shù)，補(bǔ)足傳統(tǒng)視覺(jué)技術(shù)限制，應(yīng)用在更多自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備中。

審核編輯 黃宇