OCT：光學相干層析成像技術

光學相干層析成像技術（OCT）在上世紀90年代即被開發(fā)用于生物學的無創(chuàng)斷層掃描成像。OCT使用低相干干涉術，以類似于超聲脈沖回波成像的方式，從內部組織微結構的光學散射信號生成截面二維圖像。OCT具有微米級的縱向和橫向空間分辨率，可以檢測到小至入射光功率~10^-10的反射信號。對透明、半透明、渾濁材料內部可以有很好的細節(jié)檢測能力，對于不可穿透材質也可輕松實現(xiàn)表面輪廓掃描。針對表面以及內部缺陷識別應用來說，是對于傳統(tǒng)相機視覺技術的有力補充。

一般的光學相干斷層掃描(OCT)成像系統(tǒng)示意圖如上所示。來自低相干光源的光被引導到一個 2 × 2 的光纖耦合器，形成一個簡單的邁克爾遜干涉儀結構。

假設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/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，并通過振鏡結構在一個或兩個橫向方向上使光斑進行掃描，來自樣品的后向散射或直接反射的光通過相同的光學掃描系統(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器形成干涉信號，這個信號經(jīng)過處理后即可反映深度軸向信息，即A-scan信號；通過樣品臂振鏡或者機械移動掃描點即可得到一組A-scan信號組成的截面二維圖像，稱為B-scan信號，同樣的，如果在x、y兩個方向進行掃描即可得到體掃描3D圖像，也稱為C-scan。

如果放在機器視覺領域，我們可以抽象地理解OCT技術為一種自帶光源的點探測相機，結合不同規(guī)格掃描振鏡實現(xiàn)不同的視野與掃描方式（線掃、面掃），而其內部干涉光路則定義了它的“焦距”，因為只有在滿足干涉條件的位置才能形成清晰的干涉信號。

OCT根據(jù)原理還可分成時域（TD）、譜域（SD）、掃頻域（SS）OCT技術。對于譜域OCT來說，光源常使用紅外波段的寬帶光源，其探測器為線陣CMOS或者InGaAs。

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

OCT與傳統(tǒng)檢測技術如超聲、共聚焦顯微鏡、CT等技術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景則可以實現(xiàn)約6-10mm的成像深度，OCT技術填補了毫米成像深度和微米成像分辨率尺度間成像領域的空白，且技術仍在迭代更新。在一些科研項目中，也有實現(xiàn)米級成像范圍的遠距離OCT（如下圖，來自麻省理工論文）。

從這項技術發(fā)明以來這近三十年期間，因其具有非接觸、非侵入、無損傷/輻射、成像分辨率高、成像速度快、靈敏度高、實時性好、三維成像、易與內窺鏡技術相結合、操作簡單等優(yōu)點，從生物醫(yī)療開始已拓展到越來越多的無損檢測研究、工業(yè)生產(chǎn)、以及食品藥品等應用領域。

OCT的工業(yè)應用

OCT可用于對塑料聚合物、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部結構進行成像，以驗證制造工藝并評估可能存在的缺陷。

01 螺紋凹槽、螺距測量等

OCT相比傳統(tǒng)相機方案的一大優(yōu)勢之一是干涉圖像攜帶光程信息，可以經(jīng)過校準后輕松從圖像獲得實際深度、厚度、長寬等計量數(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。在使用特定波長光源時也可以對多層板內部結構無損成像。

03MEMS振鏡器件

MEMS振鏡器件在1050 nm波長下的OCT成像與截面掃描。此外對于Si半導體器件，OCT常用的1310nm波長設計可以實現(xiàn)對硅材料的穿透，可以進行實時截面測量，相比紅外相機的方案來說更加精準，信息更加豐富。

04導線涂層

下圖為使用 OQ Labscope 系列OCT成像設備對涂層厚度進行精密測量與成像：

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)采用了獨創(chuàng)的光路設計與工藝技術路線，并通過算法克服了由非制冷SLD光源的強度波動引起的成像偽影，使用高像素CMOS線陣列設計了一個特制環(huán)形光譜儀。并采用了3D打印制造外殼，整個系統(tǒng)安裝在一個藍色金屬板外殼中，外殼大小與鞋盒差不多，還在其中集成了微型PC計算機。

OCT成像技術的豐富應用

01實時截面成像

在很多質量檢測需求中，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)過長時間3維計算處理得到截面，而OQ Labscope系列成像系統(tǒng)可以直接通過高速振鏡系統(tǒng)獲得高達22幀以上的實時雙軸x、y截面圖像，大大提高了檢測效率。

02多種掃描手段

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

03兩種測量模式

（1）鼠標實時尺度分析，可對掃描圖像進行任意尺度拉取刻線，實現(xiàn)細節(jié)測量。

（2）自動層厚工具，可自動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B-scan可以配置16、32、64、128、512個A-scan，并可以拖動矢量面分析任意切面。

OCT技術-值得期待的未來

OCT成像技術最大的特點是足夠靈活，傳感頭可以比相機鏡頭還小，并且可以通過幾米長光纖線纜連接，適用各種復雜工業(yè)場景，也可以與多種同類視覺技術進行同軸光路集成，實現(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監(jiān)測方案。

可以設想，在未來會有更多OCT集成技術，補足傳統(tǒng)視覺技術限制，應用在更多自動化檢測設備中。

審核編輯 黃宇