未來視界 頃刻之間

友思特全新實驗室專欄正式成立啦，歡迎踏入“未來視界趣味實驗室”！在這里，我們將以獨特的視角，帶大家探索光電與機器視覺的奧秘。

想象一下，如何通過小小攝像頭看透物體深處的故事？如何利用光線編織出數(shù)字世界的圖案？我們將著手設計有趣的光學傳感實驗，解讀像素間的密語，理解深度學習/3D檢測/新型光電等技術在機器圖像檢測識別中的神奇力量。

每一次實驗，都是理論與實踐的碰撞，是科技與生活無縫對接的瞬間。無論你是深度科技愛好者，還是單純的好奇寶寶，這里都有引人入勝的的視覺奇遇。讓我們一起開啟這場眼見為實的科技之旅吧！

當雞蛋碰上OCT成像系統(tǒng)？

OCT成像系統(tǒng)

友思特 OQlabscope 3.0 系列 OCT 成像系統(tǒng)，利用 840nm 近紅外光線的光學干涉成像技術，可以以類似于超聲脈沖回波成像的方式，從檢測樣品外部輪廓或內(nèi)部微結(jié)構返回光學散射信號，經(jīng)過一系列運算處理得到多角度穿透截面圖像以及3D圖像。因為OCT基于光學信號，不像超聲需要介質(zhì)接觸測試物體，因此具有無損檢測的優(yōu)點，且波長一般在近紅外波段，因此也不像X射線CT那樣有電離輻射。OCT具有微米級的縱向和橫向空間分辨率和毫米級的穿透深度，紅外光對透明、半透明、渾濁材料內(nèi)部可以有很好的細節(jié)檢測能力，對于不可穿透材質(zhì)也可輕松實現(xiàn)表面輪廓掃描與精細測量，針對表面以及內(nèi)部缺陷識別與測量應用具有強大優(yōu)勢。

雞蛋

蛋殼：主要成分是碳酸鈣，是雞蛋抵御細菌侵入的第一道防線，覆蓋著多達17000個微小的孔，因此在強光下是看起來半透的，允許水分和空氣通過。蛋殼可以是白色或棕色，取決于母雞的品種。

氣室：雞蛋在下蛋后冷卻時在較寬的一端形成。雞蛋越新鮮，氣室越小。

胚盤：表現(xiàn)為蛋黃表面的輕微凹陷，這是卵子受精的切入點。

蛋殼膜：雞蛋抵御細菌的第二道防線。蛋殼內(nèi)部實際上有兩層膜：一層粘在蛋殼上，另一層包裹著蛋白，這兩層膜緊密連接。它們受酸堿性影響粘附性，有的雞蛋煮熟后難剝皮或者容易順帶蛋白一起剝下便是殼膜的原因。

卵黃膜：也被稱為蛋黃膜，包圍并保持蛋黃。雞蛋越新鮮，膜就越堅固。

蛋黃：雞蛋中維生素和礦物質(zhì)的主要來源。相當于雞蛋重量的1/3。顏色根據(jù)母雞的飼料從淺黃色到深橙色不等；這并不影響雞蛋的營養(yǎng)價值。

系帶：把蛋黃固定在雞蛋中央的一對螺旋帶。雞蛋越新鮮，系帶越明顯。

蛋白/蛋清：占雞蛋重量的2/3。蛋白主要由水、優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)和少量礦物質(zhì)組成。

雞蛋OCT成像檢測實驗

我們之前的實驗已經(jīng)證明，OCT可以用于人體牙齒檢測，穿透1mm以上深度觀察到其內(nèi)部凸起、表面細節(jié)以及齲齒填充物狀態(tài)（如下圖）。因為牙齒的主要成分為羥基磷酸鈣，在紅外光線下有比較好的透過率。

牙齒組織（帶填充物）OCT成像效果

而雞蛋殼的主要成分是碳酸鈣，它在OCT系統(tǒng)探頭下會是什么樣子呢？為了探究OCT對蛋殼材料的穿透性，我們首先研究了蛋殼的基本結(jié)構，看見了它在電鏡下的掃描切面圖：殼橫截面由外到內(nèi)可分為角質(zhì)層、柵欄層、乳突層、殼膜，各層結(jié)構排列緊密，自外向里致密程度逐層降低，角質(zhì)層晶體間的縫隙構成了大量微小的貫穿內(nèi)外的氣孔，使胚胎在發(fā)育的過程中得以進行內(nèi)外氣體交換。

雞蛋殼的電鏡圖

1. 生雞蛋OCT檢測

理論上如上所述，這樣致密的外殼給OCT的穿透效果帶來了挑戰(zhàn)。實踐出真知！于是我們拿來了一顆生雞蛋，開始動手設計實驗觀察驗證。

我們使用的OCT系統(tǒng)為譜域光學相干斷層掃描系統(tǒng)（SD-OCT），光源是中心波長為 840nm 的紅外寬帶超發(fā)光二極管（SLD），系統(tǒng)的 A-scan 點掃描速率為 34kHz，B-scan 截面（512*512px）掃描幀率為 22fps，深度分辨率為 5um，橫向分辨率為 18um，最大成像深度為空氣中 3mm、組織中 2mm，單次3D掃描成像范圍為 5mm*5mm，靈敏度可達 100dB。

實驗過程中，我們將樣品臂掃描頭安裝在顯微位移支架上，雞蛋置于正下方 2cm 左右。

上圖顯示了拍攝場景與實際的OCT多維切面及3D圖像，頂部黑色區(qū)域?qū)獰o反射信號的空氣，白色像素在表面信號較強，那里便是雞蛋殼的表面，可以看到OCT成功的穿透了蛋殼的一定深度，并能得到部分蛋殼下層細節(jié)。

但是如前所述，蛋殼表層由致密帶微氣孔的碳酸鈣構成，下表面則是不規(guī)則乳突與蛋清薄膜接觸，可以發(fā)現(xiàn)，雞蛋的OCT影像的下表面并不如上表面清晰。分析認為可能的原因有：

下表面直接與蛋清液體接觸，大量信號被吸收導致回波信號太弱；

對于蛋殼這類碳酸鈣材料，該測試波長穿透能力不足，往返光程下信號已經(jīng)難以探測。

2. 熟雞蛋OCT檢測

為了進一步驗證這些分析，我們把雞蛋煮熟，嘗試對熟雞蛋的多種蛋殼狀態(tài)進行檢測。

首先是普通裂開狀態(tài)，我們使用手機的微距近紅外攝像頭拍攝探頭掃描過程，可以發(fā)現(xiàn)肉眼看不到的掃描“十字線“（如右上圖），這樣可以快速定位需要的掃描區(qū)域。

*此外，我們也提供同軸集成OCT探頭的定位檢視相機的版本，即可省去這一步驟。

通過 OQlabscope 3.0 的3D渲染模式，可在幾秒鐘內(nèi)拍攝512張切面圖片重建并清晰還原表面形態(tài)（如中間圖）；而2D截面（如右下圖）則可以在掃描的過程中幾乎實時（22幀）呈現(xiàn)。從成像結(jié)果來看，OCT系統(tǒng)可以實時檢測并分辨um級尺寸裂紋，但對于蛋殼下的物質(zhì)則無法直接觀測。

我們需要掰開一小塊蛋殼來觀察殼膜、蛋白和蛋黃的情況。幸運的是，我們很快找到了一小塊 5×5mm2 區(qū)域（如下圖），滿足同時觀測蛋殼+殼膜+蛋白的條件。

從測試結(jié)果可以清晰分辨不同材質(zhì)的OCT圖像：蛋白表現(xiàn)為高透過率均勻的散射信號，成像深度明顯增加；蛋殼仍然難以穿透看到下表面，但可以輕松通過高度差來測量蛋殼厚度；殼膜則表現(xiàn)為厚度分明的白色亮線條。

蛋白穿透深度、殼膜/蛋殼厚度測量結(jié)果

使用 OQlabcope3.0 軟件自帶的測量功能，通過鼠標直接拉取刻度即可測量蛋白穿透深度、殼膜厚度、蛋殼厚度。圖中數(shù)據(jù)為空氣中校準值，其中蛋殼輪廓高度為準確值，蛋白和殼膜的光程需要折合折射率換算。

接下來，我們驗證了蛋白包裹的蛋黃的OCT圖像，我們找到一處蛋白較淺的區(qū)域，可能更好的觀測蛋黃。拍攝場景如下：

可以發(fā)現(xiàn)，蛋白和蛋黃的分界面十分清晰，也可以看到可能因為煮熟而使得蛋黃膜與蛋白之間產(chǎn)生的間隙。

3. 蛋殼厚度測量

為了驗證所檢測的蛋殼OCT圖像厚度是否準確，以及僅有蛋殼的情況下，其下表面是否可以被探測，我們?nèi)∠乱恍×３叽?1mm 的蛋殼碎屑放在一片更大的蛋殼上，并置于OCT系統(tǒng)的探頭下方。

從測量結(jié)果可以看出，兩層蛋殼的上表面均可清晰觀測到反射信號，但是蛋殼的下表面仍然無法被探測到。而蛋殼的厚度則可以通過側(cè)面輪廓的高度來測量，OCT測量軟件顯示多次測量結(jié)果為 338.1um，與使用游標卡尺測量的結(jié)果 0.34mm ，可以看出數(shù)據(jù)符合較好，證明了OCT成像測量的高精度特性。

也就是說，對于雞蛋殼而言，想直接通過 840nm 的OCT系統(tǒng)測量厚度是難以實現(xiàn)的，但是可以通過測量碎裂或微創(chuàng)輪廓等方法，非接觸地實現(xiàn)蛋殼厚度的精準測量。

OCT雞蛋檢測實驗的現(xiàn)實意義

OCT檢測方法的高分辨率和準確性可以使其在雞蛋質(zhì)量檢測的流水線中有應用潛力，它可以監(jiān)測蛋殼特征的微小差異，也能對被測雞蛋的表面和部分深度進行三維重建，這些深度圖像信息的特征可能有效反映了雞蛋的儲藏時間、質(zhì)量狀態(tài)等。

由于對于生雞蛋蛋殼，OCT技術難以直接穿透并對雞蛋內(nèi)部成像，因此研究人員采用微創(chuàng)的方法，在雞蛋殼對應位置開一個 0.5mm 直徑的小洞，使用振鏡系統(tǒng)通過扇形掃描的方式，獲取未孵化生雞蛋的內(nèi)部信息。這種方式可以直接觀測胚盤結(jié)構信息，對未孵化小雞進行性別鑒定，以提前確定是可用的肉雞還是蛋雞。

這對于一些工業(yè)化孵化基地來說非常有價值，因為在傳統(tǒng)的操作中，大量新孵化的非所需品類性別的雞仔可能會被直接殺死，以確保效率和飼料資源利用率，而OCT檢測則提供了一種快速鑒別雞蛋性別可行方法。此外，也有研究人員證明，OCT檢測方法還可以拓展到考古學，研究恐龍蛋的蛋殼結(jié)構等。

實驗小結(jié)

我們希望通過淺顯易懂的生活實驗以及清晰直觀的圖像解釋，喚起大家對OCT以及相關視覺成像領域的好奇心，鼓勵更多有志者、有才者參與科技創(chuàng)新。

請相信，每一道光線背后都隱藏著無限可能，而新興技術原理的機器視覺正引領著我們步入一個前所未有的感知時代。讓我們一起期待，在光電與視覺交織的世界，創(chuàng)造出更多便捷生活的科技與融入科技的生活。

感謝您的關注，我們下期再見！

參考文獻：

[1] Anke Burkhardt, Stefan Geissler, Edmund Koch, "Optical coherence tomography as approach for the minimal invasive localization of the germinal disc in ovo before chicken sexing," Proc. SPIE 7715, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care II, 77151W (2010/5/18); https://doi.org/10.1117/12.853392

[2] Sabuncu, Metin, Akdo?an, Mete, “Utilizing Optical Coherence Tomography in the Nondestructive and Noncontact Measurement of Egg Shell Thickness” 2014/07/13, https://doi.org/10.1155/2014/205191

審核編輯 黃宇