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年代即被開發用于生物學的無創斷層掃描成像。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檢測能力，對于不可穿透材質也可輕松實現表面輪廓掃描。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，結合不同規格掃描振鏡實現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、操作簡單等優點，從生物醫療開始已拓展到越來越多的無損檢測研究、工業生產、以及食品藥品等應用領域。

OCT的工業應用

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相比傳統相機方案的一大優勢之一是干涉圖像攜帶光程信息，可以經過校準后輕松從圖像獲得實際深度、厚度、長寬等計量數據。

02電路板輪廓

下圖顯示了從印刷電路板獲得的三維OCT數據，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

友思特提供的Lumedica-OQ LabScope系列便攜式小巧緊湊的OCT成像系統采用了獨創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形光譜儀。并采用了3D打印制造外殼，整個系統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，傳統手段需要借助切割等方式才能獲得截面圖像，或者需要經過長時間3維計算處理得到截面，而OQ Labscope系列成像系統可以直接通過高速振鏡系統獲得高達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，實現細節測量。

（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，適用各種復雜工業場景，也可以與多種同類視覺技術進行同軸光路集成，實現多模態成像，比如現在已經有比較成熟的激光加工熔深在線監測方案。

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

審核編輯 黃宇