微米級(jí)精度視覺(jué)技術(shù)OCT系統(tǒng)的組成與成像原理

如果說(shuō)超聲可以被認(rèn)為是聲納的縮小版，那么光學(xué)相干斷層掃描（OCT, Optical coherence tomography）就是相當(dāng)于雷達(dá)的縮小版。與雷達(dá)一樣，OCT用電磁波照射其目標(biāo)并測(cè)量“回波”產(chǎn)生的深度，形成一個(gè)深度分辨的圖像。OCT光源通常使用紅外波段，具有比可見(jiàn)光更強(qiáng)的穿透力。相比于射線CT來(lái)說(shuō)，OCT沒(méi)有電離輻射。

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與雷達(dá)、聲納和超聲波不同，OCT并不是簡(jiǎn)單地通過(guò)快速測(cè)量回波強(qiáng)度信號(hào)或時(shí)延來(lái)形成一個(gè)點(diǎn)位移探測(cè)，而是利用干涉來(lái)確定光子在樣本內(nèi)反射的深度。在性能上，超聲波可以以毫米級(jí)的分辨率看到幾厘米的組織；OCT可以看到幾毫米深度的組織，但分辨率為微米級(jí)。在透明或半透明的樣品中，OCT則可以看得更深。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。

這項(xiàng)技術(shù)在發(fā)明以來(lái)的近三十年期間經(jīng)歷了很多變化與技術(shù)創(chuàng)新，因其具有非接觸、非侵入、無(wú)損傷/無(wú)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)，已從生物醫(yī)療開(kāi)始拓展到越來(lái)越多的無(wú)損檢測(cè)研究、工業(yè)生產(chǎn)以及食品藥品安全等應(yīng)用領(lǐng)域。

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OCT系統(tǒng)的組成與成像原理

光從系統(tǒng)光源出射，在耦合器被分成兩束頻率相同、初始相位差恒定的平行光，分別進(jìn)入邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的參考臂和樣品臂之中。其中參考臂的光由參考鏡反射而返回后續(xù)光路，樣品臂的光則要經(jīng)過(guò)樣品層的散射與反射作用后返回光路。如果兩束返回光的光程差保持在一個(gè)相干長(zhǎng)度之內(nèi)，就可以在耦合器內(nèi)發(fā)生干涉現(xiàn)象。對(duì)于時(shí)域OCT，移動(dòng)參考臂或改變延遲即可獲得不同光程的干涉信號(hào)；對(duì)于頻域OCT來(lái)說(shuō)，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。

在傳統(tǒng)的譜域SD-OCT系統(tǒng)中，寬帶光源和光譜儀是最為昂貴的元件。友思特提供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，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線陣列設(shè)計(jì)了一個(gè)特制環(huán)形光譜儀。該設(shè)備采用了3D打印制造外殼，整個(gè)系統(tǒng)被安裝在一個(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)。掃描頭小巧且可定制，可實(shí)現(xiàn)22幀以上的實(shí)時(shí)B-scan圖像掃描，并能重建帶穿透深度信息的3D圖像 。

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友思特OCT掃描成像系統(tǒng)的應(yīng)用

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生物醫(yī)療-眼科/皮膚檢測(cè)

OCT是20世紀(jì)90年代提出的一種新型生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，最早便應(yīng)用于眼科治療，彌補(bǔ)了超聲波生物顯微鏡因在眼后段快速衰減的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的視網(wǎng)膜成像。左圖是視網(wǎng)膜多層結(jié)構(gòu)圖像，OQ LabScope系統(tǒng)可選配專用的視網(wǎng)膜成像模塊，因其緊湊的設(shè)計(jì)而具備便攜式眼科檢視設(shè)備的潛力，也可方便與眼底相機(jī)相結(jié)合以提供多模態(tài)檢測(cè)。右圖是皮膚組織層析圖像，OQ StrataScope最大成像深度可達(dá)4.5mm，并可廣泛用于皮膚內(nèi)層析結(jié)構(gòu)3D性狀分析。

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食品藥品-水果/藥丸檢測(cè)

OQ LabScope3.0系統(tǒng)采用無(wú)害的近紅外-短波紅外光源，對(duì)生物組織、透明/半透明材料具有良好的穿透能力，可以捕獲樣品組織近表面區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率任意截面圖像和3D重構(gòu)圖像，是分析水果、藥物等樣品的良好無(wú)損檢測(cè)方法。左圖為藍(lán)莓近表皮幾毫米深的斷層掃描圖像，右圖為膠囊OCT圖像，可以清晰地分辨膠囊上下表面的反射信號(hào)，并進(jìn)行精準(zhǔn)的厚度測(cè)量。軟件還配有平均厚度測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠囊壁厚自動(dòng)測(cè)量。

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激光加工-焊接熔深/鉆孔

伴隨著激光器技術(shù)和激光微加工應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，加工速度越來(lái)越快、加工精細(xì)程度越來(lái)越高，由此給過(guò)程質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)帶來(lái)了難題。OCT光路可以方便地與加工光路進(jìn)行同軸集成，提供了一種行之有效的技術(shù)方案。左圖為激光加工OCT在線熔深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本原理，OCT探測(cè)光路與加工光路同軸，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接熔深。此外，也可利用振鏡實(shí)現(xiàn)一定范圍的加工輪廓檢測(cè)，如右圖所示為友思特OQ labscope3.0系統(tǒng)對(duì)激光精細(xì)鉆孔（0.5mm孔徑）工件的OCT圖像分析案例。

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無(wú)損檢測(cè)-聚合物/陶瓷/膠帶檢測(cè)

多反射層可穿透材料是OCT可良好成像的典型樣品，比如某些塑料聚合物涂層、陶瓷、各種膠帶膠水（常規(guī)膠帶、隔熱膠帶、絕緣膠帶、固化膠水等），OCT可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)別穿透深度與微米級(jí)分辨率，可以清晰發(fā)現(xiàn)物體內(nèi)部的缺陷、氣泡等，不僅可以用于工業(yè)產(chǎn)線上OK或NOOK產(chǎn)品判別，還可以利用光學(xué)干涉信息輕松獲得深度、厚度、大小測(cè)量數(shù)據(jù)。以往需要破壞性檢測(cè)的樣品，如今可以直接通過(guò)友思特OQ labscope3.0系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，不損傷產(chǎn)品的同時(shí)，還可以大大提高檢測(cè)效率。

友思特提供的Lumedica OQLabscope系列創(chuàng)新OCT成像系統(tǒng)產(chǎn)品，以其高度集成、專利設(shè)計(jì)、便攜易用、低成本的架構(gòu)，使醫(yī)療/生物科技工作者、創(chuàng)新研發(fā)人員、工廠測(cè)試人員和教育工作者都能夠輕松利用OCT強(qiáng)大的成像能力。友思特OQ LabScope系列可生成512×512像素的圖像，深度分辨率可達(dá)2um，與成本高于我們?nèi)兜腛CT系統(tǒng)性能相當(dāng)；可以快速生成圖像，最高可以80kHz-A掃描速度進(jìn)行3D渲染；可根據(jù)需求為特定應(yīng)用配置定制模塊；可選工作站配置-顯微位移臺(tái)，便攜包配置-手提版本，可定制顯微物鏡、不同光源波長(zhǎng)、掃描速度等，同時(shí)支持OEM定制。

編輯：黃飛

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