OCT成像技术：突破传统限制，掌握内部缺陷图像，轻松实现深度检测

来源：友思特 机器视觉与光电 友思特分享丨OCT成像技术：突破传统限制，掌握内部缺陷图像，轻松实现深度检测

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OCT：光学相干层析成像技术

光学相干层析成像技术（OCT）在上世纪90年代即被开发用于生物学的无创断层扫描成像。OCT使用低相干干涉术，以类似于超声脉冲回波成像的方式，从内部组织微结构的光学散射信号生成截面二维图像。OCT具有微米级的纵向和横向空间分辨率，可以检测到小至入射光功率~10^-10的反射信号。对透明、半透明、浑浊材料内部可以有很好的细节检测能力，对于不可穿透材质也可轻松实现表面轮廓扫描。针对表面以及内部缺陷识别应用来说，是对于传统相机视觉技术的有力补充。

一般的光学相干断层扫描(OCT)成像系统示意图如上所示。来自低相干光源的光被引导到一个 2 × 2 的光纤耦合器，形成一个简单的迈克尔逊干涉仪结构。

假设耦合器将入射光功率均匀地分成样品臂和参考臂，参考光纤的光入射到参考延迟线/反射镜，并定向返回同一光纤。样品光纤的光入射到扫描仪上，扫描仪将光束聚焦在样品上，并通过振镜结构在一个或两个横向方向上使光斑进行扫描，来自样品的后向散射或直接反射的光通过相同的光学扫描系统重新定向返回到样品臂光纤中，在光纤耦合器中与返回的参考臂光混合，并在光电接收器或检测器形成干涉信号，这个信号经过处理后即可反映深度轴向信息，即A-scan信号；通过样品臂振镜或者机械移动扫描点即可得到一组A-scan信号组成的截面二维图像，称为B-scan信号，同样的，如果在x、y两个方向进行扫描即可得到体扫描3D图像，也称为C-scan。

如果放在机器视觉领域，我们可以抽象地理解OCT技术为一种自带光源的点探测相机，结合不同规格扫描振镜实现不同的视野与扫描方式（线扫、面扫），而其内部干涉光路则定义了它的“焦距”，因为只有在满足干涉条件的位置才能形成清晰的干涉信号。

OCT根据原理还可分成时域（TD）、谱域（SD）、扫频域（SS）OCT技术。对于谱域OCT来说，光源常使用红外波段的宽带光源，其探测器为线阵CMOS或者InGaAs。

这里的光源带宽影响扫描深度与分辨率，硬件处理模块通过快速傅里叶变换计算干涉项，一次扫描即可获得单点全深度信息，A-scan速率一般在几十kHz量级，意味着即使512像素以上大小的需要实时检测切面B-scan图像也可以达到几十帧。在SS-OCT技术中还可以更快。

OCT与传统检测技术如超声、共聚焦显微镜、CT等技术的分辨率和成像深度比较如上图。OCT的轴向图像分辨率范围为1 ~ 15 um，由光源的相干长度决定。在大多数生物组织/半透明工件中，由于光散射的衰减，成像深度被限制在2-3毫米，而在空气中扫描表面轮廓的场景则可以实现约6-10mm的成像深度，OCT技术填补了毫米成像深度和微米成像分辨率尺度间成像领域的空白，且技术仍在迭代更新。在一些科研项目中，也有实现米级成像范围的远距离OCT（如下图，来自麻省理工论文）。

从这项技术发明以来这近三十年期间，因其具有非接触、非侵入、无损伤/辐射、成像分辨率高、成像速度快、灵敏度高、实时性好、三维成像、易与内窥镜技术相结合、操作简单等优点，从生物医疗开始已拓展到越来越多的无损检测研究、工业生产、以及食品药品等应用领域。

PART?01?OCT的工业应用

OCT可用于对塑料聚合物、材料涂层和电路元件等“浑浊”物体，亦或是玻璃镜片、胶带等透明材料的表面形貌和内部结构进行成像，以验证制造工艺并评估可能存在的缺陷。

01?螺纹凹槽、螺距测量等

OCT相比传统相机方案的一大优势之一是干涉图像携带光程信息，可以经过校准后轻松从图像获得实际深度、厚度、长宽等计量数据。

02?电路板轮廓

下图显示了从印刷电路板获得的三维OCT数据，可获得电路元件的布局和截面。在使用特定波长光源时也可以对多层板内部结构无损成像。

03?MEMS振镜器件

MEMS振镜器件在1050 nm波长下的OCT成像与截面扫描。此外对于Si半导体器件，OCT常用的1310nm波长设计可以实现对硅材料的穿透，可以进行实时截面测量，相比红外相机的方案来说更加精准，信息更加丰富。

04?导线涂层

下图为使用 OQ Labscope 系列OCT成像设备对涂层厚度进行精密测量与成像：

PART?02?友思特OCT成像系统

友思特提供的Lumedica-OQ LabScope系列便携式小巧紧凑的OCT成像系统采用了独创的光路设计与工艺技术路线，并通过算法克服了由非制冷SLD光源的强度波动引起的成像伪影，使用高像素CMOS线阵列设计了一个特制环形光谱仪。并采用了3D打印制造外壳，整个系统安装在一个蓝色金属板外壳中，外壳大小与鞋盒差不多，还在其中集成了微型PC计算机。

PART?03?OCT成像技术的丰富应用

01?实时截面成像

在很多质量检测需求中，传统手段需要借助切割等方式才能获得截面图像，或者需要经过长时间3维计算处理得到截面，而OQ Labscope系列成像系统可以直接通过高速振镜系统获得高达22帧以上的实时双轴x、y截面图像，大大提高了检测效率。

02?多种扫描手段

拥有圆环扫描、圆径向扫描、长程扫描、逐行扫描、体扫面等5种扫描模式以适应不同的样品检测需求。

03?两种测量模式

（1）鼠标实时尺度分析，可对扫描图像进行任意尺度拉取刻线，实现细节测量。

（2）自动层厚工具，可自动分析均匀截面平均厚度，分段厚度等信息。

04?快速3D渲染与截面分析

可以决定扫描密度，A-scan/B-scan范围和数量，每个B-scan可以配置16、32、64、128、512个A-scan，并可以拖动矢量面分析任意切面。

OCT技术-值得期待的未来

OCT成像技术最大的特点是足够灵活，传感头可以比相机镜头还小，并且可以通过几米长光纤线缆连接，适用各种复杂工业场景，也可以与多种同类视觉技术进行同轴光路集成，实现多模态成像，比如现在已经有比较成熟的激光加工熔深在线监测方案。

可以设想，在未来会有更多OCT集成技术，补足传统视觉技术限制，应用在更多自动化检测设备中。