微米级精度视觉技术OCT系统的组成与成像原理

如果说超声可以被认为是声纳的缩小版，那么光学相干断层扫描（OCT, Optical coherence tomography）就是相当于雷达的缩小版。与雷达一样，OCT用电磁波照射其目标并测量“回波”产生的深度，形成一个深度分辨的图像。OCT光源通常使用红外波段，具有比可见光更强的穿透力。相比于射线CT来说，OCT没有电离辐射。

 

与雷达、声纳和超声波不同，OCT并不是简单地通过快速测量回波强度信号或时延来形成一个点位移探测，而是利用干涉来确定光子在样本内反射的深度。在性能上，超声波可以以毫米级的分辨率看到几厘米的组织；OCT可以看到几毫米深度的组织，但分辨率为微米级。在透明或半透明的样品中，OCT则可以看得更深。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。

这项技术在发明以来的近三十年期间经历了很多变化与技术创新，因其具有非接触、非侵入、无损伤/无辐射、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，已从生物医疗开始拓展到越来越多的无损检测研究、工业生产以及食品药品安全等应用领域。

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OCT系统的组成与成像原理

光从系统光源出射，在耦合器被分成两束频率相同、初始相位差恒定的平行光，分别进入迈克尔逊干涉仪结构的参考臂和样品臂之中。其中参考臂的光由参考镜反射而返回后续光路，样品臂的光则要经过样品层的散射与反射作用后返回光路。如果两束返回光的光程差保持在一个相干长度之内，就可以在耦合器内发生干涉现象。对于时域OCT，移动参考臂或改变延迟即可获得不同光程的干涉信号；对于频域OCT来说，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。

在传统的谱域SD-OCT系统中，宽带光源和光谱仪是最为昂贵的元件。友思特提供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，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。该设备采用了3D打印制造外壳，整个系统被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。扫描头小巧且可定制，可实现22帧以上的实时B-scan图像扫描，并能重建带穿透深度信息的3D图像 。

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友思特OCT扫描成像系统的应用

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生物医疗-眼科/皮肤检测

OCT是20世纪90年代提出的一种新型生物医学成像技术，最早便应用于眼科治疗，弥补了超声波生物显微镜因在眼后段快速衰减的缺点，可实现高分辨率的视网膜成像。左图是视网膜多层结构图像，OQ LabScope系统可选配专用的视网膜成像模块，因其紧凑的设计而具备便携式眼科检视设备的潜力，也可方便与眼底相机相结合以提供多模态检测。右图是皮肤组织层析图像，OQ StrataScope最大成像深度可达4.5mm，并可广泛用于皮肤内层析结构3D性状分析。

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食品药品-水果/药丸检测

OQ LabScope3.0系统采用无害的近红外-短波红外光源，对生物组织、透明/半透明材料具有良好的穿透能力，可以捕获样品组织近表面区域内部结构的高分辨率任意截面图像和3D重构图像，是分析水果、药物等样品的良好无损检测方法。左图为蓝莓近表皮几毫米深的断层扫描图像，右图为胶囊OCT图像，可以清晰地分辨胶囊上下表面的反射信号，并进行精准的厚度测量。软件还配有平均厚度测量功能，实现对胶囊壁厚自动测量。

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激光加工-焊接熔深/钻孔

伴随着激光器技术和激光微加工应用技术不断发展，加工速度越来越快、加工精细程度越来越高，由此给过程质量实时监测技术带来了难题。OCT光路可以方便地与加工光路进行同轴集成，提供了一种行之有效的技术方案。左图为激光加工OCT在线熔深监测系统基本原理，OCT探测光路与加工光路同轴，可以实时监测焊接熔深。此外，也可利用振镜实现一定范围的加工轮廓检测，如右图所示为友思特OQ labscope3.0系统对激光精细钻孔（0.5mm孔径）工件的OCT图像分析案例。

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无损检测-聚合物/陶瓷/胶带检测

多反射层可穿透材料是OCT可良好成像的典型样品，比如某些塑料聚合物涂层、陶瓷、各种胶带胶水（常规胶带、隔热胶带、绝缘胶带、固化胶水等），OCT可以实现毫米级别穿透深度与微米级分辨率，可以清晰发现物体内部的缺陷、气泡等，不仅可以用于工业产线上OK或NOOK产品判别，还可以利用光学干涉信息轻松获得深度、厚度、大小测量数据。以往需要破坏性检测的样品，如今可以直接通过友思特OQ labscope3.0系统进行实时检测，不损伤产品的同时，还可以大大提高检测效率。

友思特提供的Lumedica OQLabscope系列创新OCT成像系统产品，以其高度集成、专利设计、便携易用、低成本的架构，使医疗/生物科技工作者、创新研发人员、工厂测试人员和教育工作者都能够轻松利用OCT强大的成像能力。友思特OQ LabScope系列可生成512×512像素的图像，深度分辨率可达2um，与成本高于我们三倍的OCT系统性能相当；可以快速生成图像，最高可以80kHz-A扫描速度进行3D渲染；可根据需求为特定应用配置定制模块；可选工作站配置-显微位移台，便携包配置-手提版本，可定制显微物镜、不同光源波长、扫描速度等，同时支持OEM定制。

编辑：黄飞