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作者：Barbara G. Goode

       光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)在20世紀90年代初一問世，其便憑借著能夠?qū)ι�物組織進行高分辨率、深度成像的能力，贏得了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的普遍認可。隨后，OCT技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。目前，在世界各地?zé)o數(shù)的眼科治療案例中，OCT技術(shù)每天都對眼科疾病的診斷和治療發(fā)揮著重要作用。

然而，人們對OCT技術(shù)在非生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用卻知之甚少。OCT技術(shù)采用一種非接觸式和非侵入式的操作方法，能夠?qū)ν该�、渾濁、強散射介質(zhì)成像，這些成像特性對于零件的無損探傷和無損評估（NDT，NDE）應(yīng)用頗具吸引力。

事實上，早在2007就有介紹OCT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的論文發(fā)表，文章說明了OCT技術(shù)可用于發(fā)光二極管（LED）的封裝檢測，以及用于陶瓷材料中無損探傷。

目前，人們正在研究OCT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用，其中包括表面與厚度測量、無損探傷、無損評估；用于陶瓷、玻璃元件、高分子材料、復(fù)合纖維材料和紙材料的非接觸材料特性鑒定；以及用于數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的質(zhì)量評估。^[2]

現(xiàn)在人們已經(jīng)意識到了OCT技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域之外的巨大應(yīng)用潛力，已經(jīng)開始探討OCT技術(shù)能夠適用的主要應(yīng)用領(lǐng)域，并且也在致力于了解這些領(lǐng)域的特定應(yīng)用需求和普遍存在的問題。

OCT技術(shù)一直在不斷向前快速發(fā)展。大約在兩年前，OCT技術(shù)開始了在非生物應(yīng)用領(lǐng)域的拓展步伐，其中一些研究機構(gòu)和商業(yè)公司在這方面貢獻了不小的力量。如奧地利非破壞性檢測研究中心主要致力于為解決制造商的測試問題提供專門研究；英國Michelson Diagnostics公司（MDL）和美國Thorlabs公司等一些商業(yè)化OCT技術(shù)開發(fā)者，也在“OCT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用”方面取得了重要進展。

       在特定應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢

與目前最常用的測試和評估方法（微計算機斷層掃描技術(shù)，Micro-CT）相比， OCT技術(shù)所能提供的最大優(yōu)勢在于其價格、精度和速度。OCT技術(shù)基于干涉測量原理，其測量更加精確，而且OCT系統(tǒng)供應(yīng)商也已經(jīng)在成像速度方面獲得了穩(wěn)步增長。OCT技術(shù)的其他優(yōu)點還包括：檢測過程中零件可以訪問（Micro-CT則是使樣本處于電離輻射中），另外還能采用手持探針對樣本成像。與傳統(tǒng)的紅外（IR）顯微鏡檢查技術(shù)（可用于檢查硅零件）相比，OCT技術(shù)以成像分辨率和成像深度為代價，提升了成像速度。超聲檢測（可用于檢測復(fù)合材料）能夠?qū)崿F(xiàn)更深的成像，并且也能提供手持探針成像模式，但是其分辨率卻不盡人意。目前一些制造商仍然在使用耗時費力、浪費資源的檢測方法。

總之，OCT技術(shù)提供了很多引人注目的優(yōu)勢——但是該技術(shù)也并非適用于任何應(yīng)用。MDL公司首席執(zhí)行官Jon Holmes指出：“檢測材料的類型對OCT技術(shù)的應(yīng)用非常關(guān)鍵，對于OCT所能提供的波長而言，材料必須是透明或半透明的。”目前市場上的多數(shù)OCT系統(tǒng)能夠提供1300nm（近紅外）甚至是一些更短的波長。當(dāng)檢測硅材料時，OCT系統(tǒng)的優(yōu)勢盡顯。此外，OCT技術(shù)比較適用的一些其他材料包括多數(shù)聚合物材料和塑料（如PMMA）、陶瓷以及有機材料，如木頭和珍珠等。但是，OCT技術(shù)并不適用于檢測金屬。OCT技術(shù)在1~3mm深度成像效果非常好，能夠提供5~20μm的分辨率，并能獲得幾毫米的視場。

 因此，OCT技術(shù)非常適合微型化元件的產(chǎn)品開發(fā)、先進材料的檢測與測試，無論是在離線和在線的情況下。需要特別指出的是，OCT技術(shù)在檢測硅材質(zhì)和塑料材質(zhì)的MEMS元件、太陽能電池板的質(zhì)量控制、由復(fù)合材料制成的設(shè)備（如渦輪葉片）的質(zhì)量控制、微工程塑料原型零件、聚合物設(shè)備的檢測以及珍珠檢測等方面，都具有重要的價值（見圖1）。OCT技術(shù)將會在很多特定的應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手，目前提到的這些很可能只是剛剛被開拓出來的冰山一角。

圖1：OCT成像使一顆珍珠的外層和內(nèi)核之間的邊界、以及其內(nèi)部的層次清晰可見。珍珠外層的厚度和質(zhì)量是表征珍珠質(zhì)量好壞的重要指標。

成功使用OCT技術(shù)的秘訣是：應(yīng)用的材料要適當(dāng)，同時還要注意以下四個要點。首先是光源的波長，其決定了成像的分辨率和成像深度。例如，1.3μm波長在硅和塑料中的成像效果非常好，因為材料對該波長的吸收非常小。二是光源的功率，其決定著更深區(qū)域成像的對比度。三是光譜儀的攝像頭和光學(xué)元件，其決定著成像質(zhì)量。最后是計算能力，其決定著成像速度。

通過使用快速可調(diào)諧激光器和更快速的線性掃描相機，也能提高成像速度。高速成像降低了由樣品移動或環(huán)境引起的運動影響。OCT系統(tǒng)在這方面的改進，能夠為生產(chǎn)制造和過程控制提供良好的快速成像解決方案。

應(yīng)用案例

奧地利RECENDT公司負責(zé)為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)新OCT系統(tǒng)的科學(xué)家Martin Wurm博士表示：“RECENDT的制造客戶都渴望采用更好的工具。當(dāng)制造商看到這些新的OCT系統(tǒng)時，高興不已。”RECENDT公司正致力于用OCT系統(tǒng)檢測用于建筑行業(yè)的產(chǎn)品，如聚烯烴泡沫、強化復(fù)合地板涂層以及玻璃纖維復(fù)合材料等（見圖2）。

圖2：超高分辨率OCT能夠在聚烯烴泡沫樣品的不同深度成像，（a）圖顯示的是成像橫截面，（b-e）圖為平面圖像（左圖）。同樣的方法可以檢查強化復(fù)合地板，在頂部面板內(nèi)的樹脂層中，陶瓷顆粒清晰可見（中圖）。在玻璃纖維復(fù)合材料樣品的檢查中（右圖），一個OCT截面視圖（a）和優(yōu)美的顯微照片（b），很清楚地顯示出了其內(nèi)部的一個延長缺陷。

目前，MDL公司也正在為一個客戶的MEMS制造工廠安裝OCT顯微鏡系統(tǒng)，用于在線檢測（見圖3）。

圖3：OCT系統(tǒng)可以透過位于一個MEMS壓力傳感器表面上的薄膜成像（在左上方可見），產(chǎn)生一系列橫向截面圖像，其展示了內(nèi)部缺陷的詳細情況。

Thorlabs公司先進成像部門市場與業(yè)務(wù)開發(fā)負責(zé)人Anjul Davis表示，日本一家汽車公司正在使用OCT技術(shù)檢查車用電池外殼是否有缺陷，而這些缺陷能導(dǎo)致電池壽命縮短（見圖4）。該應(yīng)用采用了與Thorlabs為制藥公司開發(fā)的用于檢測藥片涂層相同的算法。有了高速OCT技術(shù)，這些缺陷就能夠在制造過程中被檢測出來了。

 圖4：用OCT掃描車用電池外殼，顯示了該外殼中存在的一個缺陷以及位置。該缺陷可能會導(dǎo)致電池失效。

Thorlabs開發(fā)此算法用于定量測量涂層和表面粗糙度，這些參數(shù)通常在應(yīng)用中非常重要。例如在制藥應(yīng)用中，時間緩釋片表面的涂層決定著藥片將在多久的時間內(nèi)繼續(xù)向體內(nèi)釋放藥物。美國食品和藥物管理局（FDA）建議制藥公司實時在線監(jiān)控藥片加工過程中的每個階段。

針對制藥公司的應(yīng)用需求，Thorlabs公司專門設(shè)計了一套Hyperion系統(tǒng)，其能以110kHz的線速率成像。另外能夠適用于該應(yīng)用的唯一一種技術(shù)是太赫茲成像，但是基于該技術(shù)的解決方案更加昂貴，并且成像速度并非足夠快。

      克服挑戰(zhàn)

要成功地應(yīng)用OCT技術(shù)，必須要對該技術(shù)和具體的應(yīng)用有著深入理解。例如，在測試對象中，任何反射表面都可以產(chǎn)生混亂的圖像失真，這是因為多個干涉路徑長度和探測器的飽和。因為OCT技術(shù)通常用于檢測過厚或過大的物體，或者是用于被認為需要更高分辨率的應(yīng)用中，因此與現(xiàn)有的技術(shù)（如Micro-CT）相比，該技術(shù)的優(yōu)勢并不明顯。

目前，OCT技術(shù)應(yīng)用需要克服的一個主要問題就是：要讓人們在應(yīng)用中形成使用OCT技術(shù)的意識，并要對具體的應(yīng)用和OCT技術(shù)所帶來的優(yōu)勢有著深入的理解。目前，制造商還沒有真正意識到OCT技術(shù)的潛力。只有大量制造商開始采用OCT技術(shù)、而其他制造商也看到OCT技術(shù)是多么有用的時候，OCT技術(shù)才能迎來在應(yīng)用領(lǐng)域中的突破。


      未來發(fā)展方向

RECENDT公司的Martin Wurm博士已經(jīng)將OCT系統(tǒng)看成是具有反饋的在線系統(tǒng)的一部分，用于控制生產(chǎn)過程。很多時候，工業(yè)應(yīng)用需要的是瞬時結(jié)果。

 另一個問題是：目前市場上能提供的大量OCT系統(tǒng)，都主要是面向科研人員或臨床醫(yī)生使用的，而并不是真正為工業(yè)制造領(lǐng)域的快速測量應(yīng)用而設(shè)計的。未來，將需要為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計的OCT系統(tǒng)。

當(dāng)然，一些商業(yè)公司已經(jīng)意識到了這一點，并開始著手滿足這一市場需求。例如Thorlabs公司為制藥公司設(shè)計了Hyperion系統(tǒng)；MDL公司正在努力開發(fā)下一代速度高達140kHz的OCT系統(tǒng)。Thorlabs公司的Davis表示：“我們打算將顯示程序移到圖形卡中，以減少CPU的負荷，提高成像速度。”

目前，用于非生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的OCT技術(shù)尚處在起步階段。隨著人們對OCT技術(shù)認識的不斷增強，以及更多、更高應(yīng)用需求的出現(xiàn)，未來OCT技術(shù)將會在生物醫(yī)學(xué)以外更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域中找到更多用武之地。 

       參考文獻

1. osnsupersite.com / view.aspx.

2. Appl Phys B 88, p. 337 (2007).