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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(jì)90年代初一問(wèn)世，其便憑借著能夠?qū)ι�物組織進(jìn)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(rèn)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(duì)眼科疾病的診斷和治療發(fā)揮著重要作用。

然而，人們對(duì)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、�?qiáng)散射介質(zhì)成像，這些成像特性對(duì)于零件的無(wú)損探傷和無(wú)損評(píng)估（NDT，NDE）應(yīng)用頗具吸引力。

事實(shí)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(shuō)明了OCT技術(shù)可用于發(fā)光二極管（LED）的封裝檢測(cè)，以及用于陶瓷材料中無(wú)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(cè)量、無(wú)損探傷、無(wú)損評(píng)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(chǔ)設(shè)備的質(zhì)量評(píng)估。^[2]

現(xiàn)在人們已經(jīng)意識(shí)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(kāi)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(wèn)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(kāi)始了在非生物應(yīng)用領(lǐng)域的拓展步伐，其中一些研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司在這方面貢獻(xiàn)了不小的力量。如奧地利非破壞性檢測(cè)研究中心主要致力于為解決制造商的測(cè)試問(wèn)題提供專門研究；英國(guó)Michelson Diagnostics公司（MDL）和美國(guó)Thorlabs公司等一些商業(yè)化OCT技術(shù)開(kāi)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(jìn)展。

       在特定應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

與目前最常用的測(cè)試和評(píng)估方法（微計(jì)算機(jī)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(shì)在于其價(jià)格、精度和速度。OCT技術(shù)基于干涉測(cè)量原理，其測(cè)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(zhǎng)。OCT技術(shù)的其他優(yōu)點(diǎn)還包括：檢測(cè)過(guò)程中零件可以訪問(wèn)（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(duì)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(jià)，提升了成像速度。超聲檢測(cè)（可用于檢測(cè)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(shí)費(fèi)力、浪費(fèi)資源的檢測(cè)方法。

總之，OCT技術(shù)提供了很多引人注目的優(yōu)勢(shì)——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(cè)材料的類型對(duì)OCT技術(shù)的應(yīng)用非常關(guān)鍵，對(duì)于OCT所能提供的波長(zhǎng)而言，材料必須是透明或半透明的。”目前市場(chǎng)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(zhǎng)。當(dāng)檢測(cè)硅材料時(shí)，OCT系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)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(jī)材料，如木頭和珍珠等。但是，OCT技術(shù)并不適用于檢測(cè)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(chǎng)。

 因此，OCT技術(shù)非常適合微型化元件的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、先進(jìn)材料的檢測(cè)與測(cè)試，無(wú)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(cè)硅材質(zhì)和塑料材質(zhì)的MEMS元件、太陽(yáng)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(cè)以及珍珠檢測(cè)等方面，都具有重要的價(jià)值（見(jiàn)圖1）。OCT技術(shù)將會(huì)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(kāi)拓出來(lái)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(jiàn)。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(biāo)。

成功使用OCT技術(shù)的秘訣是：應(yīng)用的材料要適當(dāng)，同時(shí)還要注意以下四個(gè)要點(diǎn)。首先是光源的波長(zhǎng)，其決定了成像的分辨率和成像深度。例如，1.3μm波長(zhǎng)在硅和塑料中的成像效果非常好，因?yàn)椴牧蠈?duì)該波長(zhǎng)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(duì)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(jì)算能力，其決定著成像速度。

通過(guò)使用快速可調(diào)諧激光器和更快速的線性掃描相機(jī)，也能提高成像速度。高速成像降低了由樣品移動(dòng)或環(huán)境引起的運(yùn)動(dòng)影響。OCT系統(tǒng)在這方面的改進(jìn)，能夠?yàn)樯�產(chǎn)制造和過(guò)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(fù)責(zé)為工業(yè)應(yīng)用開(kāi)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(shí)，高興不已。”RECENDT公司正致力于用OCT系統(tǒng)檢測(cè)用于建筑行業(yè)的產(chǎn)品，如聚烯烴泡沫、強(qiáng)化復(fù)合地板涂層以及玻璃纖維復(fù)合材料等（見(jiàn)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(qiáng)化復(fù)合地板，在頂部面板內(nèi)的樹(shù)脂層中，陶瓷顆粒清晰可見(jiàn)（中圖）。在玻璃纖維復(fù)合材料樣品的檢查中（右圖），一個(gè)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(gè)延長(zhǎng)缺陷。

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

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

Thorlabs公司先進(jìn)成像部門市場(chǎng)與業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)負(fù)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(jiàn)圖4）。該應(yīng)用采用了與Thorlabs為制藥公司開(kāi)發(fā)的用于檢測(cè)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(guò)程中被檢測(cè)出來(lái)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(gè)缺陷以及位置。該缺陷可能會(huì)導(dǎo)致電池失效。

Thorlabs開(kāi)發(fā)此算法用于定量測(cè)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(shí)間緩釋片表面的涂層決定著藥片將在多久的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)向體內(nèi)釋放藥物。美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）建議制藥公司實(shí)時(shí)在線監(jiān)控藥片加工過(guò)程中的每個(gè)階段。

針對(duì)制藥公司的應(yīng)用需求，Thorlabs公司專門設(shè)計(jì)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(duì)該技術(shù)和具體的應(yīng)用有著深入理解。例如，在測(cè)試對(duì)象中，任何反射表面都可以產(chǎn)生混亂的圖像失真，這是因?yàn)槎鄠�(gè)干涉路徑長(zhǎng)度和探測(cè)器的飽和。因?yàn)镺CT技術(shù)通常用于檢測(cè)過(guò)厚或過(guò)大的物體，或者是用于被認(rèn)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(shì)并不明顯。

目前，OCT技術(shù)應(yīng)用需要克服的一個(gè)主要問(wèn)題就是：要讓人們?cè)趹?yīng)用中形成使用OCT技術(shù)的意識(shí)，并要對(duì)具體的應(yīng)用和OCT技術(shù)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)有著深入的理解。目前，制造商還沒(méi)有真正意識(shí)到OCT技術(shù)的潛力。只有大量制造商開(kāi)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(shí)候，OCT技術(shù)才能迎來(lái)在應(yīng)用領(lǐng)域中的突破。


      未來(lái)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(guò)程。很多時(shí)候，工業(yè)應(yīng)用需要的是瞬時(shí)結(jié)果。

 另一個(gè)問(wèn)題是：目前市場(chǎng)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(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。未來(lái)，將需要為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的OCT系統(tǒng)。

當(dāng)然，一些商業(yè)公司已經(jīng)意識(shí)到了這一點(diǎn)，并開(kāi)始著手滿足這一市場(chǎng)需求。例如Thorlabs公司為制藥公司設(shè)計(jì)了Hyperion系統(tǒng)；MDL公司正在努力開(kāi)發(fā)下一代速度高達(dá)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(fù)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(duì)OCT技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷增強(qiáng)，以及更多、更高應(yīng)用需求的出現(xiàn)，未來(lái)OCT技術(shù)將會(huì)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(xiàn)

1. osnsupersite.com / view.aspx.

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