《Optics and Lasers in Engineering》：High-performance and cost-effective balanced detection OCT for industrial inspection via source-noise-based spectral calibration
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邵志恒|沈宏宇|邵丹彬|张一通|于文峰|郭文平|夏敏华中科技大学光学与电子信息学院，武汉，430074，湖北，中国摘要在这项工作中，我们提出了一种基于双通道光谱仪的平衡检测光谱域光学相干断层扫描（BD-SD-OCT）系统，用于多层电子元件的高精度非接触式检测。定制设计的不等长度光
邵志恒|沈宏宇|邵丹彬|张一通|于文峰|郭文平|夏敏
华中科技大学光学与电子信息学院，武汉，430074，湖北，中国
摘要
在这项工作中，我们提出了一种基于双通道光谱仪的平衡检测光谱域光学相干断层扫描（BD-SD-OCT）系统，用于多层电子元件的高精度非接触式检测。定制设计的不等长度光纤耦合器实现了数字色散编码，达到了12.4 μm的轴向分辨率和12 mm的成像深度（是传统SD-OCT的两倍）。通过相关性对比两个光谱仪通道的多余噪声，我们的系统实现了5 dB的信噪比（SNR）提升、20 dB的直流（DC）分量抑制和13 dB的自相关（AC）分量减少。通过成像多层胶带和柔性印刷电路板（FPC），验证了BD-SD-OCT系统的强大潜力，适用于检测多层结构。此外，该系统能够在亚微米分辨率下进行高精度三维（3D）表面测量，由于其低成本和易于集成而具有很高的适用性。
引言
作为一种非侵入式的、高分辨率成像技术，光学相干断层扫描（OCT）无需机械深度扫描即可提供生物组织的微米级横截面视图[1]。其在眼科[2]、皮肤科[3]和心脏病学[4]中的应用已经得到了充分证明。随着现代精密制造和工业4.0的快速发展，对于复杂多层结构（如柔性印刷电路板（FPC）、显示屏面板和光学薄膜）的非接触式高精度无损检测（NDT）需求日益迫切。OCT凭借其在散射介质内部进行断层扫描的能力，已从生物医学领域扩展到工业测量和质量控制[5][6]。与传统的超声波或X射线检测相比，OCT在表征透明/半透明材料及高散射介质的内部微观结构方面具有独特优势，包括涂层厚度、层间分层和次表面缺陷[7][8][9][10]。
OCT技术大致可分为时域OCT（TD-OCT）和傅里叶域OCT（FD-OCT）；相比之下，FD-OCT具有更高的信噪比（SNR）和成像速度[11]。FD-OCT进一步分为光谱域OCT（SD-OCT）和扫频源OCT（SS-OCT）。然而，将传统OCT应用于工业层状样品的检测时，会面临与生物组织成像不同的挑战。工业样品通常包含金属电极或高折射率介质，导致界面反射率远高于生物组织，这在干涉信号中产生更强的直流（DC）分量和自相关（AC）伪影[12]。强烈的DC背景会迅速耗尽探测器的满井容量，限制了系统的动态范围。同时，由多次层间反射产生的高幅度AC伪影常常与样品的真实结构信号（交叉相关分量，CC）重叠，严重干扰内部缺陷的识别和定量分析。
平衡检测（BD）技术通过区分具有相反相位的两路干涉信号，理论上可以完全消除共模DC分量和AC伪影，同时抑制共模噪声，是提高SNR的有效方法[13]。这项技术在SS-OCT中已相当成熟[14]；然而，构建SS-OCT系统通常依赖昂贵的高性能扫频源。相比之下，基于宽带光源的SD-OCT成本更低且系统稳定性更高，但实现平衡检测仍面临显著挑战。早期的BD-SD-OCT方案使用修改后的线扫描相机[15]或光学开关[17]采集模式同时检测两个干涉光谱。然而，这些方法往往受到相机采集速率的限制，或因像素间串扰导致信号质量下降，难以满足高速工业在线检测的需求。
基于双光谱仪构建BD-SD-OCT系统是一个更有前景的解决方案；但核心挑战在于实现两个独立光谱仪之间的精确像素级波长对齐。即使微小的光谱不匹配也可能导致减法失败，产生显著的残余伪影和色散类噪声[18]。一些解决方案依赖于复杂的硬件微调，难以适应应用环境，或者采用耗时的数值迭代算法，在动态场条件下难以保持长期稳定性[19]。最近，利用宽带光源固有统计特性的计算校准方法为这一问题提供了新的见解。研究表明，超连续体或超发光二极管（SLD）光源的多余噪声具有独特的“光谱特征”[20]。通过计算双光谱仪收集的噪声的互相关矩阵，可以精确恢复像素间的波长对应关系，从而指导亚像素光谱配准[21][22]。也有通过交叉相关B扫描实现这一目标的方法[23]。这种基于光源噪声的校准方法不需要额外的复杂校准程序，具有极高的实用性。
在本文中，我们提出了一种针对工业多层结构检测的高性能BD-SD-OCT系统。该系统基于迈克尔逊干涉仪架构，创新地将基于光源噪声的亚像素光谱校准与数字色散编码技术结合在一起。我们使用低成本SLD光源实现了双光谱仪的精确配准，无需额外硬件校准，有效消除了DC和AC伪影。此外，为了减轻参考臂和样品臂之间色散差异引起的分辨率下降，我们采用了数值色散补偿，并使用定制的非等长光纤引入色散不匹配，从而将有效成像深度提高了两倍[24][25]。实验结果表明，在检测多层胶带和FPC时，DC和AC分量分别减少了20 dB和13 dB，信噪比提高了5 dB。与昂贵的SS-OCT方案相比，这种解决方案具有显著的成本优势，有望集成到现代高精度设备中，用于快速检测，为工业设备的精密检测提供更优化的方案。
节选
实验设置
图1（a）展示了基于迈克尔逊干涉仪架构的平衡检测光谱域OCT（BD-SD-OCT）系统的示意图。来自超发光二极管（SLD，深圳）的宽带光通过50:50光纤耦合器FC1（FC-APC 2×2，深圳庆和光电）分为样品臂和参考臂。在样品臂中，光束由光纤准直器（F220APC，Thorlabs，美国）准直，然后导向振镜扫描仪（GVS02）
图像质量分析（多层胶带）
为了实证评估我们系统的成像能力，我们使用了多层胶带作为伪影样本。在两种不同条件下进行了评估，以严格评价系统抑制DC和AC分量的能力。
首先，我们研究了样品位于零光程差（OPD）附近的复杂情况。如图7所示，信号分量与强烈的AC伪影分量在空间上重叠。
讨论
经过光谱校准和数值色散补偿后，我们的BD-OCT系统显著抑制了DC和AC分量（分别为19.4 dB和13.5 dB），使用低成本SLD光源时信噪比仍提升了约5 dB。我们的对比分析强调了精确光谱校准在平衡检测中的关键重要性。与基于硬件的对准方法不同，后者受到非线性波长-像素关系的影响且容易受到
结论
在这项工作中，我们证明了双重平衡检测是实现高SNR OCT成像的可靠策略。我们开发的BD-OCT系统达到了200 kHz的成像速度。利用光源多余噪声的固有波长编码特性，我们在亚像素级别实现了光谱校准。该方法实现了19.4 dB的DC抑制比和13.5 dB的平均AC抑制比，从而信噪比提高了4–5 dB。
CRediT作者贡献声明
邵志恒：撰写——原始草案、可视化、验证、方法论。沈宏宇：监督、调查。邵丹彬：软件、项目管理。张一通：数据管理。于文峰：资源准备。郭文平：资源准备。夏敏：资源准备。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
