搭建光學(xué)相干斷層掃描（OCT）系統(tǒng)您需要知道

搭建光學(xué)相干斷層掃描（OCT）系統(tǒng)
您需要知道！

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）系統(tǒng)的搭建需要光學(xué)和機(jī)械、信號(hào)和圖像處理等背景知識(shí)、一定的編程能力、以及大量的時(shí)間投入。使用現(xiàn)成的OCT光譜儀作為起始組件可以大大加快和簡(jiǎn)化這一過(guò)程，并提高收集到的圖像的質(zhì)量，

在這篇技術(shù)說(shuō)明中，我們將向您介紹搭建光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的一些關(guān)鍵原理和光路，并分享我們技術(shù)專家的一些建議，希望對(duì)您的DIY OCT系統(tǒng)能起到一些有益的幫助。

一

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）簡(jiǎn)介

光學(xué)相干斷層掃描（Optical Coherence Tomography, OCT）是一種非破壞性的3D成像技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于眼科、心臟病學(xué)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和研究等醫(yī)療應(yīng)用，以及工件探傷，熔池監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

光學(xué)相干斷層掃描是超聲波的光學(xué)版本，它使用紅外激光探測(cè)樣品，記錄光頻率的干涉圖，并使用光譜儀進(jìn)行分析以生成橫截面圖像。盡管超聲波檢查被認(rèn)為是次表面成像的標(biāo)準(zhǔn)，但其速度和分辨率有限，并且需要使用耦合介質(zhì)。共聚焦成像雖然能提供亞微米級(jí)分辨率，但非常昂貴且僅限于小于1毫米的深度。

OCT提供了高分辨率和高速的中等成像深度。它保留了超聲波將探頭帶到樣品的靈活性，但無(wú)接觸且適用于小型或精細(xì)樣品。與共聚焦成像不同，OCT可由非專業(yè)人士使用，并且可以很好地與其他系統(tǒng)集成進(jìn)行引導(dǎo)成像。

OCT結(jié)合低相干干涉測(cè)量技術(shù)和對(duì)樣品的掃描生成一系列橫截面圖像或3D體積圖像。低相干干涉測(cè)量有幾種實(shí)現(xiàn)方式，但目前主流方式有兩種：掃頻源光學(xué)相干斷層掃描（SS-OCT：Swept Source Optical Coherence Tomography）和光譜域光學(xué)相干斷層掃描（SD-OCT：Spectral Domain Optical Coherence Tomography）。這兩種方法都使用多波長(zhǎng)激光照射樣品，然后測(cè)量返回的不同波長(zhǎng)的散射光，通過(guò)對(duì)光譜進(jìn)行傅里葉變換來(lái)檢測(cè)不同深度的結(jié)構(gòu)。

上圖描述了OCT整個(gè)工作流程：

a)測(cè)量從樣品返回的多波長(zhǎng)光，

b)光譜的傅里葉變換產(chǎn)生反射與深度的關(guān)系（A-掃描）

c)沿x方向掃描光束生成橫截面圖像（B-掃描）

d)收集一系列B-掃描生成3D體積或表面圖像。

掃頻源OCT（SS-OCT）中，會(huì)使用一臺(tái)掃頻激光器對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行逐一掃描，并使用單點(diǎn)光電探測(cè)器捕捉信號(hào)。而在光譜域OCT（SD-OCT）中，則使用寬帶激光源（SLD，SLED，超連續(xù)譜光源）結(jié)合具有線陣相機(jī)的光譜儀進(jìn)行信號(hào)采集。

相比而言：SS-OCT提供高速和低衰減，但由于掃頻源激光器的高成本而價(jià)格昂貴。SD-OCT以較低的成本提供更好的分辨率，但在速度和衰減性能上無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)。直到2017年,Wasatch公司首批將一種新型相機(jī)整合到其Cobra-S OCT光譜儀產(chǎn)品線中，才很大的改善了SD-OCT的速度問(wèn)題。

OCT 概念示意圖，展示了如何使用低相干干涉測(cè)量技術(shù)來(lái)確定三維材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

使用Wasatch的Cobra-S OCT 光譜儀的SS-OCT、傳統(tǒng) SD-OCT 和高速 OCT 的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

二

光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在SD-OCT系統(tǒng)中，寬帶激光光被分成兩條路徑：一路通向參考臂，另一路通向待測(cè)樣品。來(lái)自這兩條路徑的光重新組合并干涉，產(chǎn)生的條紋圖案由光譜儀讀取，光譜儀將每個(gè)波長(zhǎng)的光纖轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸出。

光源可以使用超連續(xù)譜激光器或成本較低的超發(fā)光二極管（SLD，SLED）。為了生成橫截面的OCT圖像，激光束必須通過(guò)高速度掃描機(jī)制（如振鏡或基于MEMS的設(shè)備）快速掃描樣品。

系統(tǒng)軟件與光譜儀和掃描臂進(jìn)行通信，以同步數(shù)據(jù)采集和光束掃描，并通過(guò)快速傅里葉變換將采集的頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域數(shù)據(jù)來(lái)處理光譜。

三

什么是好的OCT光譜儀？

用于光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的OCT光譜儀對(duì)收集圖像的質(zhì)量有巨大影響。具體來(lái)講OCT光譜儀會(huì)影響整個(gè)OCT系統(tǒng)的成像深度、分辨率、圖像采集速度和圖像對(duì)比度。低“衰減”（roll-off，即隨著深度的增加，信號(hào)敏感度開(kāi)始衰減）是任何OCT光譜儀的關(guān)鍵性能參數(shù)，這個(gè)參數(shù)由光譜儀性能直接決定。

以下是評(píng)價(jià)一臺(tái)OCT光譜儀性能的一些關(guān)鍵方面：

1

整個(gè)譜段的效率：

OCT中的反射光強(qiáng)度非常低，因此高靈敏度的光譜儀將顯著改善圖像質(zhì)量。由于OCT的結(jié)果依賴于對(duì)光譜的傅里葉變換過(guò)程，所以光譜中的每個(gè)波長(zhǎng)都很重要。光譜儀響應(yīng)波長(zhǎng)越均勻，圖像質(zhì)量越好。使用高效、寬帶光柵在光譜儀中非常重要，Wasatch Photonics是世界上知名的透射式體相全息光柵的制造商，可以為OCT光譜儀需求提供量身定制的光柵，從而極大的提升了其OCT光譜儀的性能。

2

對(duì)偏振不敏感：

由于OCT是一種干涉技術(shù)，通常使用光纖進(jìn)行傳輸，這使得系統(tǒng)對(duì)偏振變化高度敏感。雖然光譜儀中的大多數(shù)組件對(duì)偏振不敏感，但一些光柵對(duì)偏振高度敏感，因此不適合OCT成像。VPH透射型體相全息光柵的偏振靈敏度非常低，這就是為什么Wasatch Photonics是全球領(lǐng)先的OCT光柵供應(yīng)商。

3

衍射極限光學(xué)設(shè)計(jì)：

市場(chǎng)上能買(mǎi)到的光學(xué)元件往往無(wú)法提供高清晰度的OCT圖像，因?yàn)楂@得良好衰減的光學(xué)限制非常嚴(yán)格。好的OCT性能要求在整個(gè)譜段上，聚焦在每個(gè)相機(jī)像素上的光斑必須很小，以避免信號(hào)擴(kuò)散到相鄰像素。Wasatch Photonics，的OCT光譜儀定制設(shè)計(jì)的鏡頭組，提供所有波長(zhǎng)下OCT的優(yōu)化光譜儀性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于使用現(xiàn)成的鏡頭。

4

高速高保真相機(jī)：

盡管優(yōu)秀光學(xué)設(shè)計(jì)可以顯著減少OCT光譜儀中的衰減，但相機(jī)像素間的串?dāng)_可能限制可實(shí)現(xiàn)的性能。在Wasatch Photonics，我們使用高靈敏度、低串?dāng)_的相機(jī)，例如用于我們的Cobra-S光譜儀所使用的相機(jī)可提供高達(dá)250 kHz的掃描速率，可滿足大多數(shù)商業(yè)SS-OCT的速度要求。

5

相機(jī)接口選項(xiàng)：

Cobra系列OCT光譜儀中相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò) camera link 或USB完成，具體取決于相關(guān)相機(jī)型號(hào)。camera link可提供更快的掃描速度和更穩(wěn)定的平臺(tái)，但需要購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的板卡和一臺(tái)電腦。USB 3.0通信則允許使用筆記本電腦進(jìn)行掃描，但僅限于130 kHz；還需要相機(jī)相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)。我們提供這兩種選項(xiàng)，給您所需的靈活性。

6

簡(jiǎn)化相機(jī)通信的SDK：

用于OCT光譜儀的相機(jī)有許多其他用途，并且附帶了大量復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)采集命令手冊(cè)，篩選這些命令可能非常耗時(shí)。因此，Cobra系列OCT光譜儀附帶軟件開(kāi)發(fā)工具包——一組精簡(jiǎn)的OCT特定命令和示例GUI，允許您在從任何OCT光譜儀中獲取圖像后的30分鐘內(nèi)開(kāi)始，節(jié)省了數(shù)天到數(shù)周的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，并保證結(jié)果。

四

Wasatch OCT光譜儀：

Wasatch Photonics提供從可見(jiàn)光到1600 nm波長(zhǎng)范圍的無(wú)與倫比的OCT光譜儀系列，速度高達(dá)250 kHz，讓您找到最適合的選擇。選擇您所需深度和分辨率的中心波長(zhǎng)和帶寬，然后選擇適合您應(yīng)用的相機(jī)、速度和連接。