搭建光學相干斷層掃描（OCT）系統(tǒng)
您需要知道！

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

在這篇技術(shù)說明中，我們將向您介紹搭建光學相干斷層掃描系統(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，希望對您的DIY OCT系統(tǒng)能起到一些有益的幫助。

一

光學相干斷層掃描（OCT）簡介

光學相干斷層掃描（Optical Coherence Tomography, OCT）是一種非破壞性的3D成像技術(shù)，已廣泛應用于眼科、心臟病學、動物實驗和研究等醫(yī)療應用，以及工件探傷，熔池監(jiān)測等領(lǐng)域。

光學相干斷層掃描是超聲波的光學版本，它使用紅外激光探測樣品，記錄光頻率的干涉圖，并使用光譜儀進行分析以生成橫截面圖像。盡管超聲波檢查被認為是次表面成像的標準，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，但無接觸且適用于小型或精細樣品。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)集成進行引導成像。

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

上圖描述了OCT整個工作流程：

a)測量從樣品返回的多波長光，

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，會使用一臺掃頻激光器對波長進行逐一掃描，并使用單點光電探測器捕捉信號。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)合具有線陣相機的光譜儀進行信號采集。

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法競爭。直到2017年,Wasatch公司首批將一種新型相機整合到其Cobra-S OCT光譜儀產(chǎn)品線中，才很大的改善了SD-OCT的速度問題。

OCT 概念示意圖，展示了如何使用低相干干涉測量技術(shù)來確定三維材料內(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)對比

二

光學相干斷層掃描系統(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，另一路通向待測樣品。來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，光譜儀將每個波長的光纖轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出。

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，激光束必須通過高速度掃描機制（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行通信，以同步數(shù)據(jù)采集和光束掃描，并通過快速傅里葉變換將采集的頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時域數(shù)據(jù)來處理光譜。

三

什么是好的OCT光譜儀？

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

以下是評價一臺OCT光譜儀性能的一些關(guān)鍵方面：

1

整個譜段的效率：

OCT中的反射光強度非常低，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)果依賴于對光譜的傅里葉變換過程，所以光譜中的每個波長都很重要。光譜儀響應波長越均勻，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

對偏振不敏感：

由于OCT是一種干涉技術(shù)，通常使用光纖進行傳輸，這使得系統(tǒng)對偏振變化高度敏感。雖然光譜儀中的大多數(shù)組件對偏振不敏感，但一些光柵對偏振高度敏感，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光柵供應商。

3

衍射極限光學設(shè)計：

市場上能買到的光學元件往往無法提供高清晰度的OCT圖像，因為獲得良好衰減的光學限制非常嚴格。好的OCT性能要求在整個譜段上，聚焦在每個相機像素上的光斑必須很小，以避免信號擴散到相鄰像素。Wasatch Photonics，的OCT光譜儀定制設(shè)計的鏡頭組，提供所有波長下OCT的優(yōu)化光譜儀性能，遠遠優(yōu)于使用現(xiàn)成的鏡頭。

4

高速高保真相機：

盡管優(yōu)秀光學設(shè)計可以顯著減少OCT光譜儀中的衰減，但相機像素間的串擾可能限制可實現(xiàn)的性能。在Wasatch Photonics，我們使用高靈敏度、低串擾的相機，例如用于我們的Cobra-S光譜儀所使用的相機可提供高達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

相機接口選項：

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

6

簡化相機通信的SDK：

用于OCT光譜儀的相機有許多其他用途，并且附帶了大量復雜的控制和數(shù)據(jù)采集命令手冊，篩選這些命令可能非常耗時。因此，Cobra系列OCT光譜儀附帶軟件開發(fā)工具包——一組精簡的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)開始，節(jié)省了數(shù)天到數(shù)周的軟件開發(fā)時間，并保證結(jié)果。

四

Wasatch OCT光譜儀：

Wasatch Photonics提供從可見光到1600 nm波長范圍的無與倫比的OCT光譜儀系列，速度高達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和帶寬，然后選擇適合您應用的相機、速度和連接。