搭建光學相干斷層掃描（OCT）系統
您需要知道！

光學相干斷層掃描（OCT）系統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量，

在這篇技術說明中，我們將向您介紹搭建光學相干斷層掃描系統的一些關鍵原理和光路，并分享我們技術專家的一些建議，希望對您的DIY OCT系統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，已廣泛應用于眼科、心臟病學、動物實驗和研究等醫療應用，以及工件探傷，熔池監測等領域。

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。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可由非專業人士使用，并且可以很好地與其他系統集成進行引導成像。

OCT結合低相干干涉測量技術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構。

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生反射與深度的關系（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，超連續譜光源）結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來確定三維材料內部的結構。

使用Wasatch的Cobra-S OCT 光譜儀的SS-OCT、傳統 SD-OCT 和高速 OCT 的關鍵參數對比

二

光學相干斷層掃描系統的結構

在SD-OCT系統中，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，產生的條紋圖案由光譜儀讀取，光譜儀將每個波長的光纖轉化成數字信號輸出。

光源可以使用超連續譜激光器或成本較低的超發光二極管（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的設備）快速掃描樣品。

系統軟件與光譜儀和掃描臂進行通信，以同步數據采集和光束掃描，并通過快速傅里葉變換將采集的頻域數據轉換為時域數據來處理光譜。

三

什么是好的OCT光譜儀？

用于光學相干斷層掃描系統的OCT光譜儀對收集圖像的質量有巨大影響。具體來講OCT光譜儀會影響整個OCT系統的成像深度、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光譜儀的關鍵性能參數，這個參數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量。由于OCT的結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，通常使用光纖進行傳輸，這使得系統對偏振變化高度敏感。雖然光譜儀中的大多數組件對偏振不敏感，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是全球領先的OCT光柵供應商。

3

衍射極限光學設計：

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光譜儀定制設計的鏡頭組，提供所有波長下OCT的優化光譜儀性能，遠遠優于使用現成的鏡頭。

4

高速高保真相機：

盡管優秀光學設計可以顯著減少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，可滿足大多數商業SS-OCT的速度要求。

5

相機接口選項：

Cobra系列OCT光譜儀中相機的數據傳輸可以通過 camera link 或USB完成，具體取決于相關相機型號。camera link可提供更快的掃描速度和更穩定的平臺，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；還需要相機相關的軟件開發。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據采集命令手冊，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分鐘內開始，節省了數天到數周的軟件開發時間，并保證結果。

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。