搭建光学相干断层扫描（OCT）系统您需要知道

搭建光学相干断层扫描（OCT）系统
您需要知道！

光学相干断层扫描（OCT）系统的搭建需要光学和机械、信号和图像处理等背景知识、一定的编程能力、以及大量的时间投入。使用现成的OCT光谱仪作为起始组件可以大大加快和简化这一过程，并提高收集到的图像的质量，

在这篇技术说明中，我们将向您介绍搭建光学相干断层扫描系统的一些关键原理和光路，并分享我们技术专家的一些建议，希望对您的DIY OCT系统能起到一些有益的帮助。

一

光学相干断层扫描（OCT）简介

光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）是一种非破坏性的3D成像技术，已广泛应用于眼科、心脏病学、动物实验和研究等医疗应用，以及工件探伤，熔池监测等领域。

光学相干断层扫描是超声波的光学版本，它使用红外激光探测样品，记录光频率的干涉图，并使用光谱仪进行分析以生成横截面图像。尽管超声波检查被认为是次表面成像的标准，但其速度和分辨率有限，并且需要使用耦合介质。共聚焦成像虽然能提供亚微米级分辨率，但非常昂贵且仅限于小于1毫米的深度。

OCT提供了高分辨率和高速的中等成像深度。它保留了超声波将探头带到样品的灵活性，但无接触且适用于小型或精细样品。与共聚焦成像不同，OCT可由非专业人士使用，并且可以很好地与其他系统集成进行引导成像。

OCT结合低相干干涉测量技术和对样品的扫描生成一系列横截面图像或3D体积图像。低相干干涉测量有几种实现方式，但目前主流方式有两种：扫频源光学相干断层扫描（SS-OCT：Swept Source Optical Coherence Tomography）和光谱域光学相干断层扫描（SD-OCT：Spectral Domain Optical Coherence Tomography）。这两种方法都使用多波长激光照射样品，然后测量返回的不同波长的散射光，通过对光谱进行傅里叶变换来检测不同深度的结构。

上图描述了OCT整个工作流程：

a)测量从样品返回的多波长光，

b)光谱的傅里叶变换产生反射与深度的关系（A-扫描）

c)沿x方向扫描光束生成横截面图像（B-扫描）

d)收集一系列B-扫描生成3D体积或表面图像。

扫频源OCT（SS-OCT）中，会使用一台扫频激光器对波长进行逐一扫描，并使用单点光电探测器捕捉信号。而在光谱域OCT（SD-OCT）中，则使用宽带激光源（SLD，SLED，超连续谱光源）结合具有线阵相机的光谱仪进行信号采集。

相比而言：SS-OCT提供高速和低衰减，但由于扫频源激光器的高成本而价格昂贵。SD-OCT以较低的成本提供更好的分辨率，但在速度和衰减性能上无法竞争。直到2017年,Wasatch公司首批将一种新型相机整合到其Cobra-S OCT光谱仪产品线中，才很大的改善了SD-OCT的速度问题。

OCT 概念示意图，展示了如何使用低相干干涉测量技术来确定三维材料内部的结构。

使用Wasatch的Cobra-S OCT 光谱仪的SS-OCT、传统 SD-OCT 和高速 OCT 的关键参数对比

二

光学相干断层扫描系统的结构

在SD-OCT系统中，宽带激光光被分成两条路径：一路通向参考臂，另一路通向待测样品。来自这两条路径的光重新组合并干涉，产生的条纹图案由光谱仪读取，光谱仪将每个波长的光纤转化成数字信号输出。

光源可以使用超连续谱激光器或成本较低的超发光二极管（SLD，SLED）。为了生成横截面的OCT图像，激光束必须通过高速度扫描机制（如振镜或基于MEMS的设备）快速扫描样品。

系统软件与光谱仪和扫描臂进行通信，以同步数据采集和光束扫描，并通过快速傅里叶变换将采集的频域数据转换为时域数据来处理光谱。

三

什么是好的OCT光谱仪？

用于光学相干断层扫描系统的OCT光谱仪对收集图像的质量有巨大影响。具体来讲OCT光谱仪会影响整个OCT系统的成像深度、分辨率、图像采集速度和图像对比度。低“衰减”（roll-off，即随着深度的增加，信号敏感度开始衰减）是任何OCT光谱仪的关键性能参数，这个参数由光谱仪性能直接决定。

以下是评价一台OCT光谱仪性能的一些关键方面：

1

整个谱段的效率：

OCT中的反射光强度非常低，因此高灵敏度的光谱仪将显著改善图像质量。由于OCT的结果依赖于对光谱的傅里叶变换过程，所以光谱中的每个波长都很重要。光谱仪响应波长越均匀，图像质量越好。使用高效、宽带光栅在光谱仪中非常重要，Wasatch Photonics是世界上知名的透射式体相全息光栅的制造商，可以为OCT光谱仪需求提供量身定制的光栅，从而极大的提升了其OCT光谱仪的性能。

2

对偏振不敏感：

由于OCT是一种干涉技术，通常使用光纤进行传输，这使得系统对偏振变化高度敏感。虽然光谱仪中的大多数组件对偏振不敏感，但一些光栅对偏振高度敏感，因此不适合OCT成像。VPH透射型体相全息光栅的偏振灵敏度非常低，这就是为什么Wasatch Photonics是全球领先的OCT光栅供应商。

3

衍射极限光学设计：

市场上能买到的光学元件往往无法提供高清晰度的OCT图像，因为获得良好衰减的光学限制非常严格。好的OCT性能要求在整个谱段上，聚焦在每个相机像素上的光斑必须很小，以避免信号扩散到相邻像素。Wasatch Photonics，的OCT光谱仪定制设计的镜头组，提供所有波长下OCT的优化光谱仪性能，远远优于使用现成的镜头。

4

高速高保真相机：

尽管优秀光学设计可以显著减少OCT光谱仪中的衰减，但相机像素间的串扰可能限制可实现的性能。在Wasatch Photonics，我们使用高灵敏度、低串扰的相机，例如用于我们的Cobra-S光谱仪所使用的相机可提供高达250 kHz的扫描速率，可满足大多数商业SS-OCT的速度要求。

5

相机接口选项：

Cobra系列OCT光谱仪中相机的数据传输可以通过 camera link 或USB完成，具体取决于相关相机型号。camera link可提供更快的扫描速度和更稳定的平台，但需要购买相应的板卡和一台电脑。USB 3.0通信则允许使用笔记本电脑进行扫描，但仅限于130 kHz；还需要相机相关的软件开发。我们提供这两种选项，给您所需的灵活性。

6

简化相机通信的SDK：

用于OCT光谱仪的相机有许多其他用途，并且附带了大量复杂的控制和数据采集命令手册，筛选这些命令可能非常耗时。因此，Cobra系列OCT光谱仪附带软件开发工具包——一组精简的OCT特定命令和示例GUI，允许您在从任何OCT光谱仪中获取图像后的30分钟内开始，节省了数天到数周的软件开发时间，并保证结果。

四

Wasatch OCT光谱仪：

Wasatch Photonics提供从可见光到1600 nm波长范围的无与伦比的OCT光谱仪系列，速度高达250 kHz，让您找到最适合的选择。选择您所需深度和分辨率的中心波长和带宽，然后选择适合您应用的相机、速度和连接。