從零開始構(gòu)建DIY光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的方法及注意事項(xiàng)_abio生物試劑品牌網(wǎng)
構(gòu)建DIY光學(xué)相干斷層掃描裝置或系統(tǒng)確實(shí)是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)與樂趣的項(xiàng)目。OCT作為一種非侵入性的成像技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其在眼科檢查中發(fā)揮著重要作用。要自制這樣一個(gè)裝置，但需要多個(gè)光學(xué)和機(jī)械組件、對信號和圖像處理的了解、一些編程專業(yè)知識以及大量時(shí)間投資。如果使用預(yù)裝的現(xiàn)成SD-OCT光譜儀作為起始組件之一，即可加快和簡化此過程，降低風(fēng)險(xiǎn)，并提高所收集圖像的質(zhì)量。在本文中，我們將向您介紹DIY光學(xué)相干斷層掃描裝置的一些關(guān)鍵原理和布局，了解如何從設(shè)計(jì)的OCT光譜儀部分獲得最佳性能——無論您是打算自己構(gòu)建光譜儀還是購買光譜儀。
OCT 原理
光學(xué)相干斷層掃描是超聲波的光學(xué)版本，用光代替聲波。雖然OCT無法探測得那么深（通常為毫米），但它可以提供比超聲波分辨率高得多的圖像，而無需直接接觸或使用耦合介質(zhì)。它提供表面輪廓以及有關(guān)近表面結(jié)構(gòu)和均勻性的信息，可用于眼科、心臟病學(xué)和研究等醫(yī)療應(yīng)用以及工業(yè)檢查。
OCT使用可見光或紅外光的低相干干涉測量法，并結(jié)合對樣品的掃描，以生成一系列橫截面圖像或3D體積。市面上，有幾種方法可以進(jìn)行低相干干涉測量，但兩種最流行的方法是掃描源（SS-OCT）和光譜域（SD-OCT）。這兩種方法都將多個(gè)波長的激光照射在樣品上，然后測量返回的不同波長的散射光，對光譜進(jìn)行傅里葉變換以檢測不同深度的結(jié)構(gòu)。
OCT的執(zhí)行方法：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）在x方向上掃描光束生成橫截面圖像（“B 掃描”），d）收集一系列 B 掃描產(chǎn)生表面的3D體積或正面圖像。
在掃描源OCT（SS-OCT）中，激光在波長上進(jìn)行掃描，單元件光電探測器捕獲信號。在光譜域OCT（SD-OCT）中，寬帶激光源與光譜儀等多元素檢測器結(jié)合使用。SS-OCT提供高速和低滾降（我們將在后面解釋該術(shù)語），但由于掃描源激光器的成本高，因此價(jià)格昂貴。SD-OCT以更低的成本產(chǎn)生更好的分辨率，但它無法在速度和滾降性能方面競爭，直到幾年前Wasatch Photonics推出了行業(yè)領(lǐng)先的SD-OCT，也是第一個(gè)將這些新相機(jī)集成到我們的Cobra-S OCT光譜儀產(chǎn)品線中。
左圖：OCT概念示意圖，顯示了如何使用低相干干涉測量法來確定3維材料內(nèi)的結(jié)構(gòu)。右：使用Wasatch Photonics的Cobra-S OCT光譜儀對SS-OCT、傳統(tǒng)SD-OCT和高速OCT的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行比較。
構(gòu)建 DIY 光學(xué)相干斷層掃描裝置或系統(tǒng)
在SD-OCT系統(tǒng)中，寬帶激光分為兩條路徑：一條到參考臂，一條到待測樣品。從這兩條路徑返回的光被重新組合并干涉產(chǎn)生條紋圖案，光譜儀讀取該條紋圖案，光譜儀將每個(gè)波長的強(qiáng)度數(shù)字化。超連續(xù)激光器或低成本的超發(fā)光二極管（SLED）都可以用作光源。為了生成橫截面 OCT圖像，必須使用高速掃描機(jī)制（如振鏡或基于MEMS的設(shè)備）在樣品上快速掃描激光束。
必須編寫軟件與光譜儀和掃描臂通信，同時(shí)將數(shù)據(jù)收集與光束掃描同步，并通過使用快速傅里葉變換將頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)間數(shù)據(jù)來處理收集的光譜。
DIY SD-OCT系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，如SLED、光耦合器和參考臂，均采用先進(jìn)的制造技術(shù)生產(chǎn)，可以立即購買。OCT光譜儀是一個(gè)獨(dú)特的模塊，它利用通過半導(dǎo)體制造方法生產(chǎn)的相機(jī)和傳感器，以及精確對準(zhǔn)的定制光學(xué)元件。這使得OCT光譜儀成為DIY OCT系統(tǒng)中特別具有挑戰(zhàn)性的部分，值得更詳細(xì)地討論。
什么是好的 OCT 光譜儀？
DIY光學(xué)相干斷層掃描裝置中使用的OCT光譜儀對采集的圖像質(zhì)量有巨大影響，影響成像深度、分辨率、圖像采集速度和圖像對比度。低“滾降”（或靈敏度隨深度的變化而損失）是任何OCT光譜儀的關(guān)鍵性能參數(shù)，由光譜儀設(shè)計(jì)決定。
以下是購買或設(shè)計(jì)OCT光譜儀時(shí)需要注意的特點(diǎn)：
? 所有波長均具有高效率：OCT中的反射光強(qiáng)度非常低，因此高靈敏度光譜儀將大大提高圖像質(zhì)量。由于OCT使用光譜的傅里葉變換，因此該光譜中的每個(gè)波長都很重要。光譜儀響應(yīng)對波長的響應(yīng)越均勻，圖像質(zhì)量就越好。在光譜儀中使用高效寬帶光柵非常重要，而Wasatch Photonics提供了最好的OCT光柵。
? 對極化不敏感：鑒于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，但光譜儀中使用的幾個(gè)光柵系列可能具有很強(qiáng)的偏振依賴性，因此不適合OCT成像。VPH透射光柵具有非常低的偏振靈敏度，這就是Wasatch Photonics 成為全球OCT光柵領(lǐng)先供應(yīng)商的原因。
? 衍射極限光學(xué)設(shè)計(jì)：現(xiàn)成的光學(xué)元件通常無法提供高清晰度的 OCT圖像，因?yàn)楂@得良好滾降的光學(xué)限制非常嚴(yán)格。在每個(gè)相機(jī)像素上成像的光的光斑尺寸必須很小，以避免擴(kuò)散到相鄰像素，對于光譜儀中使用的寬波長范圍，這必須是如此。Wasatch Photonics公司的光譜儀設(shè)計(jì)能完美匹配定制透鏡組，從而在所有波長下為OCT提供優(yōu)化的光譜儀性能，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于使用現(xiàn)成的透鏡。
左圖：與使用Cobra OCT光譜儀中使用的定制優(yōu)化鏡頭組相比，使用現(xiàn)成鏡頭設(shè)計(jì)的OCT相機(jī)的聚焦質(zhì)量要差得多。右圖：高效率、低偏振靈敏度和衍射極限光學(xué)設(shè)計(jì)的組合減少了Cobra-S OCT光譜儀的滾降。
? 高速、高保真相機(jī)：雖然精心的光學(xué)設(shè)計(jì)可以顯著減少 OCT光譜儀中的滾降，但相機(jī)像素之間的串?dāng)_會(huì)限制可以實(shí)現(xiàn)的性能。Wasatch Photonics擁有高靈敏度、低串?dāng)_的相機(jī)，例如在 Cobra-S 光譜儀中使用的e2v OctoPlus相機(jī)。它能提供高達(dá)250 kHz的掃描速率，與大多數(shù)商用SS-OCT速度相當(dāng)。
? 攝像機(jī)連接的選擇：根據(jù)相機(jī)型號，可以通過Camera Link卡或USB電纜從用于收集OCT光譜的相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Camera Link通信可實(shí)現(xiàn)更快的掃描速度和更穩(wěn)定的平臺(tái)，但需要購買 Camera Link卡和安裝該卡的計(jì)算機(jī)。另一方面，USB 3.0通信允許使用筆記本電腦進(jìn)行掃描，但最高可達(dá)130 kHz;它還需要依賴于相機(jī)的軟件開發(fā)。Wasatch Photonics可以給用戶提供兩種選擇，為您提供所需的靈活性。
? 用于簡化相機(jī)通信的 SDK ：OCT光譜儀中使用的相機(jī)還有許多其他用途，并配有大量復(fù)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(shí)。這就是Wasatch Photonics OCT光譜儀配備軟件開發(fā)工具包的原因——一組簡化的、特定于OCT的命令和示例GUI，可讓您在短短30分鐘內(nèi)用OCT光譜儀開始采集圖像，可以高效的縮短軟件開發(fā)時(shí)間，并保證結(jié)果。
用于 DIY OCT 系統(tǒng)的預(yù)配置 OCT光譜儀
用戶在選擇購買預(yù)配置的OCT光譜儀而不是自己組裝光譜儀具有許多優(yōu)勢，從提高性能（從而獲得更好的圖像）到光學(xué)設(shè)計(jì)、構(gòu)建和軟件開發(fā)方面均能節(jié)省大量時(shí)間。這使用戶可以專注于應(yīng)用程序，并收集最好的圖像。
東隆科技代理的Wasatch Photonics OCT光譜儀的波長范圍從可見光到1600 nm，速度高達(dá)250 kHz，讓您找到最適合自己的。在選擇所需的深度和分辨率的中心波長和帶寬，適合您應(yīng)用的相機(jī)、速度和連接。
簡化的 OEM OCT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如果您設(shè)計(jì)的OCT系統(tǒng)用于商業(yè)用途，作為獨(dú)立的眼科或無損檢測儀器，或作為手術(shù)引導(dǎo)的補(bǔ)充成像，則可能會(huì)有額外的尺寸和集成限制等問題。因此，東隆科技代理的Wasatch Photonics專門為OEM設(shè)計(jì)了一款更小、更輕且高度耐用的OCT光譜儀。它的性能與標(biāo)志性的Cobra-S OCT光譜儀性能相當(dāng)，均能提供多種型號，同時(shí)與可用的SLD源相匹配，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的OCT體積成像。Wasatch Photonics的OCT光譜儀滿足醫(yī)療設(shè)備對熱和機(jī)械性能的嚴(yán)格要求，并已設(shè)計(jì)到符合IEC 60601等法規(guī)的設(shè)備中。
無論您有新的應(yīng)用還是現(xiàn)有的系統(tǒng)，東隆科技代理的Wasatch Photonics擁有經(jīng)驗(yàn)豐富的團(tuán)隊(duì)都將助力您的研究或新產(chǎn)品開發(fā)找到理想的OCT光柵或光譜儀。如您有獨(dú)特需求，請隨時(shí)聯(lián)系我們。
OCT 原理
光學(xué)相干斷層掃描是超聲波的光學(xué)版本，用光代替聲波。雖然OCT無法探測得那么深（通常為毫米），但它可以提供比超聲波分辨率高得多的圖像，而無需直接接觸或使用耦合介質(zhì)。它提供表面輪廓以及有關(guān)近表面結(jié)構(gòu)和均勻性的信息，可用于眼科、心臟病學(xué)和研究等醫(yī)療應(yīng)用以及工業(yè)檢查。
OCT使用可見光或紅外光的低相干干涉測量法，并結(jié)合對樣品的掃描，以生成一系列橫截面圖像或3D體積。市面上，有幾種方法可以進(jìn)行低相干干涉測量，但兩種最流行的方法是掃描源（SS-OCT）和光譜域（SD-OCT）。這兩種方法都將多個(gè)波長的激光照射在樣品上，然后測量返回的不同波長的散射光，對光譜進(jìn)行傅里葉變換以檢測不同深度的結(jié)構(gòu)。
OCT的執(zhí)行方法：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）在x方向上掃描光束生成橫截面圖像（“B 掃描”），d）收集一系列 B 掃描產(chǎn)生表面的3D體積或正面圖像。
在掃描源OCT（SS-OCT）中，激光在波長上進(jìn)行掃描，單元件光電探測器捕獲信號。在光譜域OCT（SD-OCT）中，寬帶激光源與光譜儀等多元素檢測器結(jié)合使用。SS-OCT提供高速和低滾降（我們將在后面解釋該術(shù)語），但由于掃描源激光器的成本高，因此價(jià)格昂貴。SD-OCT以更低的成本產(chǎn)生更好的分辨率，但它無法在速度和滾降性能方面競爭，直到幾年前Wasatch Photonics推出了行業(yè)領(lǐng)先的SD-OCT，也是第一個(gè)將這些新相機(jī)集成到我們的Cobra-S OCT光譜儀產(chǎn)品線中。
左圖：OCT概念示意圖，顯示了如何使用低相干干涉測量法來確定3維材料內(nèi)的結(jié)構(gòu)。右：使用Wasatch Photonics的Cobra-S OCT光譜儀對SS-OCT、傳統(tǒng)SD-OCT和高速OCT的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行比較。
構(gòu)建 DIY 光學(xué)相干斷層掃描裝置或系統(tǒng)
在SD-OCT系統(tǒng)中，寬帶激光分為兩條路徑：一條到參考臂，一條到待測樣品。從這兩條路徑返回的光被重新組合并干涉產(chǎn)生條紋圖案，光譜儀讀取該條紋圖案，光譜儀將每個(gè)波長的強(qiáng)度數(shù)字化。超連續(xù)激光器或低成本的超發(fā)光二極管（SLED）都可以用作光源。為了生成橫截面 OCT圖像，必須使用高速掃描機(jī)制（如振鏡或基于MEMS的設(shè)備）在樣品上快速掃描激光束。
必須編寫軟件與光譜儀和掃描臂通信，同時(shí)將數(shù)據(jù)收集與光束掃描同步，并通過使用快速傅里葉變換將頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)間數(shù)據(jù)來處理收集的光譜。
DIY SD-OCT系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，如SLED、光耦合器和參考臂，均采用先進(jìn)的制造技術(shù)生產(chǎn)，可以立即購買。OCT光譜儀是一個(gè)獨(dú)特的模塊，它利用通過半導(dǎo)體制造方法生產(chǎn)的相機(jī)和傳感器，以及精確對準(zhǔn)的定制光學(xué)元件。這使得OCT光譜儀成為DIY OCT系統(tǒng)中特別具有挑戰(zhàn)性的部分，值得更詳細(xì)地討論。
什么是好的 OCT 光譜儀？
DIY光學(xué)相干斷層掃描裝置中使用的OCT光譜儀對采集的圖像質(zhì)量有巨大影響，影響成像深度、分辨率、圖像采集速度和圖像對比度。低“滾降”（或靈敏度隨深度的變化而損失）是任何OCT光譜儀的關(guān)鍵性能參數(shù)，由光譜儀設(shè)計(jì)決定。
以下是購買或設(shè)計(jì)OCT光譜儀時(shí)需要注意的特點(diǎn)：
? 所有波長均具有高效率：OCT中的反射光強(qiáng)度非常低，因此高靈敏度光譜儀將大大提高圖像質(zhì)量。由于OCT使用光譜的傅里葉變換，因此該光譜中的每個(gè)波長都很重要。光譜儀響應(yīng)對波長的響應(yīng)越均勻，圖像質(zhì)量就越好。在光譜儀中使用高效寬帶光柵非常重要，而Wasatch Photonics提供了最好的OCT光柵。
? 對極化不敏感：鑒于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，但光譜儀中使用的幾個(gè)光柵系列可能具有很強(qiáng)的偏振依賴性，因此不適合OCT成像。VPH透射光柵具有非常低的偏振靈敏度，這就是Wasatch Photonics 成為全球OCT光柵領(lǐng)先供應(yīng)商的原因。
? 衍射極限光學(xué)設(shè)計(jì)：現(xiàn)成的光學(xué)元件通常無法提供高清晰度的 OCT圖像，因?yàn)楂@得良好滾降的光學(xué)限制非常嚴(yán)格。在每個(gè)相機(jī)像素上成像的光的光斑尺寸必須很小，以避免擴(kuò)散到相鄰像素，對于光譜儀中使用的寬波長范圍，這必須是如此。Wasatch Photonics公司的光譜儀設(shè)計(jì)能完美匹配定制透鏡組，從而在所有波長下為OCT提供優(yōu)化的光譜儀性能，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于使用現(xiàn)成的透鏡。
左圖：與使用Cobra OCT光譜儀中使用的定制優(yōu)化鏡頭組相比，使用現(xiàn)成鏡頭設(shè)計(jì)的OCT相機(jī)的聚焦質(zhì)量要差得多。右圖：高效率、低偏振靈敏度和衍射極限光學(xué)設(shè)計(jì)的組合減少了Cobra-S OCT光譜儀的滾降。
? 高速、高保真相機(jī)：雖然精心的光學(xué)設(shè)計(jì)可以顯著減少 OCT光譜儀中的滾降，但相機(jī)像素之間的串?dāng)_會(huì)限制可以實(shí)現(xiàn)的性能。Wasatch Photonics擁有高靈敏度、低串?dāng)_的相機(jī)，例如在 Cobra-S 光譜儀中使用的e2v OctoPlus相機(jī)。它能提供高達(dá)250 kHz的掃描速率，與大多數(shù)商用SS-OCT速度相當(dāng)。
? 攝像機(jī)連接的選擇：根據(jù)相機(jī)型號，可以通過Camera Link卡或USB電纜從用于收集OCT光譜的相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Camera Link通信可實(shí)現(xiàn)更快的掃描速度和更穩(wěn)定的平臺(tái)，但需要購買 Camera Link卡和安裝該卡的計(jì)算機(jī)。另一方面，USB 3.0通信允許使用筆記本電腦進(jìn)行掃描，但最高可達(dá)130 kHz;它還需要依賴于相機(jī)的軟件開發(fā)。Wasatch Photonics可以給用戶提供兩種選擇，為您提供所需的靈活性。
? 用于簡化相機(jī)通信的 SDK ：OCT光譜儀中使用的相機(jī)還有許多其他用途，并配有大量復(fù)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(shí)。這就是Wasatch Photonics OCT光譜儀配備軟件開發(fā)工具包的原因——一組簡化的、特定于OCT的命令和示例GUI，可讓您在短短30分鐘內(nèi)用OCT光譜儀開始采集圖像，可以高效的縮短軟件開發(fā)時(shí)間，并保證結(jié)果。
用于 DIY OCT 系統(tǒng)的預(yù)配置 OCT光譜儀
用戶在選擇購買預(yù)配置的OCT光譜儀而不是自己組裝光譜儀具有許多優(yōu)勢，從提高性能（從而獲得更好的圖像）到光學(xué)設(shè)計(jì)、構(gòu)建和軟件開發(fā)方面均能節(jié)省大量時(shí)間。這使用戶可以專注于應(yīng)用程序，并收集最好的圖像。
東隆科技代理的Wasatch Photonics OCT光譜儀的波長范圍從可見光到1600 nm，速度高達(dá)250 kHz，讓您找到最適合自己的。在選擇所需的深度和分辨率的中心波長和帶寬，適合您應(yīng)用的相機(jī)、速度和連接。
簡化的 OEM OCT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如果您設(shè)計(jì)的OCT系統(tǒng)用于商業(yè)用途，作為獨(dú)立的眼科或無損檢測儀器，或作為手術(shù)引導(dǎo)的補(bǔ)充成像，則可能會(huì)有額外的尺寸和集成限制等問題。因此，東隆科技代理的Wasatch Photonics專門為OEM設(shè)計(jì)了一款更小、更輕且高度耐用的OCT光譜儀。它的性能與標(biāo)志性的Cobra-S OCT光譜儀性能相當(dāng)，均能提供多種型號，同時(shí)與可用的SLD源相匹配，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的OCT體積成像。Wasatch Photonics的OCT光譜儀滿足醫(yī)療設(shè)備對熱和機(jī)械性能的嚴(yán)格要求，并已設(shè)計(jì)到符合IEC 60601等法規(guī)的設(shè)備中。
無論您有新的應(yīng)用還是現(xiàn)有的系統(tǒng)，東隆科技代理的Wasatch Photonics擁有經(jīng)驗(yàn)豐富的團(tuán)隊(duì)都將助力您的研究或新產(chǎn)品開發(fā)找到理想的OCT光柵或光譜儀。如您有獨(dú)特需求，請隨時(shí)聯(lián)系我們。
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