从零开始：DIY光学相干断层扫描系统基础教程

构建DIY光学相干断层扫描装置或系统确实是一个充满挑战与乐趣的项目。OCT作为一种非侵入性的成像技术，广泛应用于医学领域，尤其在眼科检查中发挥着重要作用。要自制这样一个装置，但需要多个光学和机械组件、对信号和图像处理的了解、一些编程专业知识以及大量时间投资。如果使用预装的现成SD-OCT光谱仪作为起始组件之一，即可加快和简化此过程，降低风险，并提高所收集图像的质量。在本文中，我们将向您介绍DIY光学相干断层扫描装置的一些关键原理和布局，了解如何从设计的OCT光谱仪部分获得最佳性能——无论您是打算自己构建光谱仪还是购买光谱仪。

OCT原理

光学相干断层扫描是超声波的光学版本，用光代替声波。虽然OCT无法探测得那么深（通常为毫米），但它可以提供比超声波分辨率高得多的图像，而无需直接接触或使用耦合介质。它提供表面轮廓以及有关近表面结构和均匀性的信息，可用于眼科、心脏病学和研究等医疗应用以及工业检查。

OCT使用可见光或红外光的低相干干涉测量法，并结合对样品的扫描，以生成一系列横截面图像或3D体积。市面上，有几种方法可以进行低相干干涉测量，但两种最流行的方法是扫描源（SS-OCT）和光谱域（SD-OCT）。这两种方法都将多个波长的激光照射在样品上，然后测量返回的不同波长的散射光，对光谱进行傅里叶变换以检测不同深度的结构。

OCT的执行方法：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）在x方向上扫描光束生成横截面图像（“B 扫描”），d）收集一系列 B 扫描产生表面的3D体积或正面图像。

在扫描源OCT（SS-OCT）中，激光在波长上进行扫描，单元件光电探测器捕获信号。在光谱域OCT（SD-OCT）中，宽带激光源与光谱仪等多元素检测器结合使用。SS-OCT提供高速和低滚降（我们将在后面解释该术语），但由于扫描源激光器的成本高，因此价格昂贵。SD-OCT以更低的成本产生更好的分辨率，但它无法在速度和滚降性能方面竞争，直到几年前Wasatch Photonics推出了行业领先的SD-OCT，也是第一个将这些新相机集成到我们的Cobra-S OCT光谱仪产品线中。

左图：OCT概念示意图，显示了如何使用低相干干涉测量法来确定3维材料内的结构。右：使用Wasatch Photonics的Cobra-S OCT光谱仪对SS-OCT、传统SD-OCT和高速OCT的关键性能参数进行比较。

构建DIY光学相干断层扫描装置或系统

在SD-OCT系统中，宽带激光分为两条路径：一条到参考臂，一条到待测样品。从这两条路径返回的光被重新组合并干涉产生条纹图案，光谱仪读取该条纹图案，光谱仪将每个波长的强度数字化。超连续激光器或低成本的超发光二极管（SLED）都可以用作光源。为了生成横截面 OCT图像，必须使用高速扫描机制（如振镜或基于MEMS的设备）在样品上快速扫描激光束。

必须编写软件与光谱仪和扫描臂通信，同时将数据收集与光束扫描同步，并通过使用快速傅里叶变换将频率数据转换为时间数据来处理收集的光谱。

DIY SD-OCT系统的关键模块，如SLED、光耦合器和参考臂，均采用先进的制造技术生产，可以立即购买。OCT光谱仪是一个独特的模块，它利用通过半导体制造方法生产的相机和传感器，以及精确对准的定制光学元件。这使得OCT光谱仪成为DIY OCT系统中特别具有挑战性的部分，值得更详细地讨论。

什么是好的OCT光谱仪？

DIY光学相干断层扫描装置中使用的OCT光谱仪对采集的图像质量有巨大影响，影响成像深度、分辨率、图像采集速度和图像对比度。低“滚降”（或灵敏度随深度的变化而损失）是任何OCT光谱仪的关键性能参数，由光谱仪设计决定。

以下是购买或设计OCT光谱仪时需要注意的一些品质：

▪所有波长均具有高效率：OCT中的反射光强度非常低，因此高灵敏度光谱仪将大大提高图像质量。由于OCT使用光谱的傅里叶变换，因此该光谱中的每个波长都很重要。光谱仪响应对波长的响应越均匀，图像质量就越好。在光谱仪中使用高效宽带光栅非常重要，而Wasatch Photonics提供了最好的OCT光栅。

▪对极化不敏感：鉴于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，但光谱仪中使用的几个光栅系列可能具有很强的偏振依赖性，因此不适合OCT成像。VPH透射光栅具有非常低的偏振灵敏度，这就是Wasatch Photonics 成为全球OCT光栅领先供应商的原因。

▪衍射极限光学设计：现成的光学元件通常无法提供高清晰度的 OCT图像，因为获得良好滚降的光学限制非常严格。在每个相机像素上成像的光的光斑尺寸必须很小，以避免扩散到相邻像素，对于光谱仪中使用的宽波长范围，这必须是如此。在Wasatch Photonics，我们的光谱仪设计能完美匹配定制透镜组，从而在所有波长下为OCT提供优化的光谱仪性能，其性能远远优于使用现成的透镜。

左图：与使用Cobra OCT光谱仪中使用的定制优化镜头组相比，使用现成镜头设计的OCT相机的聚焦质量要差得多。右图：高效率、低偏振灵敏度和衍射极限光学设计的组合减少了Cobra-S OCT光谱仪的滚降。

▪高速、高保真相机：虽然精心的光学设计可以显著减少OCT光谱仪中的滚降，但相机像素之间的串扰会限制可以实现的性能。Wasatch Photonics拥有高灵敏度、低串扰的相机，例如在 Cobra-S 光谱仪 中使用的e2v OctoPlus相机。它能提供高达250 kHz的扫描速率，与大多数商用SS-OCT速度相当。

▪摄像机连接的选择：根据相机型号，可以通过Camera Link卡或USB电缆从用于收集OCT光谱的相机进行数据传输。Camera Link通信可实现更快的扫描速度和更稳定的平台，但需要购买 Camera Link卡和安装该卡的计算机。另一方面，USB 3.0通信允许使用笔记本电脑进行扫描，但最高可达130 kHz;它还需要依赖于相机的软件开发。Wasatch Photonics可以给用户提供两种选择，为您提供所需的灵活性。

▪用于简化相机通信的SDK：OCT光谱仪中使用的相机还有许多其他用途，并配有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。这就是Wasatch Photonics OCT光谱仪配备软件开发工具包 的原因——一组简化的、特定于OCT的命令和示例GUI，可让您在短短30分钟内用OCT光谱仪开始采集图像，可以高效的缩短软件开发时间，并保证结果。

用于DIY OCT系统的预配置OCT光谱仪

用户在选择购买预配置的OCT光谱仪而不是自己组装光谱仪具有许多优势，从提高性能（从而获得更好的图像）到光学设计、构建和软件开发方面均能节省大量时间。这使用户可以专注于应用程序，并收集最好的图像。

东隆科技代理的Wasatch Photonics OCT光谱仪的波长范围从可见光到1600 nm，速度高达250 kHz，让您找到最适合自己的。在选择所需的深度和分辨率的中心波长和带宽，适合您应用的相机、速度和连接。

简化的OEM OCT系统设计

如果您设计的OCT系统用于商业用途，作为独立的眼科或无损检测仪器，或作为手术引导的补充成像，则可能会有额外的尺寸和集成限制等问题。因此，东隆科技代理的Wasatch Photonics专门为OEM设计了一款更小、更轻且高度耐用的OCT光谱仪。它的性能与标志性的Cobra-S OCT光谱仪性能相当，均能提供多种型号，同时与可用的SLD源相匹配，以实现经济高效的OCT体积成像。Wasatch Photonics的OCT光谱仪满足医疗设备对热和机械性能的严格要求，并已设计到符合IEC 60601等法规的设备中。

无论您有新的应用还是现有的系统，东隆科技代理的Wasatch Photonics拥有经验丰富的团队都将助力您的研究或新产品开发找到理想的OCT光栅或光谱仪。如您有独特需求，请随时联系我们。