【Thorlabs教程】OCT基礎

光學相干層析(OCT)是一種無損傷的光學成像方法，能夠實時提供1D深度、2D橫截面和3D體圖像，一般具有微米解析度和若干毫米成像深度。OCT圖像基於樣品內不同材料層的背向散射光，以此展現樣品的結構信息。OCT不僅提供實時圖像，還能使用雙折射對比強化系統，或者擴展用於功能性血流成像。

OCT是超聲技術的光學類比，它在較低成像深度和較高解析度之間折衷。就成像範圍深度和軸向解析度而言，OCT填補了超聲和共聚焦顯微鏡之間的空白(如下圖所示)。

Thorlabs設計了一系列OCT成像系統，它們覆蓋多種波長、成像解析度和速度，而且外形設計緊湊便於攜帶。另外，這些系統的模塊化設計、靈活的配置、加上多種多樣的組件和配件，使其可以無縫集成到任何實驗室、研發或工業環境。

FD-OCT

隨著傅里葉域技術的出現，OCT已經從小視場的高解析度「點」成像發展到三維體積的綜合微觀成像。傅里葉域光學相干層析(FD-OCT)基於低相干干涉技術，即使用光源的相干屬性來測量樣品的光程延遲。在OCT中為了獲得微米級解析度的橫截面圖像，需設置干涉儀測量樣品臂和參考臂之間的光程差。

FD-OCT系統根據光源和探測配置分為兩類：譜域OCT(SD-OCT)和掃頻源OCT(SS-OCT)。如下圖所示，在這兩種系統中，光分束後進入干涉儀裝置的樣品臂和參考臂。SS-OCT採用相干窄帶光源，而SD-OCT系統採用寬頻低相干光源。背向散射光與樣品中的折射率變化有關，重新耦合到樣品臂的光纖中，然後與參考臂的反射光(光程恆定)組合發生干涉。通過干涉儀的探測臂測量形成的干涉圖案。

▲ SD-OCT和SS-OCT的比較

所測干涉圖的頻率與樣品中反射部位的深度位置有關。所以，通過對探測的干涉圖進行傅里葉變換可以得到深度反射率分布(A掃描)。採樣光束在樣品表面掃描完成後，採集一系列的A掃描生成2D圖像。與此類似，採集一系列2D圖像生成3D圖像。對於FD-OCT，採集2D圖像需要幾毫秒時間，採集3D圖像不到1秒。

SD-OCT對比SS-OCT

SD-OCT和SS-OCT系統的基本原理相同，但是產生OCT干涉圖的技術方法不同。SD-OCT系統沒有可移動的組件，所以機械穩定性高且相位雜訊低。SD-OCT系統還可以通過各種線陣相機來實現不同的成像速度和靈敏度。

SS-OCT系統採用掃頻光源和光電探測器快速生成相同類型的干涉圖。由於掃頻激光源的高速掃頻，可以使用每個分立波長的高峰值功率來照明樣品，從而提供更高的靈敏度，且幾乎沒有光學損傷的危險。

FD-OCT信號處理

FD-OCT測量的干涉圖案和光學頻率有關。參考臂的光學延遲量是固定的，從不同樣品深度反射的光與參考光干涉生成不同頻率分量的干涉圖案。通過傅里葉變換解析不同深度的反射，由此得到樣品的深度輪廓(A掃描)。

Thorlabs OCT性能參考

OCT的光學參數是相互制約的，所以最理想的OCT系統需要平衡好這些參數，從而在應用中發揮出最佳性能。下圖列出了Thorlabs OCT系統中主要關聯參數的範圍。

• 優化軸向解析度會降低最大成像深度

• 優化橫向解析度會減小視場

• 提高A掃描速率會降低靈敏度

• 短波長優化橫向解析度但會增加散射

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