從零開始構建DIY光學相干斷層掃描系統的方法及注意事項_abio生物試劑品牌網
構建DIY光學相干斷層掃描裝置或系統確實是一個充滿挑戰與樂趣的項目。OCT作為一種非侵入性的成像技術，廣泛應用于醫學領域，尤其在眼科檢查中發揮著重要作用。要自制這樣一個裝置，但需要多個光學和機械組件、對信號和圖像處理的了解、一些編程專業知識以及大量時間投資。如果使用預裝的現成SD-OCT光譜儀作為起始組件之一，即可加快和簡化此過程，降低風險，并提高所收集圖像的質量。在本文中，我們將向您介紹DIY光學相干斷層掃描裝置的一些關鍵原理和布局，了解如何從設計的OCT光譜儀部分獲得最佳性能——無論您是打算自己構建光譜儀還是購買光譜儀。
OCT 原理
光學相干斷層掃描是超聲波的光學版本，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。它提供表面輪廓以及有關近表面結構和均勻性的信息，可用于眼科、心臟病學和研究等醫療應用以及工業檢查。
OCT使用可見光或紅外光的低相干干涉測量法，并結合對樣品的掃描，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，對光譜進行傅里葉變換以檢測不同深度的結構。
OCT的執行方法：a）測量從樣品返回的多波長光，b）光譜的傅里葉變換產生反射與深度的關系（“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合使用。SS-OCT提供高速和低滾降（我們將在后面解釋該術語），但由于掃描源激光器的成本高，因此價格昂貴。SD-OCT以更低的成本產生更好的分辨率，但它無法在速度和滾降性能方面競爭，直到幾年前Wasatch Photonics推出了行業領先的SD-OCT，也是第一個將這些新相機集成到我們的Cobra-S OCT光譜儀產品線中。
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維材料內的結構。右：使用Wasatch Photonics的Cobra-S OCT光譜儀對SS-OCT、傳統SD-OCT和高速OCT的關鍵性能參數進行比較。
構建 DIY 光學相干斷層掃描裝置或系統
在SD-OCT系統中，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生條紋圖案，光譜儀讀取該條紋圖案，光譜儀將每個波長的強度數字化。超連續激光器或低成本的超發光二極管（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制（如振鏡或基于MEMS的設備）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，同時將數據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據轉換為時間數據來處理收集的光譜。
DIY SD-OCT系統的關鍵模塊，如SLED、光耦合器和參考臂，均采用先進的制造技術生產，可以立即購買。OCT光譜儀是一個獨特的模塊，它利用通過半導體制造方法生產的相機和傳感器，以及精確對準的定制光學元件。這使得OCT光譜儀成為DIY OCT系統中特別具有挑戰性的部分，值得更詳細地討論。
什么是好的 OCT 光譜儀？
DIY光學相干斷層掃描裝置中使用的OCT光譜儀對采集的圖像質量有巨大影響，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光譜儀的關鍵性能參數，由光譜儀設計決定。
以下是購買或設計OCT光譜儀時需要注意的特點：
? 所有波長均具有高效率：OCT中的反射光強度非常低，因此高靈敏度光譜儀將大大提高圖像質量。由于OCT使用光譜的傅里葉變換，因此該光譜中的每個波長都很重要。光譜儀響應對波長的響應越均勻，圖像質量就越好。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，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，但光譜儀中使用的幾個光柵系列可能具有很強的偏振依賴性，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光柵領先供應商的原因。
? 衍射極限光學設計：現成的光學元件通常無法提供高清晰度的 OCT圖像，因為獲得良好滾降的光學限制非常嚴格。在每個相機像素上成像的光的光斑尺寸必須很小，以避免擴散到相鄰像素，對于光譜儀中使用的寬波長范圍，這必須是如此。Wasatch Photonics公司的光譜儀設計能完美匹配定制透鏡組，從而在所有波長下為OCT提供優化的光譜儀性能，其性能遠遠優于使用現成的透鏡。
左圖：與使用Cobra OCT光譜儀中使用的定制優化鏡頭組相比，使用現成鏡頭設計的OCT相機的聚焦質量要差得多。右圖：高效率、低偏振靈敏度和衍射極限光學設計的組合減少了Cobra-S OCT光譜儀的滾降。
? 高速、高保真相機：雖然精心的光學設計可以顯著減少 OCT光譜儀中的滾降，但相機像素之間的串擾會限制可以實現的性能。Wasatch Photonics擁有高靈敏度、低串擾的相機，例如在 Cobra-S 光譜儀中使用的e2v OctoPlus相機。它能提供高達250 kHz的掃描速率，與大多數商用SS-OCT速度相當。
? 攝像機連接的選擇：根據相機型號，可以通過Camera Link卡或USB電纜從用于收集OCT光譜的相機進行數據傳輸。Camera Link通信可實現更快的掃描速度和更穩定的平臺，但需要購買 Camera Link卡和安裝該卡的計算機。另一方面，USB 3.0通信允許使用筆記本電腦進行掃描，但最高可達130 kHz;它還需要依賴于相機的軟件開發。Wasatch Photonics可以給用戶提供兩種選擇，為您提供所需的靈活性。
? 用于簡化相機通信的 SDK ：OCT光譜儀中使用的相機還有許多其他用途，并配有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。這就是Wasatch Photonics OCT光譜儀配備軟件開發工具包的原因——一組簡化的、特定于OCT的命令和示例GUI，可讓您在短短30分鐘內用OCT光譜儀開始采集圖像，可以高效的縮短軟件開發時間，并保證結果。
用于 DIY OCT 系統的預配置 OCT光譜儀
用戶在選擇購買預配置的OCT光譜儀而不是自己組裝光譜儀具有許多優勢，從提高性能（從而獲得更好的圖像）到光學設計、構建和軟件開發方面均能節省大量時間。這使用戶可以專注于應用程序，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，適合您應用的相機、速度和連接。
簡化的 OEM OCT 系統設計
如果您設計的OCT系統用于商業用途，作為獨立的眼科或無損檢測儀器，或作為手術引導的補充成像，則可能會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設計了一款更小、更輕且高度耐用的OCT光譜儀。它的性能與標志性的Cobra-S OCT光譜儀性能相當，均能提供多種型號，同時與可用的SLD源相匹配，以實現經濟高效的OCT體積成像。Wasatch Photonics的OCT光譜儀滿足醫療設備對熱和機械性能的嚴格要求，并已設計到符合IEC 60601等法規的設備中。
無論您有新的應用還是現有的系統，東隆科技代理的Wasatch Photonics擁有經驗豐富的團隊都將助力您的研究或新產品開發找到理想的OCT光柵或光譜儀。如您有獨特需求，請隨時聯系我們。
OCT 原理
光學相干斷層掃描是超聲波的光學版本，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。它提供表面輪廓以及有關近表面結構和均勻性的信息，可用于眼科、心臟病學和研究等醫療應用以及工業檢查。
OCT使用可見光或紅外光的低相干干涉測量法，并結合對樣品的掃描，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，對光譜進行傅里葉變換以檢測不同深度的結構。
OCT的執行方法：a）測量從樣品返回的多波長光，b）光譜的傅里葉變換產生反射與深度的關系（“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合使用。SS-OCT提供高速和低滾降（我們將在后面解釋該術語），但由于掃描源激光器的成本高，因此價格昂貴。SD-OCT以更低的成本產生更好的分辨率，但它無法在速度和滾降性能方面競爭，直到幾年前Wasatch Photonics推出了行業領先的SD-OCT，也是第一個將這些新相機集成到我們的Cobra-S OCT光譜儀產品線中。
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維材料內的結構。右：使用Wasatch Photonics的Cobra-S OCT光譜儀對SS-OCT、傳統SD-OCT和高速OCT的關鍵性能參數進行比較。
構建 DIY 光學相干斷層掃描裝置或系統
在SD-OCT系統中，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生條紋圖案，光譜儀讀取該條紋圖案，光譜儀將每個波長的強度數字化。超連續激光器或低成本的超發光二極管（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制（如振鏡或基于MEMS的設備）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，同時將數據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據轉換為時間數據來處理收集的光譜。
DIY SD-OCT系統的關鍵模塊，如SLED、光耦合器和參考臂，均采用先進的制造技術生產，可以立即購買。OCT光譜儀是一個獨特的模塊，它利用通過半導體制造方法生產的相機和傳感器，以及精確對準的定制光學元件。這使得OCT光譜儀成為DIY OCT系統中特別具有挑戰性的部分，值得更詳細地討論。
什么是好的 OCT 光譜儀？
DIY光學相干斷層掃描裝置中使用的OCT光譜儀對采集的圖像質量有巨大影響，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光譜儀的關鍵性能參數，由光譜儀設計決定。
以下是購買或設計OCT光譜儀時需要注意的特點：
? 所有波長均具有高效率：OCT中的反射光強度非常低，因此高靈敏度光譜儀將大大提高圖像質量。由于OCT使用光譜的傅里葉變換，因此該光譜中的每個波長都很重要。光譜儀響應對波長的響應越均勻，圖像質量就越好。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，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，但光譜儀中使用的幾個光柵系列可能具有很強的偏振依賴性，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光柵領先供應商的原因。
? 衍射極限光學設計：現成的光學元件通常無法提供高清晰度的 OCT圖像，因為獲得良好滾降的光學限制非常嚴格。在每個相機像素上成像的光的光斑尺寸必須很小，以避免擴散到相鄰像素，對于光譜儀中使用的寬波長范圍，這必須是如此。Wasatch Photonics公司的光譜儀設計能完美匹配定制透鏡組，從而在所有波長下為OCT提供優化的光譜儀性能，其性能遠遠優于使用現成的透鏡。
左圖：與使用Cobra OCT光譜儀中使用的定制優化鏡頭組相比，使用現成鏡頭設計的OCT相機的聚焦質量要差得多。右圖：高效率、低偏振靈敏度和衍射極限光學設計的組合減少了Cobra-S OCT光譜儀的滾降。
? 高速、高保真相機：雖然精心的光學設計可以顯著減少 OCT光譜儀中的滾降，但相機像素之間的串擾會限制可以實現的性能。Wasatch Photonics擁有高靈敏度、低串擾的相機，例如在 Cobra-S 光譜儀中使用的e2v OctoPlus相機。它能提供高達250 kHz的掃描速率，與大多數商用SS-OCT速度相當。
? 攝像機連接的選擇：根據相機型號，可以通過Camera Link卡或USB電纜從用于收集OCT光譜的相機進行數據傳輸。Camera Link通信可實現更快的掃描速度和更穩定的平臺，但需要購買 Camera Link卡和安裝該卡的計算機。另一方面，USB 3.0通信允許使用筆記本電腦進行掃描，但最高可達130 kHz;它還需要依賴于相機的軟件開發。Wasatch Photonics可以給用戶提供兩種選擇，為您提供所需的靈活性。
? 用于簡化相機通信的 SDK ：OCT光譜儀中使用的相機還有許多其他用途，并配有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。這就是Wasatch Photonics OCT光譜儀配備軟件開發工具包的原因——一組簡化的、特定于OCT的命令和示例GUI，可讓您在短短30分鐘內用OCT光譜儀開始采集圖像，可以高效的縮短軟件開發時間，并保證結果。
用于 DIY OCT 系統的預配置 OCT光譜儀
用戶在選擇購買預配置的OCT光譜儀而不是自己組裝光譜儀具有許多優勢，從提高性能（從而獲得更好的圖像）到光學設計、構建和軟件開發方面均能節省大量時間。這使用戶可以專注于應用程序，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，適合您應用的相機、速度和連接。
簡化的 OEM OCT 系統設計
如果您設計的OCT系統用于商業用途，作為獨立的眼科或無損檢測儀器，或作為手術引導的補充成像，則可能會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設計了一款更小、更輕且高度耐用的OCT光譜儀。它的性能與標志性的Cobra-S OCT光譜儀性能相當，均能提供多種型號，同時與可用的SLD源相匹配，以實現經濟高效的OCT體積成像。Wasatch Photonics的OCT光譜儀滿足醫療設備對熱和機械性能的嚴格要求，并已設計到符合IEC 60601等法規的設備中。
無論您有新的應用還是現有的系統，東隆科技代理的Wasatch Photonics擁有經驗豐富的團隊都將助力您的研究或新產品開發找到理想的OCT光柵或光譜儀。如您有獨特需求，請隨時聯系我們。
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