OCT技术 谱域和扫频源

OCT技术 谱域和扫频源

原创 Webinar Thorlabs索雷博

OCT的全称是Optical Coherence Tomography，即光学相干层析。它是光学中的超声成像，将光脉冲打进样品中，通过测量返回光的差值确定样品结构。这种构想 zui 早 见于James Fujimoto实验室David Huang等人zhu名的Science文章(1991年)。

从时域到傅里叶域

时域OCT是 zui 早 实现的。其主要问题是光速太快，不同深度的脉冲响应是无法测量的，所以要利用光源的相干性。下图的时域装置使用短相干光源，光进入两干涉臂后分别打到固定和运动反射镜上。如果光电探测器要探测到干涉信号，两干涉臂长应该差不多，因此主要就是确定运动反射镜的位置。这种方法叫做相干门(Coherence Gating)，可以抑制相干长度范围之外的信号。

时域OCT及其测量信号

另一种是共聚焦门(Confocal Gating)。来自焦点位置的光可在针孔处成像，而焦点之外的光被抑制。如果使用很小的数值孔径，这样比共聚焦显微镜具有小很多的分辨率，但成像深度大很多。

时域装置一般以宽带超辐射发光二极管(SLD)作为光源，通过光纤耦合器分光后分别输入参考臂和样品臂，而参考臂以轴向扫描给出不同的深度。样品的横向扫描则可通过振镜或MEMS扫描仪执行。干涉仪中的光纤本身就相当于针孔，所以不用额外执行共聚焦原理。

A-Scan

B-Scan

Volumn

En-face

傅里叶域比时域OCT只晚几年，但它经过了比较长的时间后才开始迅速发展。它能采集多个波长的干涉信号，而且所有深度和波长的干涉能整合在一起。对于多层样品，每一层都能产生干涉信号，实际观测的结果是这些信号的叠加，通过频率分析可得到深度信息。

傅里叶域OCT及其测量信号

傅里叶域OCT有两种技术方案：谱域(SD)和扫频源(SS)。

SD-OCT通过SLD等宽带光源采集和波长相关的干涉，使用光谱仪探测信号。它以共路干涉仪为基础，参考臂和样品臂彼此非常接近。这种配置机械稳定性高，大部分组件都是固定的，没有光纤运动什么的影响干涉效应。光谱仪用线扫描相机随时间采集信号，所以速率被限制在几百kHz，在每次A-Scan过程中同时采集所有波长的信号。

谱域OCT

装置图和测量信号

SS-OCT使用可调谐激光，所以干涉仪依次得到所有波长。干涉仪两输出信号都进入平衡探测器进行相减得到干涉信号。信号随时间累积，逐个得到所有的波数。由于平衡探测，所以需要数字转换器。采集速率通常比谱域OCT快一点，甚至可能高很多，达到MHz速率。扫频源OCT还可能需要k-clock，这通常是一个固定波长的马赫增德干涉仪(MZI)，用于提供采样时间点。

扫频源OCT

装置图和测量信号

OCT技术参数

di一个参数是轴向分辨率，取决于干涉条纹的光谱宽度。采集的光谱越宽，轴向分辨率越高。对于下面的三种不同深度的光谱，如果光谱太窄，三个峰就不那么好区分。

光谱越宽，

分辨率越高，

geng好区分不同深度层。

这意味着什么呢？对于谱域系统，光谱仪和光源(比如SLD)的带宽决定分辨率。因为谱域系统很好合成两个SLD的光谱，通常更容易实现高分辨率，也能使用超连续光源提供更高的分辨率。对于扫频源，激光的调谐范围决定轴向分辨率，所以要提高分辨率在技术上要难很多。

di二个参数是横向分辨率，用于表示分辨不同横向扫描位置的水平。对于高斯光束，束腰越小，分辨率越高。提高分辨率有两种方法：一是使输入透镜的光束直径变宽，二是减小焦距。它们都会影响束腰和瑞利长度(两者成正比)，而瑞利长度决定以 zui 佳 分辨率进行成像的深度。当然，束腰和瑞利长度也和中心波长有关。

di三个参数是测量深度。它shou先受限于聚焦长度，也与穿透深度有关。波长越短，横向分辨率越高，但在生物组织中的散射也越大。

技术测量范围则与条纹空间频率有关。如果测量深度要高，条纹要达到非常高的空间频率。对于谱域系统，这取决于光谱仪配置的带宽和像素数量，还有光谱仪的光学元件质量，以此把条纹成像在光谱相机上。对于扫频源系统，既有瞬时线宽的作用，还有电子学的因素，比如数字转换频率、扫频速率和电子滤波器都需要匹配2D测量深度。

如果没有理想的相干长度或光谱仪图像，在高频下会降低对比度，导致信号的滚降(roll-off)。滚降对于谱域系统一般更高，而扫频源系统使用单频激光，所以技术测量范围远超过谱域系统。

条纹空间频率越高，成像越深

第四个参数是相位稳定性。基于光谱仪的谱域系统通常具有非常稳定的机械性能，不会引起相位的抖动。但对于扫频源，严格控制每个部件才能得到相位稳定的测量结果。这是由于触发抖动、不wan全可重复的激光扫频或k-clock的干扰。

平衡探测和图像失真

OCT信号来自样品光和参考光的干涉。但样品光也会和自身发生干涉，产生自相关信号，参考光也会和自身发生干涉，产生DC信号，而样品光和参考光反过来也会产生共轭信号光，因此每次OCT扫描将产生四种信号。谱域系统通常不好区分这些信号而出现图像甚至，但扫频源使用平衡探测，可通过相减xiao除符号相同的自相关和DC信号。

四种信号或噪声                                谱域测量结果

下面两图分别是使用谱域和扫频源系统采集的思高胶带图像。谱域图像顶部有自相关噪声，但轴向分辨率更高，层次更清楚。扫频源图像没有失真，而且成像深度更大。

谱域OCT图像：高轴向分辨率、低深度

扫频源OCT图像：低轴向分辨率、高深度

这些区别都是技术上的，而不是原理上的。随着技术的发展，这些情况都有可能改变。对于谱域的大部分特性，在某种程度上扫频源也能有。

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