2020年3月29日 星期日

筆記:OCT元件資訊



不知為何,對OCT興趣始終不減,持續將資訊整裡如下。

光源


OCT的核心概念是,兩條衍生自同一光源又再合併的光束,若其中一條光束路徑上有不同反射率的物質,就會因為光程差,產生干涉現象。藉由觀測干涉強弱,回推出物質的折射率與厚度。這重要前提是光源的同調性要低。若以數學形式來表示,Delk代表同調光源寬帶幅度,數字越小同調越高,數字越大,形狀就越寬平,MATLAB程式如下(連結)

k0 = 12E6; %central wave number, green light
delk = 3E6; %wave number spread
S_k = @(k) 1./(delk*sqrt(pi)).*exp(-((k-k0)/delk).^2); %power spectrum of light source
figure
h = ezplot(S_k, [4E6, 20E6]);
title('low coherence light source spectrum',
'Fontsize', 12, 'Fontweight', 'bold'); xlabel('wave number(m^{-1})',
'Fontsize', 12, 'Fontweight', 'bold'); ylabel('Relative intensity',
'Fontsize', 12, 'Fontweight', 'bold'); set(gca, 'Fontsize', 12, 'Fontweight', 'bold');
set(h,'Linewidth',2);
print('low coherence light source spectrum','-dpng');


符合上述低同調光特性的雷射有二種,掃頻雷射及SLD,前者成本過高不予考慮,SLD大致可依波長區分為1550nm,1310nm,830nm三種。不同的波長會影響成像,更重要會連帶影響系統內其他元件的選配,例如光纖和光譜儀。

光源本身,大多都已封裝為蝶形,功率範圍1~10mW,以FC接口向外發射。價格約4500人民幣( 連結 )。

但僅有光源是不夠的,SLD還需要注意電源供應和溫度調整(連結)等driver結構。

電源控制器,可參考Low Cost 200 mA Laser Diode Drivers (連結) (連結) (連結),美金約1200元,台幣約四萬。


溫度調整,可參考ILX 半導體雷射器溫度控制器 LDT-5412 Temperature Controller(連結)。


不論是單獨光源,或組合電源與溫控,或整機等各種組合,或許因為銷量少,價格都居高不下。

各種組合中,整機形式因為功能有廠商保證,選項也多,最受人青睞,缺點當然很明顯,就是貴。THORSLAB為首選,四川綿陽SLD的價格很具吸引力,廣東六朋電子似乎有產品,但客服實在太爛( 連結 ),ExFO SLED 1550nm激光器  連結  二手約五萬台幣。


第二種模式是光源搭配分離的電源供應和溫控,因為各個部件獨立,可自立更換不同實驗光源,目前詢價約五萬台幣。最後一種則是光源搭配簡易drive(捨棄溫控),網路上兩篇Low Cost OCT技術文件似乎都是這種組合,成本約三萬台幣,可惜沒有更多細節。

光路


實驗光路可以是空氣搭配分光鏡,或是光纖(內建分光功能)這兩類。若選擇光纖,還要因為光源選擇的不同(波長),區分為1550nm( 連結 ),1310nm,830nm三類中某一種。供貨廠商包括Thorslab(連結,至少都上萬元台幣),或是TAOBAO便宜貨(連結),價差很大,卻看不出功能差異在哪(保偏??)。

其餘配件還包括了反光鏡、準直鏡、工作平台(光學桌)、量測儀器,還有必須備妥一個簡單的可見光雷射筆,確認光路的正確。

待測物件


OCT的目的就是要量測物件的反射狀態。技術文件中則時常提到洋蔥,但在實驗室中,就只有單(雙)玻片及最後面鏡子。學理上,則可以MATLAB設計出幾個不同層次如下。
zs1 = 0.024000; rs1 = 0.00025;%normal eye AP length
zs2 = 0.024030; rs2 = 0.00010;
zs3 = 0.024090; rs3 = 0.00015;
zs4 = 0.024150; rs4 = 0.00005;
zs5 = 0.024200; rs5 = 0.00020;
zs6 = 0.024310; rs6 = 0.00010;
zs7 = 0.024350; rs7 = 0.00030;%artificial retina layers settings
zs8 = 0.025000; rs8 = 0.99100;%sclera
rR = 1; % reflectivity of reference reflector
前者為距離,後者為折射率,最後面一層模擬完全反射。

TD-OCT


TDOCT會維持待測物這端光距,藉由穩定移動參考端反射鏡,觀察反射訊號強弱,判定反射率。過程牽涉下面幾項硬體設備。

精密步進馬達,馬達精密程度直接決定掃描結果成效,目前實驗室設備,宣稱到1nm,若真要使用,還有待實驗數據。

PD接收裝置,可將光訊號轉變為電訊號。

示波器,接收PD訊號轉變為可閱讀和記錄資訊,如下。


FD-OCT


與TD OCT不同,FD沒有任何移動機制,而是用光譜儀(OSA)接收反射光,並進行反傅立葉轉換。結果如下,可在不同位置觀察到反射率的改變。





OSA種類繁多,OCT應用上會因為實驗光的波長範圍,區分為兩類,1000nm以上或以下。1000nm以上,材料為InGaAs,價格昂貴(連結)。1000nm以下,可以使用為CMOS或是CCD,價格較親民,較常應用在低價OCT中(此兩篇論文,連結  連結 連結 )。工研院的皮膚OCT機器,則是使用OtO台灣超微光學的SE 2030 與HB2030光譜儀模組。

低價OCT為了節省成本,還會以1200條光柵片,搭配相機元件,自製OSA(連結 連結 連結)。

OSA分析系統,連結

平面及環形掃描機制


TDOCT與FDOCT可以得到某個點Z軸各個深度的反射率資訊。若要得到平面資訊(XY),可以利用兩組振鏡(連結)改變掃描方向,如下。或是更先進的MEMS,體積更小,靈敏度更高。


除平面外,結合精巧的工藝,還能達到管壁掃描的功能,結果如下。

連結位置
連結位置

2013年的數字資料,Intravascular optical coherence tomography imaging at 3200 frames per second  (連結)  中文整理資料(連結)。自聚焦透鏡GRIN(連結),可以玩玩看。

影像系統

統合全系統設計( 連結 )

補充MATLAB

連結 連結

其它

OCT at home • Medizinisches Laserzentrum Lübeck GmbH

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