OCT（光学相干断层扫描技术）的核心工作原理基于低相干光干涉，通过测量生物组织或材料内部不同深度结构的背向散射光信号差异，构建高分辨率的二维或三维图像。以下是其工作原理的详细解析：
一、基础原理：低相干光干涉
OCT技术利用宽带光源（如超发光二极管）发出的低相干光（相干长度短，通常为几微米至几十微米），通过分束器将光分为两束：
- 参考臂：光经反射镜反射后返回，路径长度可精确控制。
- 样品臂：光聚焦到待测样品（如生物组织）内部，不同深度的结构对光产生背向散射或反射。
两束反射光在检测器处重新汇合，产生干涉信号。由于低相干光的特性，仅当参考臂与样品臂的光程差小于光源的相干长度时，才会出现明显的干涉条纹。通过扫描参考臂的长度（时域OCT）或利用傅里叶变换分析干涉光谱（频域OCT），可获取样品内部不同深度的结构信息。
二、关键技术：时域与频域OCT
- 时域OCT（TD-OCT）：
- 原理：通过机械移动参考臂的反射镜，逐点扫描样品深度，记录干涉信号强度随参考臂位置的变化。
- 特点：结构简单，但成像速度受机械扫描限制，通常为每秒几十至几百次A-scan（深度扫描）。
- 频域OCT（FD-OCT）：
- 原理：利用光谱仪或高速扫频光源，同时记录所有深度的干涉光谱信号，通过傅里叶变换直接解析出样品深度信息。
- 分类：
- 光谱域OCT（SD-OCT）：使用线阵相机记录干涉光谱，成像速度可达每秒数十万次A-scan。
- 扫频OCT（SS-OCT）：利用高速扫频激光源和点探测器，成像速度更高，可达每秒数MHz。
- 优势：成像速度比时域OCT快1-2个数量级，且灵敏度更高。
三、成像过程：从光信号到结构图像
- 光发射与聚焦：宽带光源发出的光经分束器分为两束，样品臂的光聚焦到样品内部某一位置。
- 背向散射光收集：样品内部不同深度的结构对光产生散射，散射光携带该深度的结构信息。
- 干涉信号检测：参考臂与样品臂的反射光在检测器处干涉，信号强度与两臂光程差相关。
- 深度信息解析：
- 时域OCT：通过移动参考臂，记录不同深度处的干涉信号强度。
- 频域OCT：直接分析干涉光谱，通过傅里叶变换获取深度方向的结构信息。
- 横向扫描与图像构建：通过移动样品或扫描光束，获取不同横向位置的深度信息，最终合成二维或三维图像。
四、性能参数：分辨率、灵敏度与成像深度
- 轴向分辨率：
取决于光源的相干长度，公式为：
Δz=π⋅Δλ2ln2⋅λ02
其中，$\lambda_0$为中心波长，$\Delta \lambda$为光源带宽。典型轴向分辨率为1-15微米。 |
2. 横向分辨率：
与聚焦光斑尺寸相关，由光学系统的数值孔径（NA）决定，公式为：
Δx=NA0.37⋅λ0
通常为几微米至几十微米。 |
3. 灵敏度：
- 定义为系统检测微弱反射信号的能力，频域OCT的灵敏度可达100 dB以上，可检测到10−10量级的反射信号。
- 成像深度：
- 受光源相干长度和样品散射特性限制，通常为2-3毫米（生物组织）。
五、技术优势：非接触、高分辨率与实时成像
- 非接触式检测：无需物理接触样品，避免对脆弱结构（如视网膜）的损伤。
- 高分辨率：轴向分辨率达微米级，可清晰显示细胞级结构（如视网膜各层）。
- 实时成像：频域OCT的成像速度可达每秒数百万次A-scan，支持实时动态监测（如血流灌注）。
- 无辐射危害：使用近红外光，对人体安全无害。
六、应用领域：从眼科到工业检测
- 眼科：
- 诊断黄斑病变、青光眼、糖尿病视网膜病变等，通过高分辨率成像观察视网膜各层结构变化。
- 心血管：
- 冠状动脉OCT可清晰显示血管内斑块形态，指导支架植入手术。
- 肿瘤学：
- 检测皮肤、消化道等器官的早期肿瘤，通过组织散射特性差异识别病变。
- 材料科学：
- 检测光学元件（如透镜、反射镜）的表面粗糙度、内部缺陷或涂层厚度。
- 工业检测：
- 用于半导体芯片、微电子器件的层间结构分析，或复合材料内部缺陷检测。
