A OCT (Tomografia de Coerência Óptica) é uma técnica de imagem que utiliza a interferência da luz para capturar imagens da estrutura interna de uma amostra com alta resolução e velocidade. Nos últimos anos, tem sido utilizada principalmente em equipamentos para exame de fundo de olho em oftalmologia. Além disso, a capacidade de realizar imagens sem contato, não invasivas e em tempo real torna-a aplicável em diversas áreas, como a visualização da estrutura vascular interna da pele para fabricantes de cosméticos, a observação celular para o mercado de biotecnologia e a medição da forma de peças metálicas usinadas. Pode ser personalizada para diversas faixas de comprimento de onda, da luz visível ao infravermelho próximo, dependendo de cada aplicação.
Espectrômetro compacto para OCT
OCT significa Tomografia de Coerência Óptica, uma técnica de imagem 3D que permite medições de alta resolução, sem contato e não destrutivas, da estrutura interna de uma amostra, utilizando a interferência da luz. Com resolução de imagem de alguns micrômetros, a OCT pode medir estruturas tanto na superfície quanto em profundidade, até vários milímetros. A OCT foi desenvolvida principalmente na área da oftalmologia. Ela também é utilizada em diversos campos, incluindo inspeções industriais em linha, como o exame de vasos sanguíneos, pele e amostras celulares.
A SD-OCT (Tomografia de Coerência Óptica no Domínio Espectral) é uma técnica que envolve direcionar luz de banda larga para o alvo e obter informações de profundidade por meio da transformada de Fourier das informações de comprimento de onda da luz de interferência refletida pelo alvo.
Configuração básica (domínio do tempo)
A OCT utiliza fontes de luz de baixa coerência, como diodos superluminescentes (SLD). O feixe da fonte é dividido por um divisor de feixe, com uma parte direcionada para o alvo e a outra para um espelho de referência. A luz que incide sobre o alvo é refletida ou retroespalhada devido às diferenças nos índices de refração e aos corpos dispersores dentro do alvo. A luz proveniente da amostra e do espelho de referência se sobrepõem. As intensidades dos feixes da amostra e do espelho de referência se sobrepõem. Os feixes da amostra e do espelho de referência interferem apenas quando os tempos de percurso da luz que retorna da amostra e do espelho de referência são aproximadamente iguais. O SLD é uma fonte de luz de baixa coerência com amplo espectro, semelhante a um LED, e alto brilho, semelhante a um diodo laser (LD).
Para medir a estrutura interna, é necessário mover intencionalmente o espelho de referência ao longo do eixo óptico. Variando-se o tempo de percurso da luz proveniente do espelho de referência enquanto se mede a intensidade luminosa em cada posição, ocorre interferência em diferentes posições do espelho de referência em movimento devido às diferenças nos tempos de percurso da luz que retorna da estrutura interna do alvo. A intensidade luminosa obtida, plotada em função do movimento do espelho de referência ao longo do eixo x, fornece informações sobre a estrutura interna da amostra. Adicionalmente, por meio de varredura na direção xy utilizando dispositivos como espelhos galvanométricos, imagens 2D ou 3D podem ser obtidas.
OCT no domínio de Fourier
A tomografia de coerência óptica no domínio de Fourier (FD-OCT) é uma técnica que aprimora ainda mais a velocidade e a sensibilidade em comparação com a tomografia de coerência óptica no domínio do tempo (TD-OCT). Em vez de mover o espelho de referência, utiliza um espectrômetro ou uma fonte de luz com varredura de comprimento de onda, respectivamente, para medir a intensidade dos sinais de interferência em uma faixa de comprimentos de onda e obter um espectro de interferência. Como as frequências do espectro de interferência obtido correspondem às posições em profundidade de várias interfaces dentro da amostra, medições semelhantes às da TD-OCT podem ser realizadas por meio da transformada de Fourier desses dados. Isso permite a medição simultânea de todas as posições em profundidade dentro da amostra sem a necessidade de partes móveis mecânicas, resultando em medições de alta velocidade e sensibilidade, praticamente em tempo real, sem ruídos desnecessários.
A tomografia de coerência óptica de domínio espectral (FD-OCT) pode ser dividida em duas categorias principais com base em suas configurações: tomografia de coerência óptica de domínio espectral (SD-OCT) e tomografia de coerência óptica de fonte varrida (SS-OCT). A SD-OCT utiliza uma fonte de luz de banda larga e um espectrômetro como detector para adquirir simultaneamente espectros de interferência. Por outro lado, a SS-OCT mede a intensidade da luz em cada comprimento de onda, varrendo o comprimento de onda na fonte de luz e, em seguida, organizando-os temporalmente para obter espectros de interferência.
Essas duas técnicas diferem em resolução, profundidade de medição, estabilidade, velocidade e facilidade de aquisição de componentes. A escolha entre elas baseia-se em objetivos e aplicações específicas. Além disso, avanços recentes levaram ao desenvolvimento da OCT multifuncional, que utiliza essas técnicas não apenas para capturar informações estruturais do alvo, mas também para obter propriedades do material e outras informações valiosas.
Seleção do comprimento de onda
Para a SD-OCT, o espectrômetro é um dos componentes-chave que precisa ser personalizado de acordo com a amostra a ser medida. Primeiramente, é necessário escolher a faixa de comprimento de onda, como a faixa visível, a faixa de 800 nm, a faixa de 1000 nm, a faixa de 1300 nm e assim por diante. A escolha depende de fatores como as características de absorção e dispersão da amostra, bem como a disponibilidade dos componentes. Por exemplo, em exames de retina, comprimentos de onda em torno de 800 nm ou 1000 nm são frequentemente preferidos para minimizar a influência da absorção de água.
Em seguida, considere a resolução de profundidade.\(\delta_z\)e a faixa de profundidade\(Z_{max}\)Esses valores são determinados principalmente pela fonte de luz e pelo espectrômetro. O comprimento de onda central da fonte de luz é fornecido como\(\lambda_c\), a largura total à meia altura (FWHM) da fonte de luz como\(\Delta\lambda_L\), a resolução de pixels do espectrômetro como\(\delta\lambda_s\)(faixa de comprimento de onda do espectrômetro)\(\Delta\lambda_s\)dividido pelo número de pixels do detector\(p\)) e o índice de refração da amostra como\(n\), podem ser expressas da seguinte forma:
\(\delta_z=n/2In2\) * \(\lambda_c^2/\Delta\lambda_L\)
\(Z_{max}=1/4n\) * \(\lambda_c^2/\delta\lambda_s\)
Os dois diagramas abaixo mostram a resolução de profundidade e a faixa de profundidade para cada comprimento de onda central. Para obter uma melhor resolução de profundidade, é necessária uma fonte de luz com uma largura de banda maior. No entanto, um espectrômetro projetado para tal fonte de luz normalmente possui uma resolução de pixel maior, resultando em uma faixa de profundidade mais estreita. Consequentemente, existe uma relação de compromisso entre a resolução de profundidade e a faixa de profundidade.
Um espectrômetro que cubra toda a faixa de comprimento de onda da fonte de luz não é suficiente. Por exemplo, ao usar uma fonte de luz com largura de banda de 800-900 nm, você precisaria de um espectrômetro que cobrisse uma largura de banda semelhante. Usar um espectrômetro que cubra uma faixa mais ampla, como 700-1000 nm com o mesmo sensor, limitaria a faixa de profundidade de aproximadamente 3,7 mm para apenas 1,2 mm. Para maximizar o desempenho, é crucial ter um espectrômetro personalizado para corresponder às características da fonte de luz utilizada.
Sensibilidade
A sensibilidade do sinal de interferência diminui com a profundidade, principalmente devido à pior reprodutibilidade do espectro de interferência em locais mais profundos. À medida que a profundidade aumenta, o espectro de interferência contém frequências mais altas. No entanto, como o tamanho do pixel da câmera e o tamanho do ponto de coleta do espectrômetro têm dimensões finitas, a reprodutibilidade piora com o aumento da profundidade, resultando em redução da intensidade do sinal. Essa relação entre sensibilidade\(R(z)\)e profundidade\(z\)pode ser expresso da seguinte forma:
\(R(z)=\frac{\mathrm \sin^2 \begin{bmatrix} D(z)\end{bmatrix}}{\mathrm D(z)^2}・exp \begin{bmatrix} - \frac{w^2}{2In2}D(z)^2\end{bmatrix}\)
\(w\)representa a proporção da resolução de comprimento de onda\(\delta\lambda_R\)resolução de pixels\(\delta\lambda_s\)A atenuação da sensibilidade calculada por esta equação, para dois tamanhos de ponto focalizado do feixe (resolução de comprimento de onda, x1 e x2, em comparação com o tamanho do pixel), é mostrada na figura abaixo. É evidente que o impacto do desempenho do foco do feixe na sensibilidade é substancial. Os espectrômetros necessários para OCT diferem dos espectrômetros típicos e precisam ser projetados de forma que o tamanho do feixe focalizado no detector seja muito pequeno, por exemplo, menor que o tamanho do pixel.
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Espectrômetro compacto para OCT
