Осевое разрешение: ключевой параметр для выбора системы ОКТ

01 Осевое разрешение – определение и значение

Оптическая когерентная томография (ОКТ) с ее преимуществами бесконтактной работы, высоким разрешением и визуализацией в реальном времени нашла широкое применение в медицинской диагностике, промышленном контроле, материаловедении и других областях. Осевое разрешение, являющееся основным параметром при выборе ОКТ-спектрометра, напрямую определяет способность системы разрешать тонкие структуры по глубине образца.

Так называемое осевое разрешение относится к минимальному расстоянию по направлению глубины (т.е. направлению распространения света), на котором можно четко различить две соседние структуры. Обычно он выражается в микрометрах (мкм). Проще говоря, для объемной ткани осевое разрешение действует как «рассекающий нож»: чем выше осевое разрешение (чем меньше числовое значение), тем тоньше срез можно получить, фиксируя более тонкие структурные различия. В таких приложениях, как офтальмология, дерматология и контроль материалов, осевое разрешение напрямую определяет точность и надежность измерений.

Более высокое осевое разрешение позволяет получить более тонкие «срезы» и более насыщенную детализацию.

02 Расчет осевого разрешения

Осевое разрешение не является фиксированной величиной; оно определяется множеством параметров системы ОКТ. Понимание влияющих факторов позволяет выбрать оптимальные параметры для конкретного приложения, сбалансировав требования к производительности без ненужных затрат из-за завышенного разрешения.

Основными факторами, влияющими на осевое разрешение, являются оптические свойства источника света, среди которых наиболее важными являются центральная длина волны (λ₀) и спектральная полоса пропускания (Δλ). Эти два параметра напрямую определяют теоретическое осевое разрешение. Обычно используемая упрощенная формула в отрасли:

Δz = (2ln2/π)·(λ₀²/Δλ) = 0,44 * (λ₀²/Δλ)

Где Δz — осевое разрешение, λ₀ — центральная длина волны источника света, а Δλ — спектральная полоса пропускания. Формула интуитивно показывает, что:

• Чем шире спектральная полоса пропускания (Δλ), тем выше осевое разрешение (меньше Δz).
• Чем короче центральная длина волны (λ₀), тем выше осевое разрешение; и наоборот, более длинная длина волны снижает разрешение.

Например:

• Источник света с центральной длиной волны 850 нм и шириной полосы 50 нм обеспечивает теоретическое осевое разрешение примерно 6,36 мкм – достаточное для наблюдения слоя сетчатки в офтальмологии.
• Источник 850 нм с полосой пропускания 100 нм достигает теоретического разрешения около 3,2 мкм, что подходит для требовательных исследований на клеточном уровне.
• При центральной длине волны 1300 нм и такой же полосе пропускания осевое разрешение падает до 8–12 мкм, что более подходит для применений, требующих более глубокого проникновения.

Сетчатка состоит из 10 слоев общей толщиной примерно 10–15 мкм; самый тонкий слой составляет всего около 1 мкм, а самый толстый около 40 мкм.

В системе ОКТ не только полоса пропускания источника света должна соответствовать требованию по осевому разрешению, но и полоса пропускания спектрометра также должна ему удовлетворять. JINSP предлагает спектрометры с различной полосой пропускания для удовлетворения различных потребностей:

Как видно из таблицы выше, осевое разрешение и глубина обнаружения находятся в компромиссном соотношении: улучшение одного по своей сути ухудшает другое. Это можно интуитивно понять с помощью аналогии с камерой: вы не можете одновременно захватывать большее поле зрения и более мелкие детали; вы должны балансировать в соответствии с реальными потребностями, жертвуя либо некоторым полем зрения, либо некоторыми деталями. Поэтому при проектировании и выборе системы ОКТ важно сосредоточиться на основных требованиях и пойти на соответствующие компромиссы.

03 Влияние показателя преломления на осевое разрешение

Помимо параметров источника, на осевое разрешение также влияют показатель преломления (n) среды, оптические аберрации, частота дискретизации детектора и другие факторы. В практических приложениях показатель преломления среды изменяет осевое разрешение. Исправленную формулу можно упростить так:

Δz = 0,44/n · (λ₀²/Δλ)

Где n — показатель преломления среды образца (например, для биологических тканей n ≈ 1,33). Это ключевой фактор при выборе системы ОКТ в медицинской сфере. Используя предыдущий пример источника с длиной волны 850 нм и шириной полосы 50 нм, теоретическое осевое разрешение в воздухе составляет около 6,36 мкм, но в тканях оно становится примерно 4,8 мкм.

Кроме того, оптические аберрации и частота дискретизации детектора могут снизить фактическое осевое разрешение на 20–30% по сравнению с теоретическим значением, поэтому при выборе системы следует зарезервировать запас.