第二章 Mirau-based 全域式光學同調斷層掃描與皮膚樣本的結構及製備介紹
2.2 Mirau-based 全域式光學同調斷層掃描系統
2.2.1 Mirau-based FF-OCT 系統架構與特性
Mirau-based 全域式干涉儀指的是使用一種稱為 Mirau-device 的方式將干涉 儀中的參考端、分光鏡以及樣本端三者整合於同軸上，並且如時域式OCT 般產 生干涉訊號，最後由相機接收二維干涉訊號，而當環境有擾動時，因為
Mirau-device 的關係，參考端、分光鏡以及樣本端三者會一起移動，因此可以有效的降 低擾動造成的影響。圖2.5 為 Mirau-based 全域式 OCT 整體架構圖，可將其分為 光源系統、成像系統與照明系統，接下來將依序介紹此三系統之架構。
圖2.5 Mirau-based 全域式 OCT 整體系統架構[6]。LD 445：波長 445 nm 之雷射 二極體、AL：非球面透鏡、OBL1：40 倍物鏡、OBL2：20 倍物鏡、OBL3：20 倍水浸式顯微物鏡(f=9 mm)、DM：雙色分光鏡、MMF：多模光纖、L1：消色 差聚光透鏡(f=45.06 mm)、L2：投影透鏡(f=150 mm)、PBS：偏振分束鏡、
AQWP：消色差四分之一波長片、PZT：壓電制動器、M：銀鏡、CCD：相機 首先針對光源系統，其使用之光源為摻鈰釔鋁石榴石(Ce : YAG )之單纖衣3+
晶體光纖，是利用雷射加熱基座生長法(laser-heated pedestal growth; LHPG)，屬於 一種浮動熔區法[8]，而選用單纖衣晶體光纖的主要原因在於其擁有較高的自發 性輻射(Spontaneous emission; SE)功率，這正符合本實驗之全域式 OCT 架構，光 源需要有較高的功率，同時也可接受較多的橫向模態，其對應的吸收頻譜如圖2.6 所示。
圖2.6 Ce : YAG 晶體光纖的吸收頻譜[6] 3+
圖2.7 Ce : YAG 晶體光纖的輸出光頻譜圖[6] 3+
圖2.8 445 nm 雷射二極體 L-I 曲線與Ce : YAG 晶體光纖輸出功率對照[1] 3+
由文獻與圖2.7 可得知摻Ce : YAG 晶體光纖的吸收峰約在 458 nm，因此使3+
用常見的445 nm 的藍光雷射二極體作為激發光源，Ce : YAG 晶體光纖經過激3+
發後會產生SE，其輸出光頻譜中心波長為 560 nm，半高全寬約為 99 nm。而因 為Ce : YAG 的寬頻光會由晶體光纖的兩個端面輸出，因此本實驗室在製備3+
Ce : YAG 晶體光纖時會將一端面鍍銀，藉此達到來回兩次激發光的效果，以提3+
升Ce : YAG 晶體光纖出光功率，如圖 2.8 所示，當電流為 1000 mA 時雷射光功3+
率大約為930 mW，而在此雷射激發下，可產生約 26 mW 的 SE 光。
圖2.9 Mirau-based 全域式 OCT 光源系統[6]
圖 2.9 為光源系統架構，首先利用 445 nm 雷射二極體經過非球面透鏡 AL(Aspheric lens)做平行準直化，接著經分光鏡 DM1 (Dichroic mirror, LM01-466-25, Semrock)反射進入物鏡 OBL2 (40x objective lens, PLN 40X, Olympus)，445 nm 雷射光會聚焦於Ce : YAG 晶體光纖上並激發出 SE 寬頻光源，最後返回的光在3+
經由DM1濾掉殘存的445 nm 雷射光，即可得到如圖 2.8 的寬頻光源。
圖2.10 Mirau-based FFOCT 成像系統圖[6]
針對成像系統的部分，如圖2.10 所示，光打到樣本後，背向散射光先經由水 浸式顯微物鏡OBL3 (f=45.06 mm, Umplanfl 20X/0.5, Olympus)收光，並且因為四 分之一波片的關係，使其偏振轉為S 波並可穿透 PBS，再利用 45 度反射鏡 M、
投 影 透 鏡(f=150 mm, AC254-150-A-ML, Thorlabs) 聚 焦 到 相 機 (Charge-coupled device, B0620M, IMPERX)上。
圖2.11 Mirau-based FFOCT 照明系統圖[6]
而針對照明系統的部分，如圖 2.11 所示，從光源系統中得到的寬頻光源 (Broadband light source)，會先經由 OBL2 耦入多模光纖中，接著出來的SE 寬頻 光再利用一消色差透鏡L1來進行平行準直化，再經過PBS 後會利用四分之一波 片(AQWP)使光轉為圓偏振，其原因在於圓偏振光能在組織樣本中更均勻及保持 更高的光強度，詳細的光偏振變化如圖2.12 所示。
圖2.12 光偏振示意圖
自行製備的Mirau-device 如圖 2.13 所示，是由兩片鍍膜的 fused silica 玻璃 片(分別是有 5%反射率的 GP1 上表面以及有 30%反射率的 GP2 上表面)、兩片環 形墊片與20 倍物鏡(f=45.06 mm, Umplanfl 20X/0.5, Olympus)所組成，兩片玻璃
片間會以矽油填充。整體設計上是考量所量測之皮膚與生物樣本的折射率，為避 免OCT 在掃描時樣本與玻片介面有過強的反射光，因此在玻片材料與填充物選 擇上均是以較符合皮膚折射率1.4 去選擇 fused silica(折射率為 1.46[8])以及矽油 (折射率為 1.4~1.42[9])。
此組件可視為一小型干涉系統，為了使參考端與樣本端的光程相等，實驗時 量測平台上會再放置另一片無鍍膜玻璃片 GP3，其厚度與 GP2 相等；並且為處 理參考光在打到GP2 上表面後返回的高強度直流訊號(即 Eq. 2.6 的第一項)，會 在GP1 的下表面點一黑點以用來吸收雜散光，提升系統訊噪比。
因此整體照明過程如下，光經過OBL3後會先經過GP1 並打到 GP2 上表面，
接著便會分成兩部分，第一是朝向樣本端方向的光，從 GP2 上表面透射後打到 GP3 上表面(樣本表面)，接著再返回 GP2 上表面，透射後被物鏡收光；第二是朝 向 GP1 方向的光，從 GP2 上表面反射回來的光會打至 GP1 上表面，再反射至 GP2 上表面，接著再返回物鏡收光，最終兩條光路將在 CCD 相機上產生干涉。
再進行掃描時，GP2 與 GP3 的距離會利用壓電制動器逐漸縮短，使得樣本端的 干涉面不斷往樣本內部位移，藉此完成三維掃描。
圖2.13 Mirau-device 系統圖[5]