Sistema miniaturizado de Tomografia de Coerência Ótica - MiniOCT

Abstract

A Tomografia de Coerência Ótica (OCT) é uma técnica de imagem ótica que revolucionou o mundo de diagnóstico médico. Baseada no princípio físico interferometria ótica de baixa coerência, a OCT é essencialmente utilizada na oftalmologia para obtenção de imagens tomográficas detalhadas da retina. Os sistemas de OCT atuais apresentam dimensões macro e operam no domínio espectral (SD-OCT), em contraste com a primeira geração de dispositivos OCT no domínio temporal (TD-OCT). Esta tese de doutoramento apresenta o desenvolvimento de um sistema OCT miniaturizado baseado num interferómetro de Michelson. Este consiste num divisor ótico (DFO) baseado num dielétrico de dióxido de silício (SiO2)/dióxido de titânio (TiO2) e em micro espelhos de crómio/ouro. Os componentes óticos são depositados em superfícies de 45º para permitir separação horizontal e vertical do feixe de luz incidente no microssistema integrado final. Na região espectral de 1050 nm (+/- 25 nm), o micro DFO com uma taxa de divisão 50/50 é obtido com um dielétrico baseado em apenas 5 camadas: 3 de SiO2 e 2 de TiO2. O mínimo número de camadas a ser utilizado resulta em menores flutuações na multicamada ótica final. O crómio é utilizado para garantir uma boa adesão entre o wafer de vidro e o espelho de ouro. O fabrico é baseado em 2 fases standard: o corte de wafers de vidro, recorrendo a lâminas de corte especialmente fabricadas, com 45º de inclinação, e a consequente deposição da multicamada dielétrica e das camadas metálicas. Da otimização do processo de corte resultaram superfícies óticas com elevada qualidade e uma rugosidade superficial de 19.76 nm. A altura das superfícies de 45º é de 400 μm, de acordo com o design do protótipo MiniOCT, com dimensões aproximadas de 4.5 mm (C) × 4.5 mm (L) × 0.7-1.4 mm (A). O DFO dielétrico, depositado por pulverização catódica em magnetrão por radiofrequência, apresenta transmitância e refletância óticas ligeiramente desfasadas dos valores teóricos, calculados nas simulações. Esta diferença resulta dos desvios verificados nas camadas individuais depositadas. Em termos de transmitância, foi verificado um desvio médio de cerca de 14%. O crómio, depositado por evaporação por feixe de eletrões, permite uma boa adesão entre o wafer de vidro e o filme fino de ouro, depositado por evaporação térmica. O MiniOCT pode ser facilmente adaptado para outras regiões espectrais, de acordo com a aplicação OCT pretendida. O processo de fabrico num wafer permite um processamento rápido e de baixo custo, dimensões reduzidas e a possibilidade de alinhamento/integração com outros microcomponentes óticos num wafer para imagiologia integrada OCT. Este trabalho representa os primeiros passos na miniaturização OCT utilizando tecnologias MEMS num substrato de vidro.

Optical Coherence Tomography (OCT) is an optical imaging technology which has revolutionized the medical world. Based on physical principle low-coherence interferometry, OCT is essentially used in ophthalmology to obtain detailed tomographic images of retina. Current OCT systems present macro dimensions and operate in spectral domain (SD-OCT), in contrast to the first generation of OCT in time domain (TD-OCT). This PhD thesis presents the development of a miniaturized OCT system based in an optical Michelson interferometer. This essential component consists on a silicon dioxide (SiO2)/titanium dioxide (TiO2) dielectric beam splitter (BS) and chromium/gold micro-mirrors. These optical components are deposited on 45° tilted surfaces to allow the horizontal/vertical separation of the incident beam in the final micro-integrated system. For the spectral range of 1050 nm (+/- 25 nm), the micro BS with a split ratio of 50/50 is obtained with a dielectric based on only 5 layers: 3 of SiO2 and 2 of TiO2. A minimum number of layers to be used provides lower fluctuation in the final optical multilayer. The chromium is used to guarantee a good adhesion between glass wafer and gold mirror. The fabrication is based on 2 standard steps: the saw-dicing of glass wafer, with custom-made 45º blades, and the subsequent deposition of dielectric multilayer and metal layers. From the optimization of 45º saw dicing process results optical surfaces with high quality and a surface rugosity of 19.76 nm. The height of the 45º surfaces is 400 μm, according to the design of the MiniOCT prototype, with approximate dimensions of 4.5 mm (L) × 4.5 mm (W) × 0.7-1.4 mm (H). The dielectric BS, deposited by RF magnetron sputtering, presents optical transmittance and reflectance slightly different from the theoretical values, calculated in the simulations. This difference results from the deviation on the individual layers deposited in the dielectric. In terms of transmittance, it was verified a mean difference of 14 %. The chromium, deposited by electron beam, provides a good adhesion between glass wafer and the thin film of gold, deposited by thermal evaporation. The MiniOCT could be easily adapted to other spectral ranges, according to the OCT application. The proposed wafer-level fabrication allows rapid and low-cost processing, high compactness and the possibility of wafer-level alignment/assembly with other optical micro components for OCT integrated imaging. This work represents the first steps towards OCT miniaturization using optical MEMS technologies on glass substrate.