=1Mh %/y 光學(xué)相干層析
成像(OCT)系統(tǒng)是斷層成像系統(tǒng)，它通過(guò)圖像反射或散射出來(lái)的光來(lái)獲取被測(cè)物體橫截面或三維圖像。本文講述了光學(xué)相干層析成像(OCT)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并探討了如何使用OpticStudio進(jìn)行相干模擬。
（聯(lián)系我們獲取文章附件） $di8#O* 簡(jiǎn)介 v
J.sa&\H 光學(xué)相干層析成像(OCT)系統(tǒng)是斷層成像系統(tǒng)，它通過(guò)圖像反射或散射出來(lái)的光來(lái)獲取被測(cè)物體橫截面或三維圖像。盡管
光線在OCT中穿透的深度以毫米數(shù)量級(jí)計(jì)量，但OCT具有安全性和高分辨率的特征，使得OCT最典型應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生物組織成像。
l+1GA0'JP OCT的
光學(xué)系統(tǒng)由邁克爾遜干涉儀構(gòu)成，在參考鏡與樣品之間的反射光相干，這一現(xiàn)象表明了從樣品不同位置深度反射或散射出來(lái)的光與參考鏡的位置有關(guān)。
p%6j2;D 本文將介紹如何在OpticStudio中模擬商用的OCT。
系統(tǒng)模型 Z*(lg$A9 M 健康人眼的角膜和虹膜(A)以及視網(wǎng)膜組織(B)的橫截面如下圖所示。顏色深度的改變意味著反射光的強(qiáng)度改變，說(shuō)明內(nèi)部材料發(fā)生變化。 &D 4Ci _6k 
&Kgl \;} 一個(gè)典型的OCT系統(tǒng)如下圖。光束被均勻地分成兩束，分別進(jìn)入?yún)⒖急叟c樣品臂。其中一束光在體積樣品中疊加，從而減小掃描面積。光源是寬帶準(zhǔn)直光源，寬帶光源的選擇意味著低相干性和高精度的深度定位，從而使參考鏡與樣品之間的反射光相干。 *T'>-nm]
L'F y\K\ *"D8E^9 深度掃描，也稱(chēng)為縱向掃描或a掃描，用于測(cè)量反射光的強(qiáng)度，作為反射光透過(guò)樣品距離的函數(shù)。在OCT系統(tǒng)中的不同位置進(jìn)行深度掃描，這一過(guò)程通常由參考鏡完成，參考鏡完成掃描后對(duì)比樣品反射光的光程與樣品、參考鏡之間光路的光程差。
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d 通過(guò)在X或Y方向上旋轉(zhuǎn)掃描鏡實(shí)現(xiàn)橫向、縱向或b掃描，使探測(cè)光在樣品區(qū)域上平移。
qSWnv`hL 我們將從商用OCT系統(tǒng)中獲得設(shè)計(jì)規(guī)格。軸向分辨率由光源特性(相干長(zhǎng)度)決定，大約為5 μm。橫向分辨率由光束聚焦在樣品處的光斑大小決定，設(shè)置為15 μm。選用800 nm范圍內(nèi)的光以防止光在生物組織中被吸收，影響光穿透力。
光源規(guī)格 :h+gSvn: "*E%?MG OCT將干涉測(cè)量法與寬帶近紅外光結(jié)合使用。寬帶光源具有最佳的分辨率，而
波長(zhǎng)決定了光在樣品材料中的穿透深度。本例中，我們將使用中心波長(zhǎng)為840 nm、FWHM為60 nm的光源，軸向分辨率為5μm：
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本例超發(fā)光二極管的光譜特性也可以從商用超發(fā)光二極管中獲取。在超發(fā)光二極管發(fā)光過(guò)程，選用用于生物成像的常用波長(zhǎng)和具有高分辨率的寬帶光源。我們將忽略用于光線準(zhǔn)直的光學(xué)器件，并從光線進(jìn)入干涉儀開(kāi)始建模。 \kGi5G] OpticStudio有兩種方式來(lái)定義寬帶光源，第一種方式為在適當(dāng)范圍內(nèi)，定義多個(gè)系統(tǒng)波長(zhǎng)；第二種方式將相干長(zhǎng)度作為光源屬性定義。相干是OCT系統(tǒng)的必要特征，因此我們將使用“將相干長(zhǎng)度作為光源屬性定義”的方法，并允許OpticStudio通過(guò)以下方式進(jìn)行帶寬計(jì)算和采樣： T=QV =21qn 
cSSrMYX2 表面設(shè)置如下圖所示： 6M `N| % 
CS*wvn;. 創(chuàng)建系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) L )o7~M 為了將相干系統(tǒng)模擬出來(lái)，并且一次能追跡多條光線，我們將使用OpticStudio非序列模型建模。在這一環(huán)節(jié)中，我們必須進(jìn)行光線追跡，同時(shí)為了解邁克爾遜干涉儀里所有反射與透射光的光路，需要勾選“Split NSC Rays” %CP:rAd`M. 
0-W{( xy@4 OCT的測(cè)試原理：使用寬帶低相干性的光源，通過(guò)邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生干涉信號(hào)，并通過(guò)干涉信號(hào)去計(jì)算樣品內(nèi)反射光的具體位置。我們將運(yùn)用自由空間光學(xué)來(lái)擺放相關(guān)器件，使用分束器將光線分束，參考鏡放置在參考臂的位置上，樣品模型放置在樣品臂的位置上。系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)定義如下方的非序列元件編輯器所示。 Vuqm{bo^ 
>9.xFiq< 通過(guò)OpticStuido創(chuàng)建兩個(gè)分束器，分別為物體2與物體3，物體類(lèi)型為“多邊形物體”，它們是由45°的棱鏡組成。在物體屬性選項(xiàng)中選擇數(shù)據(jù)文件“Prism45.pob”。 ?][ 2J 
*X K9-%3 為了將分束器模擬出來(lái)，兩個(gè)棱鏡需要在分光面(斜面)鍍上透過(guò)率為50%的膜層。在OpticStudio按照如下的設(shè)置定義膜層Coating_I.50，其中數(shù)字代表光透過(guò)表面的百分比。
I (dMiL 1wa zJj=v 另外，我們必須防止分束器的棱鏡移動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)棱鏡間的空氣間隙改變或分光面發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致分束器將光線分束的結(jié)果不準(zhǔn)確。為了保證兩個(gè)棱鏡邊緣對(duì)齊，物體3需要將物體2設(shè)置為參考物體，這一設(shè)置定義了所有相對(duì)于物體2所改變的位置參數(shù)，使得對(duì)物體2的任何改變都將關(guān)聯(lián)到物體3。
定義樣品臂 |&t 2jD( 當(dāng)光線分束后，其中一束光的傳輸路徑必須經(jīng)過(guò)掃描鏡、聚焦透鏡與樣品。本例中，我們將Z方向的光路定義為參考臂，Y方向的光路定義為樣品臂。物體4(反射鏡)的物體類(lèi)型為矩形，材料為“MIRROR”，進(jìn)行橫向掃描。反射鏡的位置坐標(biāo)(0，20，20)，使反射鏡略高于分束器的中心，傾斜X(45°)為橫向掃描的起點(diǎn)，改變傾斜角并進(jìn)行掃描。X和Y的半寬應(yīng)該足夠大才能去獲取整體光束，此處X,Y的半寬值都設(shè)置為7.5 mm。 xNh#=
