光學(xué)相干層析成像(OCT)系統(tǒng)是斷層成像系統(tǒng)，它通過圖像反射或散射出來的光來獲取被測(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極典型應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生物組織成像。

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的光與參考鏡的位置有關(guān)。

本文將介紹如何在OpticStudio中模擬商用的OCT。

深度掃描，也稱為縱向掃描或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。

通過在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。

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。

OCT將干涉測(cè)量法與寬帶近紅外光結(jié)合使用。寬帶光源具有理想的分辨率，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：

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。

為了防止分束器與光源堆疊，分束器和光源之間在Z軸方向有一定的距離。分束器的兩個(gè)棱鏡的材料選用玻璃N-BK7，設(shè)置調(diào)整棱鏡尺寸的縮放因子為正數(shù)，默認(rèn)值為2mm。通過參考第 一個(gè)棱鏡，就能在Z軸方向上定義第二個(gè)棱鏡位置(將棱鏡按寬度分開，是縮放因子的2倍)，傾斜X(180°)。

物體5是一個(gè)聚焦透鏡，因?yàn)闃悠诽幍墓獍叽笮Q定了橫向分辨率。本例從有效焦距為50 mm的一個(gè)簡(jiǎn)單的平凸透鏡開始，并通過優(yōu)化來找到理想聚焦點(diǎn)。將聚焦透鏡(平凸透鏡)的物體類型設(shè)置為“Standard Lens”(標(biāo)準(zhǔn)透鏡)。聚焦透鏡的坐標(biāo)(0，20，40)，使聚焦透鏡與掃描鏡保持水平，并保持20mm的距離(該距離在兩者的水平位置距離中是任意的)，聚焦透鏡的材料為N-BK7。參數(shù)1到參數(shù)9定義了聚焦透鏡的光焦度，半徑值為25mm，對(duì)于球面鏡而言，圓錐系數(shù)1和圓錐系數(shù)2都為0，凈孔徑1、2與邊緣孔徑1、2設(shè)置為10mm，厚度設(shè)置為5mm，對(duì)于本例的聚焦透鏡的后表面為平面，在非序列模式下，半徑2為0。

物體6為樣品，我們將從一個(gè)簡(jiǎn)單的反射面模型開始，在反射面上可能會(huì)產(chǎn)生相干反射。將反射面的物體類型設(shè)置為矩形探測(cè)器，材料為MIRROR，光在反射面上反射，我們將觀察到樣品處的光線。樣品應(yīng)與聚焦透鏡對(duì)齊，距離約為50mm(聚焦透鏡的的理想焦點(diǎn)將通過優(yōu)化找到)。光斑大小約為15μm，半寬為0.05mm、X和Y的像素?cái)?shù)為100將使我們能夠分辨出光斑。

當(dāng)表面類型為反射面時(shí)，非序列模式下系統(tǒng)將自動(dòng)追跡從樣品、參考鏡反射到分束器的光線。這是非序列模式相對(duì)于序列模式的主要優(yōu)勢(shì)，對(duì)于序列模式，需要手動(dòng)定義才能進(jìn)行指定光線追跡。

需要一個(gè)發(fā)散透鏡來觀察邁克爾遜干涉條紋。物體8的物體類型為“Standard Lens”(標(biāo)準(zhǔn)透鏡)，材料為N-BK7，坐標(biāo)(0，-20，20)，收集光線(回到分束器的光線，在分束器下方) 。除半徑1為-20 mm和厚度為1 mm外，發(fā)散透鏡參數(shù)設(shè)置與聚焦透鏡參數(shù)設(shè)置一致。

物體9在發(fā)散透鏡的下方，物體類型為矩形探測(cè)器，坐標(biāo)為(0，-30，20)，傾斜X(90°)使表面與光線傳輸方向正交。X、Y半寬為7mm，X、Y像元數(shù)為 100。通過輸入以上參數(shù)，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

深度掃描基于相干門和掃描鏡位置，只有當(dāng)光程差在相干長(zhǎng)度內(nèi)，在樣品與參考鏡這兩條路徑的光才會(huì)產(chǎn)生干涉信號(hào)。這就是我們使用低相干寬帶光源的原因，因?yàn)槎滔喔砷L(zhǎng)度可以讓我們能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)樣品中干涉信號(hào)來源的位置。通過反射光的強(qiáng)度逐個(gè)像素地重新創(chuàng)建樣品的圖像，相干門僅用作識(shí)別樣品內(nèi)反射光的位置。

我們以相干長(zhǎng)度為20mm開始模擬，因?yàn)檫@給了我們一個(gè)更大的誤差范圍，以便找到正確的反射光位置，當(dāng)找到大致位置后就能縮短光源的相干長(zhǎng)度。

此外，我們將使用單個(gè)表面來代表樣品。類似于樣品中次光源發(fā)光，意味著參考鏡將只改變光路長(zhǎng)度。為了確保光程差在相干長(zhǎng)度內(nèi)，在調(diào)整參考鏡位置時(shí)，觀察樣品內(nèi)反射點(diǎn)的位置變化。

通過使用探測(cè)器查看器中的“Coherent Irradiance”(相干輻照度)來分析這兩條光路之間的干涉信號(hào)強(qiáng)度。這一步操作可在探測(cè)器查看器的“設(shè)置”中完成，之前的探測(cè)器查看器曾使用非相干輻照度。在之后的光線追跡將追蹤每條光線的相位，以便分別添加用于相干計(jì)算的復(fù)數(shù)部分。

當(dāng)前系統(tǒng)可以通過傅立葉變換進(jìn)行計(jì)算。光譜儀或掃描光源的波長(zhǎng)可用于觀察光程差對(duì)調(diào)制光譜的影響。若系統(tǒng)選用光譜儀，則需要在系統(tǒng)中增加設(shè)計(jì)工作，而掃描光源可以通過簡(jiǎn)單地更改光源參數(shù)來模擬。將相干長(zhǎng)度設(shè)置為0并定義單色光波長(zhǎng)，我們可以在相同的范圍內(nèi)掃描窄帶光源。作為波長(zhǎng)的調(diào)制函數(shù)，我們將觀察到相干輻照度的峰輻照度值，且振蕩周期與樣品內(nèi)參考鏡和反射點(diǎn)之間的光程差有關(guān)。將樣品創(chuàng)建為單個(gè)表面，我們將只看到一個(gè)調(diào)制頻率，體積樣品疊加在每個(gè)反射點(diǎn)的位置。對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，作為位置的函數(shù)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性掃描，該函數(shù)中的極大值對(duì)應(yīng)于樣品中的強(qiáng)反射點(diǎn)。

掃描光源(SS-OCT)使用一個(gè)固定的參考鏡，光譜輸出的調(diào)制程度決定光程差。對(duì)于我們的樣品表面，意味著在一個(gè)參考位置上進(jìn)行波長(zhǎng)掃描時(shí)，得到的信息只包含一個(gè)光程差。對(duì)于體積樣品，樣品中的每個(gè)次光源發(fā)光都會(huì)對(duì)帶來光程差。如前面所述，使用單個(gè)表面代表樣品，以便我們使用一個(gè)光程差檢測(cè)光譜振蕩而不是使用樣品中次光源發(fā)出的光所對(duì)應(yīng)的多個(gè)光程差來進(jìn)行檢測(cè)，并且為了獲得高分辨率，我們需要使用小波長(zhǎng)步長(zhǎng)。

為了在OpticStudio中觀察這一影響，我們將參考鏡放在小光程差的位置(在Z軸方向上的位置為124.113mm)，并通過調(diào)整波長(zhǎng)大小來觀察振蕩。使用更大的光程差(參考鏡在Z軸125.113 mm位置處)，將導(dǎo)致更快的振蕩。下面幾幅圖顯示光程差大約為2mm時(shí)相干功率的變化圖。