光學相干層析成像(OCT)系統是斷層成像系統，它通過圖像反射或散射出來的光來獲取被測物體橫截面或三維圖像。

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簡介

光學相干層析成像(OCT)系統是斷層成像系統，它通過圖像反射或散射出來的光來獲取被測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量級計量，但OCT具有安全性和高分辨率的特征，使得OCT最典型應用于醫學生物組織成像。

OCT的光學系統由邁克爾遜干涉儀構成，在參考鏡與樣品之間的反射光相干，這一現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。

本文將介紹如何在OpticStudio中模擬商用的OCT。

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系統模型

健康人眼的角膜和虹膜(A)以及視網膜組織(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度改變，說明內部材料發生變化。

一個典型的OCT系統如下圖。光束被均勻地分成兩束，分別進入參考臂與樣品臂。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。

深度掃描，也稱為縱向掃描或a掃描，用于測量反射光的強度，作為反射光透過樣品距離的函數。在OCT系統中的不同位置進行深度掃描，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方向上旋轉掃描鏡實現橫向、縱向或b掃描，使探測光在樣品區域上平移。

我們將從商用OCT系統中獲得設計規格。軸向分辨率由光源特性(相干長度)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，設置為15 μm。選用800 nm范圍內的光以防止光在生物組織中被吸收，影響光穿透力。

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光源規格

OCT將干涉測量法與寬帶近紅外光結合使用。寬帶光源具有最佳的分辨率，而波長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為840 nm、FWHM為60 nm的光源，軸向分辨率為5μm：

本例超發光二極管的光譜特性也可以從商用超發光二極管中獲取。在超發光二極管發光過程，選用用于生物成像的常用波長和具有高分辨率的寬帶光源。我們將忽略用于光線準直的光學器件，并從光線進入干涉儀開始建模。

OpticStudio有兩種方式來定義寬帶光源，第一種方式為在適當范圍內，定義多個系統波長；第二種方式將相干長度作為光源屬性定義。相干是OCT系統的必要特征，因此我們將使用“將相干長度作為光源屬性定義”的方法，并允許OpticStudio通過以下方式進行帶寬計算和采樣：

表面設置如下圖所示：

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創建系統基本結構

為了將相干系統模擬出來，并且一次能追跡多條光線，我們將使用OpticStudio非序列模型建模。在這一環節中，我們必須進行光線追跡，同時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”。

OCT的測試原理：使用寬帶低相干性的光源，通過邁克爾遜干涉儀產生干涉信號，并通過干涉信號去計算樣品內反射光的具體位置。我們將運用自由空間光學來擺放相關器件，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。系統數據以及相關參數定義如下方的非序列元件編輯器所示。

通過OpticStuido創建兩個分束器，分別為物體2與物體3，物體類型為“多邊形物體”，它們是由45°的棱鏡組成。在物體屬性選項中選擇數據文件“Prism45.pob”。

為了將分束器模擬出來，兩個棱鏡需要在分光面(斜面)鍍上透過率為50%的膜層。在OpticStudio按照如下的設置定義膜層Coating_I.50，其中數字代表光透過表面的百分比。

另外，我們必須防止分束器的棱鏡移動，這會導致兩個棱鏡間的空氣間隙改變或分光面發生偏移，從而導致分束器將光線分束的結果不準確。為了保證兩個棱鏡邊緣對齊，物體3需要將物體2設置為參考物體，這一設置定義了所有相對于物體2所改變的位置參數，使得對物體2的任何改變都將關聯到物體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。分束器的兩個棱鏡的材料選用玻璃N-BK7，設置調整棱鏡尺寸的縮放因子為正數，默認值為2mm。通過參考第一個棱鏡，就能在Z軸方向上定義第二個棱鏡位置(將棱鏡按寬度分開，是縮放因子的2倍)，傾斜X(180°)。

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定義樣品臂

當光線分束后，其中一束光的傳輸路徑必須經過掃描鏡、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)的物體類型為矩形，材料為“MIRROR”，進行橫向掃描。反射鏡的位置坐標(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，改變傾斜角并進行掃描。X和Y的半寬應該足夠大才能去獲取整體光束，此處X,Y的半寬值都設置為7.5 mm。

物體5是一個聚焦透鏡，因為樣品處的光斑大小決定了橫向分辨率。本例從有效焦距為50 mm的一個簡單的平凸透鏡開始，并通過優化來找到最佳聚焦點。將聚焦透鏡(平凸透鏡)的物體類型設置為“Standard Lens”(標準透鏡)。聚焦透鏡的坐標(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1到參數9定義了聚焦透鏡的光焦度，半徑值為25mm，對于球面鏡而言，圓錐系數1和圓錐系數2都為0，凈孔徑1、2與邊緣孔徑1、2設置為10mm，厚度設置為5mm，對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，我們將從一個簡單的反射面模型開始，在反射面上可能會產生相干反射。將反射面的物體類型設置為矩形探測器，材料為MIRROR，光在反射面上反射，我們將觀察到樣品處的光線。樣品應與聚焦透鏡對齊，距離約為50mm(聚焦透鏡的的最佳焦點將通過優化找到)。光斑大小約為15μm，半寬為0.05mm、X和Y的像素數為100將使我們能夠分辨出光斑。

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參考臂

該部分只需要一個平面參考鏡，即物體7，它可以在Z方向上調整位置以改變光程差(深度掃描)。物體7的物體類型為矩形探測器，材料為MIRROR，它的位置應與光源和分束器的位置對齊。在“物體7上的Z位置求解”求解類型為拾取，樣品對于樣品臂y方向偏移20mm。根據系統找到光程差為0的位置。X，Y半寬為7.5mm，X，Y像元數為100，為系統提供了足夠的探測能力。

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輸出集合

當表面類型為反射面時，非序列模式下系統將自動追跡從樣品、參考鏡反射到分束器的光線。這是非序列模式相對于序列模式的主要優勢，對于序列模式，需要手動定義才能進行指定光線追跡。

需要一個發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”(標準透鏡)，材料為N-BK7，坐標(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，發散透鏡參數設置與聚焦透鏡參數設置一致。

物體9在發散透鏡的下方，物體類型為矩形探測器，坐標為(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像元數為 100。通過輸入以上參數，可以對系統進行模擬。

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優化

主要針對樣品的光斑尺寸進行優化。評價函數需要輸入兩個相關的初始操作數：NSDD，設置為0，清除探測器之前的所有參數數據；NSTR，設置為1，描述光線追跡。優化光斑尺寸的操作數為NSDD，根據結果來確定像素# (均方根半徑為Pix#=-9)；為了找到最佳焦點，目標值設置為0，而權重應該為非0。為了確保光線能到達探測器，必須再定義一個操作數，當沒有光線通過探測器時，光斑尺寸將為0，即定義操作數NSDD像素#=-3，權重為0，從而結合定義一個具有目標的操作數(OPGT)，以確保光線能達到探測器。

為了找到最佳的光斑大小，將聚焦透鏡參數(半徑與厚度)、探測器的位置設置為變量。優化后的均方根半徑為10μm。焦距沒有顯著變化，大約為48.8mm，樣品在Z軸方向上移動到90.113mm。下面顯示的是優化前(左)和優化后(右)的光斑大小。

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OCT模擬

時域

深度掃描基于相干門和掃描鏡位置，只有當光程差在相干長度內，在樣品與參考鏡這兩條路徑的光才會產生干涉信號。這就是我們使用低相干寬帶光源的原因，因為短相干長度可以讓我們能準確地預測樣品中干涉信號來源的位置。通過反射光的強度逐個像素地重新創建樣品的圖像，相干門僅用作識別樣品內反射光的位置。

我們以相干長度為20mm開始模擬，因為這給了我們一個更大的誤差范圍，以便找到正確的反射光位置，當找到大致位置后就能縮短光源的相干長度。

此外，我們將使用單個表面來代表樣品。類似于樣品中次光源發光，意味著參考鏡將只改變光路長度。為了確保光程差在相干長度內，在調整參考鏡位置時，觀察樣品內反射點的位置變化。

通過使用探測器查看器中的“Coherent Irradiance”(相干輻照度)來分析這兩條光路之間的干涉信號強度。這一步操作可在探測器查看器的“設置”中完成，之前的探測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算的復數部分。

當大量光線進入系統時，可清楚地辨別干涉條紋。對于20mm的相干長度，我們至少需要幾百萬條光線，第一個示例使用了1500萬條光線；更短的相干長度需要更多的光線。樣品在Z軸方向上的位置為90.113mm，通過光線追跡發現干涉只發生在小于參考鏡位置125.113mm的范圍內。已知相干長度為20mm，相干長度參考上限應與下限相差10mm。在本例中，我們可以看到干涉條紋在參考鏡位置115.113之外消失。將參考鏡放置在這些極限值之間會生成亮條紋。下面幾張圖顯示的是中心和極限位置下的的光線追跡干涉結果圖。

我們將在近似極限之間的中點處找到光程差為零(OPD=0)的位置，即121.113 mm。隨著相干門內的參考鏡位置范圍的減小，縮短相干長度直到光斑大小為12μm，當在反射點位置時便會逐漸提高測試精度。下面顯示的是焦距為5mm時的干涉圖，需要8000萬條光線才能看到干涉條紋。

掃描光源

當前系統可以通過傅立葉變換進行計算。光譜儀或掃描光源的波長可用于觀察光程差對調制光譜的影響。若系統選用光譜儀，則需要在系統中增加設計工作，而掃描光源可以通過簡單地更改光源參數來模擬。將相干長度設置為0并定義單色光波長，我們可以在相同的范圍內掃描窄帶光源。作為波長的調制函數，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參考鏡和反射點之間的光程差有關。將樣品創建為單個表面，我們將只看到一個調制頻率，體積樣品疊加在每個反射點的位置。對信號進行傅立葉變換，作為位置的函數，并對信號進行線性掃描，該函數中的最大值對應于樣品中的強反射點。

掃描光源(SS-OCT)使用一個固定的參考鏡，光譜輸出的調制程度決定光程差。對于我們的樣品表面，意味著在一個參考位置上進行波長掃描時，得到的信息只包含一個光程差。對于體積樣品，樣品中的每個次光源發光都會對帶來光程差。如前面所述，使用單個表面代表樣品，以便我們使用一個光程差檢測光譜振蕩而不是使用樣品中次光源發出的光所對應的多個光程差來進行檢測，并且為了獲得高分辨率，我們需要使用小波長步長。

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)，并通過調整波長大小來觀察振蕩。使用更大的光程差(參考鏡在Z軸125.113 mm位置處)，將導致更快的振蕩。下面幾幅圖顯示光程差大約為2mm時相干功率的變化圖。

審核編輯：劉清