基于VirtualLab Fusion的TDOCT系統(tǒng)合成光源仿真

張寶武，霍劍鋒，張明月，劉媛媛，余桂英，姚蘆鷸

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.比薩大學(xué)物理系，意大利 比薩 56127)

基于VirtualLab Fusion的TDOCT系統(tǒng)合成光源仿真

張寶武1,2，霍劍鋒1，張明月1，劉媛媛1，余桂英1，姚蘆鷸1

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.比薩大學(xué)物理系，意大利 比薩 56127)

基于VirtualLab Fusion構(gòu)建了時域光學(xué)相干層析技術(shù)(time domain optical coherence tomography，TDOCT)光路系統(tǒng)，導(dǎo)入不同顆數(shù)發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)的合成光譜，從參考鏡的位置變化中獲得干涉信號，以此分析出合成光源的半高寬和相干度，以及對應(yīng)TDOCT的縱向分辨率.結(jié)果表明，合成光源的最大強(qiáng)度值隨著LED顆數(shù)從1到10的增加先增加后趨向不變；而半高寬隨之不斷增加；TDOCT系統(tǒng)的縱向分辨率隨之不斷提高.當(dāng)LED增加至3顆的時候，合成光源已經(jīng)可以使TDOCT系統(tǒng)縱向分辨率提高至9.8 μm，這與一顆超輻射發(fā)光二極管(super luminescent light-emitting diode，SLD)給出的分辨率級別相當(dāng).

光學(xué)相干層析技術(shù)；VirtualLab Fusion軟件；發(fā)光二極管；合成光源

光學(xué)相干層析技術(shù)(OCT)因具有高分辨率、非接觸、無損傷、速度快，以及能夠?qū)铙w生物進(jìn)行實時成像等特點(diǎn)，于是被迅速應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的影像檢測，并正在被拓展到工業(yè)測量等領(lǐng)域.1991年Huang等首次提OCT概念[1]，應(yīng)用它進(jìn)行了人眼視網(wǎng)膜的微結(jié)構(gòu)和冠狀動脈臂的成像，從而推動了OCT技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.1997年Colston等人用OCT技術(shù)取得了離體豬前磨牙的牙本質(zhì)以及牙周組織圖像[2]，證明了OCT技術(shù)在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用潛力[3].另外，OCT系統(tǒng)可以對人體的表皮和真皮超細(xì)微結(jié)構(gòu)[4]，胃腸道表層結(jié)構(gòu)[5]，對冠狀動脈組織[6]等進(jìn)行高分辨成像，以觀察病變組織的情況，從而實現(xiàn)對疾病的診斷.近年來，隨著OCT技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了許多新的研究熱點(diǎn)：一方面多種方式控制OCT光源系統(tǒng)的偏振、相位和光譜等信號，發(fā)展出眾多功能型OCT系統(tǒng)[7]，另一方面擴(kuò)展OCT的應(yīng)用領(lǐng)域[8].

對于OCT系統(tǒng)來說，光源相干長度是其縱向分辨率的重要決定因素.一般要求其光源具有較寬的頻譜寬度、輸出功率高、穩(wěn)定性好、易于耦合等特點(diǎn).為此，如何改進(jìn)光源，擴(kuò)大其光譜寬度以便獲得足夠短的相干時間，從而實現(xiàn)減小相干長度的目的成為眾多研究者的關(guān)注目標(biāo).目前已研制出并應(yīng)用于OCT中的寬光譜光源有超輻射發(fā)光二極管(SLD)[9]、超短脈沖飛秒激光[10].其中，SLD光譜寬度在40～70 nm，OCT系統(tǒng)縱向分辨率可達(dá)5～20 μm；藍(lán)寶石鎖模飛秒激光的光譜寬度在350 nm，OCT系統(tǒng)縱向分辨率高達(dá)1 μm.不過，這些光源價格昂貴，而且功率越高，光源噪聲越大.經(jīng)研究，單個普通發(fā)光二極管(LED)也能作為OCT系統(tǒng)的光源，并使OCT在一定的需求上取得較好的性能[11].另外，LED具有價格便宜、噪聲小和安全等特點(diǎn).但是，單個LED的不足之處在于其光譜寬度很窄(光譜半高寬度大約為30 nm).為了促進(jìn)LED光源在OCT中的使用，研究者提出了多個LED光源組合合成寬帶光源的應(yīng)用思路[11]，以此來提高OCT的分辨率和性價比.

為了驗證多顆LED光源合成理論分析的正確性，在系統(tǒng)加工之前需要對其進(jìn)行虛擬仿真.在光學(xué)仿真方面，Matlab, ZEMAX, Tracepro等一直是主流工具，但是其缺點(diǎn)在于：第一，使用者需要知道光線追跡理論，并且還需要進(jìn)行數(shù)值計算的方法設(shè)計和分析，使用起來比較復(fù)雜，不適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的快速可視化的設(shè)計仿真；第二，編制這樣的仿真程序工作量較大，難度較高，因此只限于少數(shù)人員使用.

VirtualLab Fusion[12]是由德國LightTrans公司研發(fā)的一款模塊化光學(xué)建模軟件，它模塊化的拖拽建模方式避免了繁冗復(fù)雜的理論推導(dǎo)和仿真模型的可視化編程.另外，它著眼于光源開始的整個光學(xué)系統(tǒng)，讓系統(tǒng)整體的虛擬運(yùn)行，從而避免了仿真對象的孤立性.這種全系統(tǒng)化的建模仿真思想為相關(guān)的光學(xué)設(shè)計和仿真提供了一種嶄新的技術(shù)方案.

本文基于VirtualLab Fusion，以時域光學(xué)相干層析技術(shù)(TDOCT)為對象，對不同多顆LED的合成光源進(jìn)行了仿真，復(fù)現(xiàn)了文獻(xiàn)[11]的結(jié)果，驗證了理論的正確性和方法的可行性.

1 多顆LED合成光源TDOCT縱向分辨率

利用多顆LED組合光源的TDOCT系統(tǒng)如圖1.其中光源部分由N顆LED光源組成，每顆LED發(fā)出的光分別經(jīng)過獨(dú)立的光纖輸送到同一個N：1型的波分復(fù)用器，合成后形成一個干涉長度短并具有高度部分相干的寬帶光源.這個合成光經(jīng)過一個光纖邁克爾遜干涉儀以后，最后被光電探測器接收.如果經(jīng)參考臂的光程與經(jīng)樣品臂的光程匹配到光源的相干長度之內(nèi)，樣品的反射光就與參考臂上返回的參考光相干涉.然后，光電探測器的信號再由處理電路進(jìn)行放大、濾波、選頻、解調(diào)，最后再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集與處理由計算機(jī)讀取、處理和顯示，完成樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息檢測.

1 多顆LED組合光源的TDOCT系統(tǒng)Figure 1 TDOCT system with synthetic optical source of LED

由文獻(xiàn)[13]推導(dǎo)得，當(dāng)同時使用N個互不相干的高斯型LED光源合成時，干涉儀輸出的相干光強(qiáng)交流部分為

(1)

式(1)中，Δλ為合成光源的光譜半高寬；λ0為合成光源的中心頻率；LC定義為單顆LED的相干長度；ΔL為參考光和信號光之間的光程差.另外，為了方便，(1)式中已經(jīng)設(shè)定每個光源的相干長度均相等，且光強(qiáng)相同，每個光源的波長為λi.從(1)式，可以看出，由多顆LED光源合成后的相干交流部分相當(dāng)于一個中心頻率為λ0的光源.光強(qiáng)交變部分除具有高斯函數(shù)外，還多出一個函數(shù)對高斯函數(shù)調(diào)制，影響高斯函數(shù)的包絡(luò)形狀.

由于TDOCT為背向光的探測技術(shù)，因此光要在組織中往返一次，所以，使用高斯光譜光源的TDOCT系統(tǒng)的縱向分辨率為合成光源相干長度的一半.由此可見，OCT的縱向分辨率由合成光源的相干長度決定，相干長度越長，分辨率越低.

2 基于VirtualLab Fusion的多顆LED合成光源仿真

2.1 TDOCT的VirtualLab Fusion的建模

基于VirtualLab Fusion構(gòu)建的TDOCT模型光路流程圖如圖2，(a)為元件平面布局；(b)為元件三維布局.其中“Gaussian Wave”代表系統(tǒng)的高斯型光源；“Ideal Beam Splitter”為理想光束分束器，這里設(shè)置為50/50非偏振型；M1為理想平面鏡，設(shè)定為OCT系統(tǒng)的參考鏡，M2為理想平面鏡，設(shè)置為TDOCT系統(tǒng)樣品；“Virtual Screen”為虛擬屏，用以顯示某一個截面上的光強(qiáng)分布；“Value Monitoring”為光強(qiáng)探測器，用來探測虛擬屏上某一點(diǎn)的光強(qiáng)變化.器件之間的相對距離可以通過單擊元件下面的坐標(biāo)來設(shè)置.圖中的光路連接方式即表示光在系統(tǒng)中的走向，光源發(fā)出的光經(jīng)過理想分束器后分別照射到參考鏡和樣品鏡上，之后，經(jīng)過兩個鏡反射的兩路光再匯合.這個匯合的光可以分別由虛擬屏和光強(qiáng)探測器接收.

圖2 VirtualLab Fusion對TDOCT系統(tǒng)的建模Figure 2 System of TDOCT in Virtuallab Fusion

完成TDOCT的建模以后，就可以通過改變初始條件來實現(xiàn)對系統(tǒng)的仿真.因為VirtualLab Fusion自身沒有多顆LED合成光源，因此，我們首先需要通過光源編輯窗口導(dǎo)入已保存的特定光譜.對于單顆LED來說，其光譜近似為(2)式表示的高斯型光譜函數(shù)

(2)

式(2)中，Δv0為光源譜寬，I0為光源強(qiáng)度系數(shù).利用頻率和波長之間的關(guān)系即可獲得波長表示的高斯型光譜函數(shù).基于此，運(yùn)用MATLAB得到不同顆數(shù)LED合成后的光源光譜，如圖3所示.其中LED顆數(shù)用N表示，第一顆LED光源的中心波長為850 nm，其后相鄰兩顆LED光源之間的中心波長相距10 nm，且每顆LED光源的半高寬為30 nm，強(qiáng)度以中心波長850 nm對應(yīng)的強(qiáng)度為歸一化條件.從圖中可以看出，隨著LED顆數(shù)的增加，合成光源的強(qiáng)度隨之增加，譜寬隨之展寬.為了更細(xì)致地考察這種變化趨勢，我們獲取了圖3中每條曲線的最大值和半高寬，它們隨LED顆數(shù)的變化情況如圖4所示.從圖4中我們可以看出，當(dāng)LED顆數(shù)增加至6顆以后，合成光源的最大強(qiáng)度值不再增加，而半高寬持續(xù)增大.

圖3 不同顆數(shù)LED組合后的光源光譜Figure 3 Spectrum of synthetic optical source with different numbers of LED

圖4 合成光源的強(qiáng)度最大值和譜寬隨LED顆數(shù) 的變化情況Figure 4 Maximum intensity and FWHM of the synthetic optical source with different numbers of LED

然后，將圖3不同顆數(shù)LED的合成光源依次導(dǎo)入圖2(a)的光源中，如圖5.圖5(a)為中心波長為850 nm，半高寬為30 nm的單顆LED能量波長分布(部分)；圖5(b)為VirtualLab Fusion生成的合成光源，強(qiáng)度以中心波長850 nm對應(yīng)的強(qiáng)度為歸一化條件.

2.2 合成光源干涉信號仿真

建模結(jié)束后，我們首先對比了850 nm單頻光源和和單顆LED光源情況下虛擬屏給出的干涉，如圖6.其中(a)為850 nm單頻光源的情況，(b)為中心波長為850 nm單顆LED的情況.從中可以看出，當(dāng)光源為理想單頻光時，TDOCT將給出非常好的干涉圖形；當(dāng)光源是寬頻光源時，TDOCT將給出對比度不高的干涉條紋.

圖5 光源基本參數(shù)編輯窗口Figure 5 Parameter window for light source

圖6 不同光源下TDOCT給出的干涉圖形Figure 6 Interference pattern of TDOCT with different optical source

隨后，我們利用“Parameter Run”功能，實現(xiàn)參考鏡M1位置變化時合成光源干涉信號的仿真.其中參考鏡M1在其初始位置前后平移距離設(shè)置為-15～15 μm，步數(shù)為100.這也就是說，TDOCT的兩條光的光程差有-15～15 μm的變化量.不同顆數(shù)LED合成光源后的干涉信號隨光程差的變化如圖7所示.從中可以看出，隨著LED顆數(shù)的增加，干涉信號所覆蓋的光程差縮短，即干涉長度減小，相應(yīng)地縱向分辨率就會提高.圖8給出了不同顆數(shù)LED合成后，相應(yīng)TDOCT縱向分辨率的變化情況.從中可以看出，隨著LED顆數(shù)的增加，TDOCT的縱向分辨率隨之提高.當(dāng)LED為3顆的時候，縱向分辨率為9.8 μm，這已經(jīng)可ΔL以達(dá)到單個SLD光源的級別了.也就是說，多顆LED合成光源可以用來代替單顆SLD光源.當(dāng)然，對于TDOCT來說，光譜寬度越大，相干長度越短，縱向分辨率越高；但是，不能無限制的增加LED顆數(shù)，因為隨著LED顆數(shù)的增加，總光強(qiáng)會保持不變，這樣會增加干涉信號的背景信息，降低信噪比.所以，具體LED顆數(shù)還要根據(jù)實驗來確定.

圖7 不同顆數(shù)LED組合時TDOCT的干涉波形Figure 7 Interference of the TDOCT with synthetic optical source of different numbers of LED

圖8 TDOCT縱向分辨率隨LED顆數(shù)變化的情況Figure 8 Vertical resolution of TDOCT varying with the number of LED

3 結(jié) 語

本文基于最新光學(xué)仿真軟件VirtualLab Fusion，以TDOCT為對象，仿真研究了多顆LED合成光源的參數(shù).研究結(jié)果表明，LED在一定顆數(shù)組合下所合成的光源能夠達(dá)到SLD光源的光譜半高寬和相干長度，并且可以給出與SLD級別相當(dāng)?shù)腡DOCT的縱向分辨率.這種仿真結(jié)果是基于VirtualLab Fusion的系統(tǒng)虛擬運(yùn)行環(huán)境下獲得的.在驗證多顆LED合成光源可行性的同時也為相關(guān)光學(xué)建模問題提供了一種整體虛擬仿真新思路.

(致謝：非常感謝訊技光電科技(上海)有限公司提供的VirtualLab Fusion密鑰和多年來的技術(shù)支持)

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Simulations of synthetic light source of TDOCT based on VirtualLab Fusion

ZHANG Baowu1,2, HUO Jianfeng1, ZHANG Mingyue1, LIU Yuanyuan,YU Guiying1, YAO Luyu1

(1.College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2.Department of Physics, University of Pisa, Pisa 56127, Italy)

The light path system of time domain optical coherence tomography(TDOCT)was simulated with the software of VirtualLab fusion. The light source was synthesized with multi LED lights. The interference signal of the TDOCT was obtained by moving the reference mirror. The full width at half maximum (FWHM) and coherence length of the synthetic light source, the corresponding vertical resolutions of the TDOCT were analyzed. The results showed that the maximum intensity of the synthetic light source increased at the beginning and then kept stable with the LED lights increased from 1 to 10, while the vertical resolution of the TDOCT kept increasing. When the synthetic light source was mixed with 3 LED lights, the vertical resolution of the TDOCT was 9.8μm, which was similar to that by using one SLD.

OCT; VirtualLab Fusion; LED; synthetic light source

2096-2835(2016)04-0452-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.017

2016-07-05 《中國計量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.11404312)，國家留學(xué)基金資助項目(No.201408330449)，浙江省“儀器科學(xué)與技術(shù)”重中之重學(xué)科開放基金資助項目(No.JL150508)，廣西高校光電信息處理重點(diǎn)實驗開放基金資助項目(No.KFJJ2014-03)，廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實驗開放基金資助項目(No.YQ15204).

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