光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的蒙特卡羅模擬研究

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1、摘要本文應(yīng)用蒙特卡羅方法對散射介質(zhì)的光學(xué)相干層析成像(OpticalCoherenceTomography，OCT)信號進行模擬，通過模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果的對比分析，揭示散射介質(zhì)OCT信號的產(chǎn)生機理和影響OCT信號的各種因素。首先，針對現(xiàn)有的OCT模擬研究只是從采樣光束與被測樣品相互作用的角度來模擬OCT信號，而沒有考慮OCT采樣臂光路結(jié)構(gòu)和參數(shù)對OCT信號的影響，提出了將OCT系統(tǒng)和被測樣品作為一個整體進行模擬的新方法。通過追跡采樣光束中每一光子在聚焦系統(tǒng)和被測樣品中的隨機傳輸軌跡，來決定該光子對OCT信號是否有貢獻及貢獻大小，而采樣光束中所有光子的貢獻構(gòu)成OCT信

2、號。其次，在對現(xiàn)有的非球面光路計算方法進行分析的基礎(chǔ)上，給出了基于輔助曲面的步進．二分光路計算法，不儀提高光子通過采樣臂聚焦系統(tǒng)(非球面系統(tǒng))的光路計算速度，使模擬大量的光子成為可能，而且可消除光路計算過程中可能出現(xiàn)的光線“溢出”和“偽焦點”現(xiàn)象。另外，OCT系統(tǒng)中的超發(fā)光二極管光源發(fā)出的是高斯光束?；诟咚构馐膯稳~雙曲面特征，給出了一種新的模擬高斯光束的數(shù)值方法。該方法將高斯光束視為由無數(shù)個共軸單葉雙曲面構(gòu)成的雙曲線體，由束腰截面發(fā)射的光子傳播方向是在過該光子發(fā)射點的雙曲面的兩條直母線中等概率隨機選擇。這不僅符合光子沿直線傳播，而且意味著大量光子的“平均”傳播方向與

3、相應(yīng)高斯光束的波印廷矢量相同。最后以VisualC++6．0為軟件平臺，開發(fā)了散射介質(zhì)OCT測量信號的模擬程序，并對不同的散射介質(zhì)和OCT系統(tǒng)參數(shù)進行模擬。通過實驗測量結(jié)果和模擬結(jié)果的對比，分析了被測樣品(散射介質(zhì))的光學(xué)參數(shù)、采樣臂光纖的數(shù)值孔徑和聚焦系統(tǒng)的光學(xué)特性對OCT信號強度的影響。本文的研究工作為應(yīng)用OCT測量各中散射介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)和OCT系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論和實驗依據(jù)。關(guān)鍵詞：光學(xué)相干層析成像；蒙特卡羅模擬；散射介質(zhì)；高斯光束；非球面光學(xué)系統(tǒng)AbstractInthispaper,theMonteCarlomethodhasbeenusedtosi

4、mulatetheOCTsignalofscatteringmedium．Bycontrastingsimulationresultswithexperimentalresults，thegeneratingmechanismofOCTsignalfromscatteringmediumandtheinfluencingfactorsonOCTsignalwererevealed．Firstofall，beingdirectedatthefactthattheexistingsimulatingresearchonOCTonlysimulateOCTsignalasvi

5、ewedfromtheinteractionbetweensamplingbeamandmeasuredmedium，buttheinfluenceoftheopticalstructureandparametersofsamplinganTionOCTsignalwerenottakenintoconsideration，anewmethodtotakeOCTsystemandthemeasuredsampleasawholetobesimulatedwaspresented．Whetheraphotonwithinsamplingbeamwouldcontribut

6、etoOCTsignalandhowmuchcontributionitwoulddoweredeterminedbytracingitsstochasticpropagatingtrajectorythroughthefocusingsystemandwithinthemeasuredsample．OCTsignalwascomposedofthecontributionsofallphotonsinsamplingbeam．Secondly,basedonanalyzingtheexistingmethodstocalculatethelight-paththrou

7、ghanasphericopticalsystem，astepping—dichotomybasedauxiliarysurfacetocalculatethelight-pathwaspresented．Themethodnotonlyspedupthelight-pathcalculationofaphotongoingthroughthesamplingfocusingsystem(asphericopticalsystem)，whichmadeitpossibletosimulateagreatdealofphotons，buta