光学相干层析成像系统的蒙特卡罗模拟研究

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1、摘要本文应用蒙特卡罗方法对散射介质的光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography，OCT)信号进行模拟，通过模拟结果与实验测量结果的对比分析，揭示散射介质OCT信号的产生机理和影响OCT信号的各种因素。首先，针对现有的OCT模拟研究只是从采样光束与被测样品相互作用的角度来模拟OCT信号，而没有考虑OCT采样臂光路结构和参数对OCT信号的影响，提出了将OCT系统和被测样品作为一个整体进行模拟的新方法。通过追迹采样光束中每一光子在聚焦系统和被测样品中的随机传输轨迹，来决定该光子对OCT信号是否有贡献及贡献大小，而采样光束中所有光子的贡献构成OCT信

2、号。其次，在对现有的非球面光路计算方法进行分析的基础上，给出了基于辅助曲面的步进．二分光路计算法，不仪提高光子通过采样臂聚焦系统(非球面系统)的光路计算速度，使模拟大量的光子成为可能，而且可消除光路计算过程中可能出现的光线“溢出”和“伪焦点”现象。另外，OCT系统中的超发光二极管光源发出的是高斯光束。基于高斯光束的单叶双曲面特征，给出了一种新的模拟高斯光束的数值方法。该方法将高斯光束视为由无数个共轴单叶双曲面构成的双曲线体，由束腰截面发射的光子传播方向是在过该光子发射点的双曲面的两条直母线中等概率随机选择。这不仅符合光子沿直线传播，而且意味着大量光子的“平均”传播方向与

3、相应高斯光束的波印廷矢量相同。最后以VisualC++6．0为软件平台，开发了散射介质OCT测量信号的模拟程序，并对不同的散射介质和OCT系统参数进行模拟。通过实验测量结果和模拟结果的对比，分析了被测样品(散射介质)的光学参数、采样臂光纤的数值孔径和聚焦系统的光学特性对OCT信号强度的影响。本文的研究工作为应用OCT测量各中散射介质的光学参数和OCT系统的优化设计提供了一定的理论和实验依据。关键词：光学相干层析成像；蒙特卡罗模拟；散射介质；高斯光束；非球面光学系统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