基于VirtualLab Fusion的TDOCT系统合成光源仿真

张宝武，霍剑锋，张明月，刘媛媛，余桂英，姚芦鹬

(1.中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；2.比萨大学物理系，意大利 比萨 56127)

基于VirtualLab Fusion的TDOCT系统合成光源仿真

张宝武1,2，霍剑锋1，张明月1，刘媛媛1，余桂英1，姚芦鹬1

(1.中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；2.比萨大学物理系，意大利 比萨 56127)

基于VirtualLab Fusion构建了时域光学相干层析技术(time domain optical coherence tomography，TDOCT)光路系统，导入不同颗数发光二极管(light emitting diode，LED)的合成光谱，从参考镜的位置变化中获得干涉信号，以此分析出合成光源的半高宽和相干度，以及对应TDOCT的纵向分辨率.结果表明，合成光源的最大强度值随着LED颗数从1到10的增加先增加后趋向不变；而半高宽随之不断增加；TDOCT系统的纵向分辨率随之不断提高.当LED增加至3颗的时候，合成光源已经可以使TDOCT系统纵向分辨率提高至9.8 μm，这与一颗超辐射发光二极管(super luminescent light-emitting diode，SLD)给出的分辨率级别相当.

光学相干层析技术；VirtualLab Fusion软件；发光二极管；合成光源

光学相干层析技术(OCT)因具有高分辨率、非接触、无损伤、速度快，以及能够对活体生物进行实时成像等特点，于是被迅速应用于生物医学的影像检测，并正在被拓展到工业测量等领域.1991年Huang等首次提OCT概念[1]，应用它进行了人眼视网膜的微结构和冠状动脉臂的成像，从而推动了OCT技术在生物医学领域的应用.1997年Colston等人用OCT技术取得了离体猪前磨牙的牙本质以及牙周组织图像[2]，证明了OCT技术在牙科领域的应用潜力[3].另外，OCT系统可以对人体的表皮和真皮超细微结构[4]，胃肠道表层结构[5]，对冠状动脉组织[6]等进行高分辨成像，以观察病变组织的情况，从而实现对疾病的诊断.近年来，随着OCT技术的发展，又产生了许多新的研究热点：一方面多种方式控制OCT光源系统的偏振、相位和光谱等信号，发展出众多功能型OCT系统[7]，另一方面扩展OCT的应用领域[8].

对于OCT系统来说，光源相干长度是其纵向分辨率的重要决定因素.一般要求其光源具有较宽的频谱宽度、输出功率高、稳定性好、易于耦合等特点.为此，如何改进光源，扩大其光谱宽度以便获得足够短的相干时间，从而实现减小相干长度的目的成为众多研究者的关注目标.目前已研制出并应用于OCT中的宽光谱光源有超辐射发光二极管(SLD)[9]、超短脉冲飞秒激光[10].其中，SLD光谱宽度在40～70 nm，OCT系统纵向分辨率可达5～20 μm；蓝宝石锁模飞秒激光的光谱宽度在350 nm，OCT系统纵向分辨率高达1 μm.不过，这些光源价格昂贵，而且功率越高，光源噪声越大.经研究，单个普通发光二极管(LED)也能作为OCT系统的光源，并使OCT在一定的需求上取得较好的性能[11].另外，LED具有价格便宜、噪声小和安全等特点.但是，单个LED的不足之处在于其光谱宽度很窄(光谱半高宽度大约为30 nm).为了促进LED光源在OCT中的使用，研究者提出了多个LED光源组合合成宽带光源的应用思路[11]，以此来提高OCT的分辨率和性价比.

为了验证多颗LED光源合成理论分析的正确性，在系统加工之前需要对其进行虚拟仿真.在光学仿真方面，Matlab, ZEMAX, Tracepro等一直是主流工具，但是其缺点在于：第一，使用者需要知道光线追迹理论，并且还需要进行数值计算的方法设计和分析，使用起来比较复杂，不适应光学系统的快速可视化的设计仿真；第二，编制这样的仿真程序工作量较大，难度较高，因此只限于少数人员使用.

VirtualLab Fusion[12]是由德国LightTrans公司研发的一款模块化光学建模软件，它模块化的拖拽建模方式避免了繁冗复杂的理论推导和仿真模型的可视化编程.另外，它着眼于光源开始的整个光学系统，让系统整体的虚拟运行，从而避免了仿真对象的孤立性.这种全系统化的建模仿真思想为相关的光学设计和仿真提供了一种崭新的技术方案.

本文基于VirtualLab Fusion，以时域光学相干层析技术(TDOCT)为对象，对不同多颗LED的合成光源进行了仿真，复现了文献[11]的结果，验证了理论的正确性和方法的可行性.

1 多颗LED合成光源TDOCT纵向分辨率

利用多颗LED组合光源的TDOCT系统如图1.其中光源部分由N颗LED光源组成，每颗LED发出的光分别经过独立的光纤输送到同一个N：1型的波分复用器，合成后形成一个干涉长度短并具有高度部分相干的宽带光源.这个合成光经过一个光纤迈克尔逊干涉仪以后，最后被光电探测器接收.如果经参考臂的光程与经样品臂的光程匹配到光源的相干长度之内，样品的反射光就与参考臂上返回的参考光相干涉.然后，光电探测器的信号再由处理电路进行放大、滤波、选频、解调，最后再经过数据采集与处理由计算机读取、处理和显示，完成样品内部结构信息检测.

1 多颗LED组合光源的TDOCT系统Figure 1 TDOCT system with synthetic optical source of LED

由文献[13]推导得，当同时使用N个互不相干的高斯型LED光源合成时，干涉仪输出的相干光强交流部分为

(1)

式(1)中，Δλ为合成光源的光谱半高宽；λ0为合成光源的中心频率；LC定义为单颗LED的相干长度；ΔL为参考光和信号光之间的光程差.另外，为了方便，(1)式中已经设定每个光源的相干长度均相等，且光强相同，每个光源的波长为λi.从(1)式，可以看出，由多颗LED光源合成后的相干交流部分相当于一个中心频率为λ0的光源.光强交变部分除具有高斯函数外，还多出一个函数对高斯函数调制，影响高斯函数的包络形状.

由于TDOCT为背向光的探测技术，因此光要在组织中往返一次，所以，使用高斯光谱光源的TDOCT系统的纵向分辨率为合成光源相干长度的一半.由此可见，OCT的纵向分辨率由合成光源的相干长度决定，相干长度越长，分辨率越低.

2 基于VirtualLab Fusion的多颗LED合成光源仿真

2.1 TDOCT的VirtualLab Fusion的建模

基于VirtualLab Fusion构建的TDOCT模型光路流程图如图2，(a)为元件平面布局；(b)为元件三维布局.其中“Gaussian Wave”代表系统的高斯型光源；“Ideal Beam Splitter”为理想光束分束器，这里设置为50/50非偏振型；M1为理想平面镜，设定为OCT系统的参考镜，M2为理想平面镜，设置为TDOCT系统样品；“Virtual Screen”为虚拟屏，用以显示某一个截面上的光强分布；“Value Monitoring”为光强探测器，用来探测虚拟屏上某一点的光强变化.器件之间的相对距离可以通过单击元件下面的坐标来设置.图中的光路连接方式即表示光在系统中的走向，光源发出的光经过理想分束器后分别照射到参考镜和样品镜上，之后，经过两个镜反射的两路光再汇合.这个汇合的光可以分别由虚拟屏和光强探测器接收.

图2 VirtualLab Fusion对TDOCT系统的建模Figure 2 System of TDOCT in Virtuallab Fusion

完成TDOCT的建模以后，就可以通过改变初始条件来实现对系统的仿真.因为VirtualLab Fusion自身没有多颗LED合成光源，因此，我们首先需要通过光源编辑窗口导入已保存的特定光谱.对于单颗LED来说，其光谱近似为(2)式表示的高斯型光谱函数

(2)

式(2)中，Δv0为光源谱宽，I0为光源强度系数.利用频率和波长之间的关系即可获得波长表示的高斯型光谱函数.基于此，运用MATLAB得到不同颗数LED合成后的光源光谱，如图3所示.其中LED颗数用N表示，第一颗LED光源的中心波长为850 nm，其后相邻两颗LED光源之间的中心波长相距10 nm，且每颗LED光源的半高宽为30 nm，强度以中心波长850 nm对应的强度为归一化条件.从图中可以看出，随着LED颗数的增加，合成光源的强度随之增加，谱宽随之展宽.为了更细致地考察这种变化趋势，我们获取了图3中每条曲线的最大值和半高宽，它们随LED颗数的变化情况如图4所示.从图4中我们可以看出，当LED颗数增加至6颗以后，合成光源的最大强度值不再增加，而半高宽持续增大.

图3 不同颗数LED组合后的光源光谱Figure 3 Spectrum of synthetic optical source with different numbers of LED

图4 合成光源的强度最大值和谱宽随LED颗数 的变化情况Figure 4 Maximum intensity and FWHM of the synthetic optical source with different numbers of LED

然后，将图3不同颗数LED的合成光源依次导入图2(a)的光源中，如图5.图5(a)为中心波长为850 nm，半高宽为30 nm的单颗LED能量波长分布(部分)；图5(b)为VirtualLab Fusion生成的合成光源，强度以中心波长850 nm对应的强度为归一化条件.

2.2 合成光源干涉信号仿真

建模结束后，我们首先对比了850 nm单频光源和和单颗LED光源情况下虚拟屏给出的干涉，如图6.其中(a)为850 nm单频光源的情况，(b)为中心波长为850 nm单颗LED的情况.从中可以看出，当光源为理想单频光时，TDOCT将给出非常好的干涉图形；当光源是宽频光源时，TDOCT将给出对比度不高的干涉条纹.

图5 光源基本参数编辑窗口Figure 5 Parameter window for light source

图6 不同光源下TDOCT给出的干涉图形Figure 6 Interference pattern of TDOCT with different optical source

随后，我们利用“Parameter Run”功能，实现参考镜M1位置变化时合成光源干涉信号的仿真.其中参考镜M1在其初始位置前后平移距离设置为-15～15 μm，步数为100.这也就是说，TDOCT的两条光的光程差有-15～15 μm的变化量.不同颗数LED合成光源后的干涉信号随光程差的变化如图7所示.从中可以看出，随着LED颗数的增加，干涉信号所覆盖的光程差缩短，即干涉长度减小，相应地纵向分辨率就会提高.图8给出了不同颗数LED合成后，相应TDOCT纵向分辨率的变化情况.从中可以看出，随着LED颗数的增加，TDOCT的纵向分辨率随之提高.当LED为3颗的时候，纵向分辨率为9.8 μm，这已经可ΔL以达到单个SLD光源的级别了.也就是说，多颗LED合成光源可以用来代替单颗SLD光源.当然，对于TDOCT来说，光谱宽度越大，相干长度越短，纵向分辨率越高；但是，不能无限制的增加LED颗数，因为随着LED颗数的增加，总光强会保持不变，这样会增加干涉信号的背景信息，降低信噪比.所以，具体LED颗数还要根据实验来确定.

图7 不同颗数LED组合时TDOCT的干涉波形Figure 7 Interference of the TDOCT with synthetic optical source of different numbers of LED

图8 TDOCT纵向分辨率随LED颗数变化的情况Figure 8 Vertical resolution of TDOCT varying with the number of LED

3 结 语

本文基于最新光学仿真软件VirtualLab Fusion，以TDOCT为对象，仿真研究了多颗LED合成光源的参数.研究结果表明，LED在一定颗数组合下所合成的光源能够达到SLD光源的光谱半高宽和相干长度，并且可以给出与SLD级别相当的TDOCT的纵向分辨率.这种仿真结果是基于VirtualLab Fusion的系统虚拟运行环境下获得的.在验证多颗LED合成光源可行性的同时也为相关光学建模问题提供了一种整体虚拟仿真新思路.

(致谢：非常感谢讯技光电科技(上海)有限公司提供的VirtualLab Fusion密钥和多年来的技术支持)

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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 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

国家自然科学基金资助项目(No.11404312)，国家留学基金资助项目(No.201408330449)，浙江省“仪器科学与技术”重中之重学科开放基金资助项目(No.JL150508)，广西高校光电信息处理重点实验开放基金资助项目(No.KFJJ2014-03)，广西自动检测技术与仪器重点实验开放基金资助项目(No.YQ15204).

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