Monte Carlo法模拟研究偏振光在各种介质中的传播及光学相干断层成像

论文摘要

光学相干断层成像技术是近年来发展起来的无损、高分辨率的光学检测技术,光在系统中的传输过程和现象以及其应用研究对光学相干断层成像技术的发展有着重要作用,而模拟研究可提高对光在介质中传输的认识,为光检测技术提供理论依据。本论文应用Monte Carlo法模拟研究了偏振光在混沌介质中的传输和进行光学相干断层成像方面的有关研究。在Monte Carlo法模拟研究偏振光在混沌介质中的传输领域,根据Stokes-Mueller关系,并考虑混沌介质的折射率、透射率、吸收系数、反射系数和各向异性因子等光学特性,建立了跟踪偏振光子在各向同性介质和具有双折射特性的介质中散射时其偏振态和方位的物理模型,此模型可给出偏振光在介质中发生散射时其光子的偏振态、散射角和方位坐标。设计编写了基于此物理模型的应用Monte Carlo法模拟偏振光在各向同性介质和具有双折射特性中传输的C语言程序,对不同偏振态的光入射到各向同性介质和双折射介质中的光传输进行了模拟,模拟获得从介质返回的背向散射光的Stokes矢量各分量的强度,用编写的Matlab程序处理这些Stokes矢量各分量的强度数据,分别研究了各向同性介质和双折射介质的Mueller矩阵元素特性,同时还探讨了不同偏振光分别入射到各向同性介质和双折射介质时,所得到的背向散射光的偏振度特性。在光学相干断层成像（OCT）的有关研究领域,一方面,应用传统OCT技术,提出一种用光学相干断层成像系统获得的图像测量样品折射率的方法,通过分析光程匹配原理,给出OCT图像法测量样品折射率的原理及过程,并以玻璃载波片和黄瓜组织为样品开展一系列相关的折射率测量实验,对实验测量结果进行了分析。此外为了以后模拟宽场OCT系统的目的,初步研究了用Monte Carlo法模拟传统OCT系统的探测信号,编写相应的模拟程序,对一定条件下的传统OCT系统的探测信号进行模拟,给出了初步模拟结果。另一方面,应用宽场OCT技术,用宽场白光作为OCT系统的光源,实验研究了宽场OCT系统对样品的表面进行了单色和彩色重建成像以及用红色宽场光对样品进行纵向扫描获得其断层结构图像等问题,并根据相关的实验结果探讨了影响宽场OCT系统横向分辨率和纵向分辨率的因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 用Monte Carlo法模拟偏振光在介质中传输的历史及现状
• 1.1.1 三种形式的Monte Carlo法
• 1.1.2 提高Monte Carlo法模拟速率的进展
• 1.2 OCT模拟及应用方面的进展
• 1.3 课题研究的意义与主要研究内容
• 1.3.1 课题研究意义
• 1.3.2 课题主要研究内容
• Ⅰ Monte Carlo法模拟偏振光在介质中的传输
• 第二章 偏振光跟踪的物理模型
• 2.1 偏振光与介质的物理模型
• 2.1.1 Stokes-Mueller公式
• 2.1.2 介质的Mueller矩阵元素
• 2.2 建立偏振光子跟踪模型
• 2.2.1 偏振光子在介质中的单次散射
• 2.2.2 偏振光子在介质中的多次散射
• 2.2.3 偏振光子在双折射介质中的散射
• 第三章 偏振光的跟踪模拟程序
• 3.1 Monte Carlo法模拟过程
• 3.1.1 随机变量的选取
• 3.1.2 光子传输的规则
• 3.2 跟踪偏振光子程序PMCS
• 3.2.1 PMCS主程序
• 3.2.2 PMCS子程序
• 3.2.3 PMCS程序的输入输出文件
• 3.2.4 PMCS程序的测试
• 第四章 介质背向散射光的模拟结果及分析
• 4.1 介质的Mueller矩阵及分析
• 4.1.1 各向同性介质的Mueller矩阵及分析
• 4.1.2 双折射介质的Mueller矩阵
• 4.2 介质背向散射光的偏振度
• 4.2.1 各向同性介质背向散射光的偏振度
• 4.2.2 双折射介质背向散射光的偏振度
• 4.2.3 两种介质背向散射光的偏振度的对比
• Ⅱ 光学相干断层成像方面的有关研究
• 第五章 传统OCT图像法测量样品折射率
• 5.1 传统OCT测量折射率原理
• 5.1.1 传统OCT系统原理
• 5.1.2 光程匹配原理
• 5.1.3 OCT图像法测折射率原理
• 5.2 OCT图像法测样品折射率实验
• 5.2.1 实验方案
• 5.2.2 实验研究内容与研究结果
• 5.2.3 实验分析与讨论
• 第六章 宽场光学相干断层成像系统的研究
• 6.1 宽场光学相干断层成像系统的原理
• 6.2 宽场光学相干断层成像的实验研究
• 6.2.1 样品层析结构的实验研究
• 6.2.2 宽场光学相干断层系统的性能研究
• 第七章 Monte Carlo法模拟传统OCT系统的相干信号
• 7.1 裸光型OCT系统的原理及物理模型
• 7.1.1 裸光型OCT系统的原理
• 7.1.2 裸光型OCT系统相干信号物理模型
• 7.2 传统OCT系统的相干信号模拟结果及分析
• 7.2.1 模拟程序MCSO的设计
• 7.2.2 模拟结果及分析
• 第八章 总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 附件