VirtualLab Fusion | 光学相干层析成像的工作原理

基于白光干涉的扫描干涉测量技术，因只有当参考光臂与样品光臂的光程差落入相干长度内时才产生干涉，从而具备极高的纵向分辨率，该原理也被广泛应用于光学相干断层扫描（OCT）的医学成像中。

  

然而，由于光源具有较宽的频带，且在非序列光路中存在多次交互，如何有效平衡计算精度与速度成为仿真分析的关键挑战。本案例利用VirtualLab Fusion，模拟了带有氙灯（宽带光源）的迈克尔逊干涉仪，并测量具有平滑调制表面的样品高度轮廓。

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建模设置

针对系统的不同部分，案例采用了“精度与速度折中”的最优策略，实现了方法连接。

光源模型（氙灯）

采用了功率谱密度模型，模拟6200K温度下的黑体光谱。在此环节，必须权衡频域与时域建模。频域建模需要严格采样频带，速度较慢，但能准确反映波长相关性；时域近似虽然速度极快，但仅包含单一波长，会丢失色散信息。

消色差透镜组件

为了简化计算，使用了“镜头系统组件”，通过内置目录选择了 Edmund Optics 编号49-664的消色差透镜，将其视为均匀、各向同性介质。

分束器

由于研究重点在于干涉而非菲涅耳损耗，分束器采用了理想化的“功能法”模型，不包含非菲涅耳损耗。

自由空间传播

结合本例无强衍射和边缘效应的背景，选用了“几何传播”模型，在保证极高速度的同时完美近似了实际传播。

带样品的镜子

为了真实还原被测样品，使用了“采样界面”，将自定义的高度矩阵（高度等高线图）加载到微结构中。在与曲面的交互作用中，对比了薄元近似（TEA）和局部平面界面近似（LPIA）。由于TEA要求元件较薄且曲率不大，而LPIA仅在光束焦点附近受限，两者在本例中均满足条件，且结果高度一致。

参考镜

与分束器类似，因为不关心菲涅耳损耗，同样采用了理想化功能法，以大幅减少计算量。

探测器

提供辐照度及真实颜色两种视图，旨在直观真实地还原干涉条纹的形态，并模拟人眼实际看到的结果。

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仿真结果与对比

在最终的仿真输出中，探测器提供了辐照度和真实颜色两种视图，直观且真实地还原了干涉条纹的形态。

随着试样在零微米、一微米和两微米三个位置上的明显偏移，干涉图样的变化清晰印证了干涉条纹的轮廓线完美对应了被测样品的高度轮廓，验证了系统对位移的高灵敏度。

在曲面交互算法的深入对比中，薄元近似（TEA）和局部平面界面近似（LPIA）最终提供了无法区分的干涉图案，但在运算速度上LPIA耗时28秒，TEA耗时30秒，LPIA凭借微弱的性能优势成为了本案例曲面模拟的首选。

然而，对于宽带光源的核心机制，频域法与时域法展现了截然不同的物理表现。频域模拟严格遵循了多波长干涉原理，耗时28秒，其干涉图案中包含了因波长间距离不同而造成的条纹拖尾，物理信息完整且准确。相比之下，时域法以仅仅4秒的超高速度完成了计算，但代价是只传播单波长，导致探测器上原本真实的干涉图案被严重扭曲成了失真的同心圆环，完全丢失了干涉条纹间的物理距离信息。

这一对比清晰地揭示了在涉及多色光干涉的仿真任务中，虽然频域法面临更高的计算成本，但为了保障物理事实的准确性，它是不可或缺的基础路径。

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结论

通过对扫描干涉测量系统的完整建模仿真，验证了VirtualLab Fusion中各种交互式建模技术的强大实用性。它允许研究人员根据系统各个部分的物理特征，自由切换高精度的严格算法（如频域法）和高效率的近似算法（如几何传播、LPIA等），在同一个平台上无缝衔接，最终在保证了干涉条纹物理准确性的前提下，实现了计算效率的最优化。