Ansys博客
May 11, 2023
探秘医疗行业中的衍射光学器件
共聚焦激光扫描显微镜
共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）是一种旨在提高分辨率和对比度的光学成像技术。在该应用中，DOE可作为波长相关的聚焦机制来调节图像深度，从而实现组织的无创切片。CLSM的特异性和敏感度使医疗专业人员能够识别通过传统方法难以检测到的某些疾病和癌症。
衍射光学器件通过利用光线的线扫描，而非需要更多集成时间的单点扫描，以实现更快的图像采集和更出色的图像质量。这些元件还可以减少光学像差对性能的影响，因为像差会导致图像清晰度降低。此外，利用较小的物镜尺寸，可将DOE放入内窥镜中进行原位检测。
当使用DOE设计CLSM系统时，除了复杂的设计和制造要求外，还有一项重要的考虑因素，那就是DOE可以降低信噪比，从而增加对灵敏探测器的需求。此外，根据所选光源的质量，可能更加需要采用非均匀照明。所有这些因素都可能影响整个系统的质量。
光学相干断层扫描
光学相干断层扫描（OTC）可提供与CLSM相媲美的优势，特别是对于眼部。它使用光波拍摄视网膜的横截面图像，以便眼科医生可以测量每个视网膜层的厚度。这些测量可辅助诊断，并为青光眼、糖尿病视网膜病变和黄斑病等疾病的个体化治疗提供指导。
与CLSM一样，衍射光学器件可提供更快的图像采集速度，从而支持更出色的图像质量。在OCT中，衍射光学器件可用于进行光分析的光谱仪或用于照明目的的超发光二极管（SLD）。光谱仪可用作强度调制探测器，它收集的信息经过处理后可生成OCT图像。在后一种应用中，衍射光学器件可用于扫描SLD光谱，而无需使用光谱仪生成OCT图像。这两种技术都有助于提高OCT速度和图像质量。
衍射光学器件通过提高图像分辨率、成像深度和降低噪声，使光谱域和扫频源OCT系统能够取代时域OCT。衍射光学器件可简化OCT系统设计，从而降低成本。然而，还需要有方法解决由于在OCT中使用DOE而可能导致的光强度降低或光学对准问题。
衍射多焦点人工晶状体
除了诊断应用外，衍射光学器件也是用于医疗植入物的基础技术。白内障手术是当今最常见的外科手术之一，它涉及到使用人工晶状体（IOL）来取代患者的天然晶状体，前者类似于多焦点IOL。随着病情的发展，由于光散射增加，眼睛的晶状体可能变得不透明，从而损害视力，而且在极端情况下可能导致失明。
使用这些微创IOL植入物，患者可立即体验到视力改善、光晕效应减少以及焦深增加等好处。如上所述，多焦点IOL可分为折射型、衍射型或组合型。折射型多焦点IOL可实现不同的屈光能力环形区，因此聚焦依赖于瞳孔动力学。这种布局方式使折射型多焦点IOL对中心比较敏感。另一方面，衍射型IOL可实现衍射式微结构，以同时实现多个视图距离，使得这些晶状体对其位置更加适应。组合型多焦点IOL利用折射和衍射这两种技术，可生成一系列不同的解决方案，从而根据患者的独特需求进行定制。最近的研究表明，根据个体实际情况进行IOL选择可提高患者的满意度。
尽管如此，这些组合型衍射多焦点晶状体是通过同步成像来模仿人眼的自然调节能力，因此他们并不是完美的。由于透光率降低，患者可能会经历更长的视觉适应时间和更弱的夜视能力。随着白内障在成年人群体中变得越来越普遍，人们对优质多焦点IOL的需求也越来越大，以提高不同焦点处可实现的图像质量。然而，多焦点IOL虽拥有先进的设计，但这也让其成本对于患者而言相对较高。
为了更好地了解衍射光学器件在新兴和现有医疗技术中的作用，越来越多的重要研发工作正在如火如荼地进行中。我们正在亲眼见证，超透镜为DOE在内窥镜检查和无创健康监测等领域的创新应用打开了大门。工程师正在面向各个应用领域探索这些解决方案，因为它们并不是万能的。例如，由于大功率激光手术设备需要高能量阈值，因此不适合采用DOE。
即使想法很棒，大规模制造DOE的成本仍然是一大障碍——除非小规模组件制造技术可以更好地与其他光学解决方案竞争，否则这个问题将一直存在。
如需了解有关医疗光学器件的更多信息，请观看我们的网络研讨会：在Zemax和Speos中实现人眼建模和老花眼矫正设计。
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