基于双积分球和锁相放大测量的近红外多波长光学参量测量系统的研究

介绍了一种基于近红外LD光源及锁相检测技术的双积分球组织光学参量测量系统,波长范围为1 300 ~1 600 nm,正弦电调制光信号,光开关切换不同波长.提出了积分球系统改进措施,测量了散射/吸收混合溶液在1 310 nm下的光学参量,结果显示,约化散射系数和吸收系数的测量相对偏差分别<5%和10%.     

DMSO与噻酮对离体猪皮组织光学特性参量改变的定量分析

从定量的角度评价高渗制剂与组织光学特性参量改变的关系.利用FT-IR红外光谱仪与双积分球系统,对离体猪皮组织在促渗剂二甲基亚砜与噻酮作用下的光谱进行测量,并运用逆倍增方法计算得到组织的光学参量.结果表明:离体猪皮组织的光学特性参量(吸收系数和散射系数)随着高渗制剂作用时间的增加明显减小,光在组织中的穿透深度增加.由此可知猪皮组织的光学特性参量在两种促渗剂作用下随时间发生了动态改变,且噻酮具有比二甲基亚砜更好的清透效果.     

基于双积分球的宽光谱组织光学参数测量系统与方法研究

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一,人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。近年来,利用组织光学特性,特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点,为肿瘤早期诊断、代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、散射系数等,具有测量准确、快速,适用范围大等优点,作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统,分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件,建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。在此基础上,测量了1 100～1 400 nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数,实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确,多次测量标准偏差在3%以内,不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比,偏差小于3.4%。     

渗透剂对小鼠皮肤光学特性影响的实时动态监测

自行研制了一套双积分球系统,应用该系统对离体小鼠皮肤在渗透剂无水甘油作用下,光学特性参量的变化进行了实时监测。实验结果表明：在无水甘油作用下,随着时间的延长,小鼠皮肤的约化散射系数明显减小,吸收系数略有增加,并最终导致了有效衰减系数的减小;但当作用时间超过25min后,样品的光学特性参量会趋于恒定。为生物组织光学特性控制作用提供了新的方法,这对组织光学成像研究是非常重要的。     

基于主动差分吸收光谱系统获取大气颗粒物光学特性研究

以主动差分吸收光谱遥感技术为基础,在干净大气环境条件下,结合参考光路设计技术,开展了获取近地面气溶胶颗粒物的光谱新方法研究.针对以宽带氙弧灯为光源的主动差分吸收光谱系统固有宽波段特性,建立了解析颗粒物光学厚度模型,获取了大气颗粒物光学特性.最后通过外场实验,获得测量期间气溶胶颗粒物光学厚度,然后采用对数线性回归获取Angstrom波长指数和混浊系数,以及大气能见度数据.主动差分吸收光谱系统用测量光程范围内的大气总的吸收特性,获得监测区域的颗粒物平均水平,更具有代表性和进一步应用价值.     

温度对生物组织模拟液光学特性影响的研究

采用牛奶作为生物组织的模拟液,研究温度变化对生物组织光学特性的影响。应用双积分球技术对牛奶在光波波长为1100~1700 nm、温度25~40℃范围内的光学参量进行了测量,分析光学参量随温度的变化规律。结果表明,温度对散射作用的影响比吸收作用更大,随温度的升高,约化散射系数具有明显减小的趋势。与25℃相比,40℃下的约化散射系数下降了约10%;而吸收率的变化趋势不明显且规律复杂。以上研究结果与公开发表的人体离体皮肤组织光学参量随温度变化的研究结果基本一致,从而为深入研究温度对生物组织光学测量的影响提供了理论和实践上的指导。     

伽利略望远镜与柱面镜组合式长焦综合测量系统

为了实现定距离、较大视场范围某低速点的快速方位角及高程测量要求,采用点型光源、伽利略望远镜与柱面镜组合式长焦光学系统及双正交线阵CCD,搭建了一种复合柱面镜长焦光学测量系统.该组合式长焦光学系统无一次成像面,系统光学长度短,系统前组为伽利略型望远镜型式,接近无焦.在一定测量范围内,选择合适的前组角放大倍率和前组口径等参量,使得在不同位置的点所成线像均与双线阵CCD正交.有针对性地优化光学系统设计、选择合适的系统评价函数并对系统装调及测量原理进行准确度分析.结果表明,该系统在测量距离为10m,视场范围1.5°×1.5°内时,方位角测量误差在±2.5″以内,且系统长度较短,公差较宽松.该系统解决了光源合作目标尺寸严格受限的问题,探测器尺寸较大且成本较低.     

基于光斑调制的汇聚光源焦距测量系统

为实现对汇聚光源聚焦位置快速准确测量,搭建了基于光斑调制的汇聚光源焦距测量系统,通过精密调节待测光源在系统中前后位置,将一定距离处光屏上接收到的光斑调整到对照尺寸,读取位置数据,得到光源的系统测量数值.根据成像理论,推导出实验理论误差公式,依据系统初始参量,计算生成数据处理界面,将测量数值输入系统,直接输出焦距准确值.此系统可用于对LD光源是否合格进行快速筛选,及对微小差别光源焦距进行准确测量,焦距值精确到0.05mm.整个系统结构简单,仅需对光斑大小进行简单调整,专业技术要求低,测量数据误差小,成本低,能实现快速准确测量.     

新型微弱光光度校准装置的建立

利用光强可调型双积分球微弱光源实现了微弱光照度的校准。介绍了微弱光光度校准装置的结构、双积分球光源设计原理及其量值溯源方法。分析了装置的稳定性、线性、辐射场均匀性、色温变化、衰减光阑倍率等计量特性。对装置的测量不确定度进行了分析。装置量程为10~(-1)～10~(-6)lx,不确定度U=1.6%(k=2)。     

用于生物医疗信息采集的多光谱均匀光源系统北大核心CSCD

多光谱成像是无创观察生物组织的有效工具,提高光源的辐照均匀性将更有利于准确获取病理组织的多光谱数据。提出基于积分球的多光谱均匀光源系统,为生物组织的多光谱数据采集提供均匀辐照。基于蒙特卡罗光线追迹法对积分球腔体的取位方式进行选择,并对腔体大小、LED布局、积分球输出槽尺寸进行了优化,以确定结构模型的最佳参数;根据优化参数构造了集成11种窄波段LED的实例进行了光学性能验证,实验结果证明所有波段都能在输出槽的主要部分区域实现2%辐照度不均匀性分布;研究了该系统的宽光谱兼容能力,实验结果表明,光谱在输出槽的最大均方根误差为3.74%,具有良好的宽光谱兼容能力;最后,基于所提出的系统进行了静脉可视化测试,用光纤拓展了系统内窥镜的兼容性,并以此探讨了口腔内部牙齿表面病理情况。该系统的多功能性和均匀性在生物医疗图像采集中具有潜在的应用价值。     

Illumination technique based on integrating sphere with an unequal radius, hyper-uniform luminance and large-field angle

In order to meet the measurement requirements of image sensors’ uniformity of the CCD system with a large-field angle, the design for the form and structure of the integrating sphere, with 600–800 mm and hyper-uniform luminance double hemisphere is presented. LightTools software is used for simulation. The simulation result indicates that the compact structure of the integrating sphere with asymmetric double hemisphere renders both the design values and systematic performance parameters superior to those of the common integrating sphere. The integrating sphere system designed is manufactured and its optical parameters are tested. The test result indicates that at the outlet of the integrating sphere, the variation of illuminance is less than 2.3%, and the variation of luminance on the inner surface is less than 4.4%. Hence, it is concluded that this system can be widely utilized in measuring image sensors’ uniformity of the photoelectric imaging system with a large-field angle.     

Determination of optical properties in double integrating sphere measurement by artificial neural network based method

Optical Review - An accurate inversion technique in double integrating sphere (DIS) measurement is essential for determining the optical properties of biological tissue. Although there are several...     

Attenuation measurement of optical fibers for sensor technology

Generally the attenuation of optical fibers used for sensor technology is higher than that of fibers for telecommunications. This is difficult to measure by the optical time domain reflectometry (OTDR). This paper presents a simple method that employs an integrating sphere. The total and scattering attenuation coefficients can be calculated and discriminated by the measured power of the light scattered out of the optical fiber and collected by the integrating sphere.     

Attenuation measurement of optical fibers for sensor technology

Abstract

Generally the attenuation of optical fibers used for sensor technology is higher than that of fibers for telecommunications. This is difficult to measure by the optical time domain reflectometry (OTDR). This paper presents a simple method that employs an integrating sphere. The total and scattering attenuation coefficients can be calculated and discriminated by the measured power of the light scattered out of the optical fiber and collected by the integrating sphere.     

卫星多光谱扫描仪模拟空间环境辐射定标技术

模拟空间环境辐射定标技术主要用于卫星发射前对其所携带的多光谱扫描仪的响应特性进行辐射定标,为用户提供定标曲线。介绍了利用多个光源、多套定标光学系统的多光谱扫描仪辐射定标技术。多谱段光源系统由太阳辐照积分球和黑体组成,积分球用于可见光、近红外谱段的辐射定标,黑体用于远红外谱段的辐射定标。多谱段定标光学系统通过在真空低温环境下的精密传动机构切换反射镜位置,以离轴抛物面反射镜为中心形成两套光学系统,分别将积分球、黑体的辐射反射到扫描仪的入口,从而一次试验即可完成卫星多光谱扫描仪全谱段的辐射定标。     

基于微机电系统红外光源的长光程气体检测

针对红外气体传感器对光源的要求,选用了一种宽波长、高调制频率、低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system, MEMS)红外光源作为辐射源,其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。由于其面光源的朗伯辐射特性,整形之后的红外光数值孔径仍然很大,采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。本文结合双波长单光路的差分检测方法,设计了一种基于积分球特性的吸收气室,有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题;并运用光在传输过程中光通量守恒的原理,推导了此积分球吸收气室的等效光程,解决了积分球气室等效光程计算的难题;同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号,使得外围电路的设计更加简单、灵活。设计中,使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程,研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10-6,极大地提高了红外检测系统的灵敏度。     

可见光光电成像系统整机综合参数校准技术研究

为了准确、客观地评价可见光光电成像系统整机性能参数,研制了可见光光电成像系统整机综合参数校准装置。装置由积分球光源系统、标准测试卡、光学准直系统、支撑调整台、视频数据采集模块和综合处理软件等几部分组成,主要完成系统分辨力、调制传递函数（MTF）、对比度、噪声功率谱、噪声等效亮度、灵敏度等性能参数的测量。针对某型号可见光电视产品,验证了装置的有效性,给出了综合参数的测量结果,其截止频率为39.4 mm-1,对比度为76.5％,均方根噪声电压为2.14 mV,噪声等效亮度(NEL)为0.045 5 cd/m2,信号传递函数对应的灵敏度为47 mV（cd/m2)-1。最后,分别采用照度计和标准视频发生器对装置进行了标定,其积分球光源出口亮度和信号采集系统输出电压最大相对测量误差分别为-2.3％及1％。     

级联积分球辐射源角度均匀性研究

为了设计和制造高角度均匀性的积分球辐射源,需要提供优化的设计参数。基于空腔的辐射传输理论,建立了基于级联积分球结构的发光单元光出射度分布的仿真模型,并获得了朗伯型发光单元安装位置和级联积分球辐射源角度均匀性之间的关系。仿真结果表明：理想情况下,采用2个朗伯型级联子球作为发光单元,对称安装在与级联积分球辐射源出光口法线方向成10°夹角位置时,通过球心与出光口法线方向成±20°夹角观测区域内的角度均匀性可以达到0.03%的水平。最后,通过实验测量级联子球在30°夹角位置时级联积分球辐射源的角度均匀性,发现实验结果与仿真结果接近一致。因此,通过优化发光单元的类型和安装位置,可以有效提升积分球辐射源的角度均匀性。