（光学专业论文）近光源空间分辨漫反射的实验研究.pdf

中文摘要 生物组织光学性质的测量在医学治疗和诊断中有着重要的应用。例如，在光 动力学治疗应用中，可以根据组织的光学性质对光束进行控制，得到最佳的治疗 效果。生物组织光学性质的测量本身也可以作为一个诊断工具，并且由于它具有 无创或微创的特点，目益受到人们的关注。到目前为止，多种生物组织在可见光 到近红外范围内的光学参数值，已经通过各种测量技术得到。然而，这些测量常 常在离体情况下进行的，这种测量方式不可避免样品制作中的变化，如血液渗漏， 结构变化，温度变化等，使得测量值不可靠，因此也就对活体状态下测量技术产 生需求。 漫反射测量方法能够用于活体测量。本文从提高近光源测量的空间分辨率和 测量范围的角度，利用双光纤移动法对近光源空间分辨漫反射进行了研究。 本文对实验的改进创新内容主要有以下几点：1 实现了对近光源处0 3 n r n 2 6 7 5 m m 范围内的间隔0 1 2 5 r a m 的2 0 个点的多点连续测量，增加了近光源处测 量点和测量的空间分辨率2 利用l a b v i e w 编程控制数据采集卡，通过计算机自 动采集存储数据。3 通过l a b v i e w 编程，利用串口通信，控制步进电机进行连续 的微距移动。4 对实验装置中的光源部分进行了改进，采用高稳定性带尾纤的半 导体激光器，减小了光源波动对测量结果的影响；初步尝试利用观察比较法确定 光纤测量深度，保证每次光纤浸入深度相同。5 设计了光纤阵列法实验系统，制 作了光纤阵列探头，利用l a b v i e w 对光开关进行了编程控制，实现了不同光通道 之间的自动切换，从而达到对不同点的稳定测量的目的。 关t 词：近光源漫反射空间分辨率双光纤法光纤阵列法 a b s t r a c t m e a s u r e m e n to fo p t i c a lp r o p e r t i e so fb i o l o g i c a lt i s s u e si si m p o r t a n tf o rm e d i c a l t h e r a p ya n dd i a g n o s i s f o re x a m p l e ，t h el i g h tb e a mc a nb ec o n t r o l l e da c c o r d i n gt o t i s s u eo p t i c a lp r o p e r t i e si no r d e rt og e tag o o de f f e c ti np h o t o d y n a m i ct h e r a p y m e a s u r e m e n to fo p t i c a lp r o p e r t i e sp e r f o r m e di nv i v oc o u l da l s ob eu s e da sa d i a g n o s t i ct 0 0 1 a d d i t i o n a lf o c u sw i l lb ep u to ni ti n c r e a s i n g l yf o ri t sn o n - i n v a s i o no r m i c r o - i n v a s i o n t h ev i s i b l ea n dn e a r - i n f r a r e do p t i c a lp a r a m e t e r so fm a n yd i f f e r e n t k i n d so fb i o l o g i c a lt i s s u e sh a v eb e e no b t a i n e db yd i f f e r e n tm e a s u r i n gm e t h o d ss of a r h o w e v e r , t h em o s to ft h e s ev a l u e sw e r em e a s u r e di nv i t r o b e c a u s eo fu n a v o i d a b l e a l t e r a t i o n si ne x c i s e ds a m p l e s ，s u c ha sb l o o dd r a i n a g e ，s t r u c t u r a la l t e r a t i o n s ，a n d t e m p e r a t u r ec h a n g e s ，t h e s ev a l u e sa r eq u e s t i o n a b l e ，t h e r e f o r e ，t h et e c h n i q u e so f m e a s u r i n gi nv i v oa r ed e m a n d e d d i f f u s er e f l e c t a n c em e t h o dc a nb eu s e dt om e a s u r ei nv i v o i nt h ew a yo f i m p r o v i n gs p a t i a lr e s o l u t i o n , t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h et w o - f i b e rm e t h o dp e r f o r m e dt o m e a s u r es p a t i a l - r e s o l v e dd i f f u s er e f l e c t a n c ec l o s et os o u r c e t h ei m p r o v e m e n t si nt h ee x p e r i m e n ta r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t w e n t yp o i n t sf r o m 0 3 m mt o2 6 7 m m 龇m e a s u r e di nt h em g i o nc l o s et ot h es o u r c ea n dt h es p a c i n gi s o 1 2 5 r a m t h en u m b e ro f m e a s u r i n gp o i n t sa n dt h es p a t i a lr e s o l u t i o na r ea l li n c r e a s e d ( 2 ) e x p e r i m e n t a ld a t aa r ea c q u i r e da n ds t o r e di nc o m p u t e ra u t o m a t i c a l l yb yd a t a a c q u i s i t i o nc a r dt h a ti sp r o g r a m m e db yl a b v i e w ( 3 ) t h es t e pm o t o rc a nm o v e m i c r o - d i s t a n c e c o n t i n u o u s l yp r o g r a m m e db yl a b v i e w ( 4 ) ah i g hs t a b i l i t y s e m i c o n d u c t o r - l a s e rw i t hao p t i c a lf i b e ri ss e l e c t e da ss o u r c e ，w h i c hr e d u c et h e i n f l u e n c eo fs o l l r c ef l u c t u a t i o no ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s o b s e r v a t i o n - c o m p a r i s o n m e t h o di sa d o p t e dt oe n s u r et h ed e e p n e s so ff i b e ri nt h es a m p l et ob ei d e n t i c a l ( 5 ) f i b e r - a r r a ye x p e r i m e n ts y s t e mi ss e tu pa n daf i b e rp r o b ei sd e s i g n e d t h ed i f f e r e n t c h a n n e l so f o p t i c a ls w i t c hc a l lb es w i t c h e do r d e r l yw h i c hi sp r o g r a m m e db yl a b v i e w s ot h es t a b l em e a s u r e m e n to fs p a t i a l - r e s o l v e dd i f f u s er e f l e c t a n c ec l o s et os o u r p ) ec a n b ef i n i s h e d i 畸w o r d s ： s h o r ts o u r c , e d e t e c t o rs e p e r a t i o n ，d i f f u s er e f l e c t a n c e ，s p a t i a l r e s o l u t i o n ，t w o f i b e rm e t h o d ，o p t i c a lf i b e ra r r a ym e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砂二刁孚签字日期： 一辞，月疗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 剃文作：砂刁孕 签字日期：p 口年月玎日 导师签名：上，憋 签字日期：弦，o 占年月才日 第一章绪论 第一章：绪论 生物组织是一种复杂介质，是一种高散射随机介质，研究光与这种随机介质 的相互作用并通过相互作用来反映有关组织内部的特征信息是近几年光学技术 研究较为活跃的前沿领域之一，并逐步发展成为一种新兴学科分支组织光 学，它是介于光学和生物学之间的交叉学科，是医学光子技术的理论基础，是关 于光辐射和生物组织相互作用的学问【“5 】。光与生物组织的相互作用包括光的生 物效应，光本身的特性( 波长，能量，相干性，偏振性等) 的变化以及这些变化 对生物组织特性的影响等等。随着生物学和光学的不断发展和成熟，生物医学光 子学也迅速发展，这大大促进了光诊断和光治疗等光医学的进步。 1 1 生物组织实验研究方法 随着组织光学理论的发展，相应的实验研究也在不断前进，无论是理论研究 还是实验测量最终目的是达到现实的应用，实验是理论的证明，能够定量的描述 理论结果，同时也是理论的一种延伸，因此生物组织的各种实验研究变的尤为重 要。 生物组织的光学实验主要是通过光在组织中的传输过程以及结果来反映生 物组织的特性，包括对光的散射，吸收，透射等等在组织光学中，能够定量的 描述组织光学性质的基本参数有四个，吸收系数，散射系数，散射相函数，平均 折射率。因此在对生物组织特性实验中，直接或者间接的围绕这几个基本参数进 行研究“”1 ，对组织的光学参数进行比较准确的测量，是组织光学研究的一个 重要课题，也是进一步研究光在生物组织中传播的基础，对激光外科，光动力疗 法等激光临床应用都有重要的指导意义。在生物组织实验研究中，最基本的测量 方法有两个，直接测量法和间接测量法。直接测量方法不依赖于任何特定的模型， 根据生物组织光学性质的参数的定义，直接从测量结果中求得光学参量的值，其 中，积分球测量生物组织的反射率、透射率就一种有效的直接测量方法【l “。直接 测量方法只适用于离体测量，而间接测量方法可以用于活体测量。间接测量的基 本原理是依据光和组织相互作用的理论模型，从透射或者反射的数据反演得到组 织的光学参数。具体来说，就是直接测量样品的某些宏观量分布，如漫反射率， 漫透射率。光能流率及其分布等，然后根据所用的模型和边界条件逆推出基本参 数吸收系数，散射系数和各向异性因子。在间接测量方法中，有些情况明确含有 被测光学参数，因此只要给出表征被测的光学性质和可直接测量的参数之间的简 单表达式即可。比如光生效应以及时间分辨【1 2 】和频率分辨【1 3 l 的非侵入性测量法 等等。也有些情况被测量的光学参数是隐含在所测量的光学参量之中的，所以需 第一章绪论 要将被测光学参量转换成可测量的两的简单表达式，该方法虽然复杂，但其结果 却很精确，所需设备简单，比如常用的漫射理论和蒙特卡罗模拟等。透射测量仅 仅适用于婴儿头颅、乳房等少数组织，对于大多数组织只能以反射方式进行测量 1 4 l 。时间分辨漫反射测量是通过测量漫反射光时间分布的峰值和形状变化实时 的计算出吸收系数和有效散射系数【1 ”，这些超快时间技术一般需要复杂而昂贵 的飞秒级时间光谱设备。 1 2 生物组织空间分辨漫反射实验研究 生物组织空间浸反射实验是组织光学实验的一个重要组成部分，主要是通过 对生物组织漫反射光强随空间坐标分布的测量计算出生物组织的光学参数。对于 空间分辨漫反射的报道多是基于漫射近似理论远离光源的情况，光源与探测器间 距一般需要几个毫米以上【蛤1 ”。漫反射近似是描述光在生物介质中传输的输运方 程的一阶近似理论，对于半无限均匀介质，能够给出一个相对简单的空问分辨漫 反射率表达式【瑚。对于复杂问题的研究多采用m o n t ec a r l o 模型【1 9 2 2 1 ，解析分 析也见报道，例如张智、骆清明等【2 3 】用数值方法研究了非均匀生物组织中的光 子迁移问题。 光源附近的空间分辨漫反射的研究对许多实际应用来说是必要的。例如当需 要对局部组织或者浅表组织进行测量时，或需要以内窥方式测量时，光源与探 测器之间的距离需要限制在几个毫米1 2 4 - 2 7 1 。对于光源附近的漫反射，漫反射率 风力要比r d a ( p ) 复杂的多。光源附近组织的空间漫反射，即光源与探测器之间为 微距的情况，这方面的报道则相对很少。国外，1 9 9 9 年f b e v i l a c q u a 等人【2 8 。冽用 m o n t ec a r l o 方法对光源附近约1 个输运平均自由程以内的漫反射进行了研究， 并在此基础上设计了一个直径为2 5 m 的内窥式多光纤光学探头，用空间漫反射 方法测量了人脑局部组织光学参数；2 0 0 3 年t h u e l e r 和b e v i l a c q u a 等1 3 0 1 ，进一步 使用这种内窥式探头测量了人体胃等局部组织；国内这方面研究报道的只有华 中骆清铭研究组通过使用光纤探针测量，对光源附近小于l m m 范围内的组织模拟 液的光学参数吸收系数和有效散射系数的变化情况进行了定性研究。 我们进行的近光源空间分辨漫反射实验研究，目的是探讨光源附近组织的空 间分辨漫反射光分布随着组织不同吸收和散射的变化情况，实验装置是利用双光 纤结构“两点法”对测量点进行连续移动测量，通过计算机编程控制实现装置 的自动连续测量和采集存储，该实验是在实验室条件下进行的测量实验。在双光 纤实验的经验基础上，我们又设计了光纤阵列实验，通过光开关的自动切换来完 成对各个测量点的稳定测量。由于光源附近组织的实验研究无论在实验装置还是 实验样品上相对于远离光源的实验测量要求较高，实验难度相对较大，目前在国 2 第一章绪论 内生物组织光学参数测量方面还是新的尝试，但对于生物医学中实现病变组织的 早期无损诊断具有一定的借鉴价值。为了明确我们进行的实验研究与前面所叙述 的其他研究组的区别，本文在第二章，第三章和第四章对实验装置以及测量方法 等都进行了详细介绍。 1 3 本论文的主要工作和创新 本文的主要工作是利用双光纤法对近光源生物组织空间分辨漫反射进行测 量，利用l a b v i e w 编程通过计算机串口控制步进电机来带动接收光纤连续移动， 实现了对不同点的自动测量，并利用n i 数据采集卡进行数据采集，通过编程实 现了对数据的自动采集和存储，自动测量和采集提高了实验效率，同时，通过实 验装置的改进，提高了整个实验的精确度。在此基础上，对采用光纤阵列实验测 量组织的空间分辨漫反射进行了尝试，设计了一套光纤阵列实验装置。下面分别 从几方面介绍本文的主要创新工作： 1 实现了对近光源处0 3 衄2 6 7 5 m m 范围内的间隔0 1 2 5 m 的2 0 个点的多点 连续测量，增加了近光源处测量点和测量的空间分辨率 2 利用双光纤法对生物组织空间分辨漫反射进行了测量，实验中的数据采集部 分对l a b v i e w 编程做了详细研究，通过编程控制1 6 位数据采集卡模拟输入 通道，利用计算机采集存储，实现了对数据采集存储的自动化，提高了采集 数据的精度和实验效率。 3 通过对步进电机的详细了解。利用l a b v i e w 编程，通过串口通信控制步进电 机移动微小距离，带动测量装置双光纤中的接收光纤自动移动，完成了对距 离光源不同位置处的漫反射光的测量，并且可以通过程序调整步进电机设 置，改变接收光纤与光源的距离以及测量数据点数，实现了对不同点的计算 机控制测量过程。 4 对双光纤法测量近光源生物组织漫反射实验的光源部分进行了改进，采用 l p f 6 5 0 6 2 f c 尾纤激光器，增加了激光光源的稳定性。对前置放大部分进行 了改进，采用万能放大器，滤除了噪声。在散射和吸收测量过程中，为了准 确标定测量深度，采用“观察比较法”，减小了测量深度不同对测量结果带 来的影响。 5 在双光纤测量生物组织空间分辨漫反射基础上，设计了光纤阵列实验系统， 通过l a b v i e w 编程控制光开关不同光通道的自动切换，从而实现对多个不同 测量点的稳定测量，减少了实验中的移动因素的影响。 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 第二章：近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 本章主要介绍我们进行的近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置，在详 细介绍这些内容之前首先对空间浸反射实验主要实验方法做简单介绍。 2 1 双光纤移动实验 光纤测量实验是一种最简单的测量方法，有关这方面的报道很多，例如南开 大学光子学中心利用光纤探针移动的方法对组织模拟液和实际组织的光学性质 进行了测量【3 1 】，实验装置见图2 1 。 实验中采用的波长6 5 0 h m 半导体激光器作为光源，激光束经光阑和斩波器 ( 斩波器和琐相放大器滤除背景光的干扰) 又经反射镜反射到凸透镜上，最后聚 圈2 1 光纤探针移动嗣量生物组织的光学性质 焦到待测样品的表面上( 待测 样品的表面落在凸透镜的焦 深处，保证无限细光束垂直入 射样品表面) ，接收光纤可沿 样品表面水平移动，接收光纤 将漫反射光耦合到光电池，光 电池输出信号经放大电路后 进入锁相放大器，测量中沿水 平方向移动光纤就可以获得 不同位置处的样品表面对应的漫反射光分布( 测量中用附加的枥很来保证探测光 纤与组织表面距离一致) ，对实验数据进行非线形拟合既可获得光学参数吸收系 数和有效散射系数。 光纤移动测量实验既有优点又有其自身的缺点，其优点是能够利用一根接收 光纤实现对多个被测点的测量，并且测量距离和铡量的空间分辨率可以在实验中 自由调整，接收光纤部分和光源部分制作加工相对简单。但由于接收光纤部分的 移动，使得测量过程中存在许多不易控制的因素，校准较难。首先，带动光纤进 行精确移动需要特殊实验装置，实验中一般采用电机进行驱动，精确移动对电机 的要求比较高；其次，接收光纤的测量深度不容易控制，即在每次测量中不能保 证测量深度完全相同，在对多种不同样品测量时需要对测量深度做严格标定，以 保证每次测量时光纤浸入深度一致，这些因素都会给测量结果带来影响。 4 第二章近光源空问分辨漫反射测量原理和实验装置 2 2 光纤阵列实验 光纤阵列实验是用一个光纤阵列代替光纤移动对被测样品进行测量，光纤阵 列中包括源光纤和收集光纤，每根光纤之间的距离根据实验需要在制作时进行固 定，最后一般将光纤阵列放于不锈钢管中或者采取其他的固定措旆，便于实验过 程中的手持操作，光纤阵列实验原理图见图2 2 。 毋篙 l k c l i 嗨f j b 孵 彩0 2 黼 圈2 2 - 1 铡量空间分辨覆反射的光纤阵列 有关通过光纤阵列实验方法进 行测量实验报道主要有 f b e v i l a c q u a 等人对人脑局部组织 光学参数的测量实验。f b e v i l a c q u a 等口8 。2 9 人首先用m o n t e c a r l o 方法对光源附近约1 个输运 平均自由程以内的漫反射进行了研 究，在此基础上设计了一个直径约 2 5 m m 的内窥式多光纤光学探头，用 光纤维阵列实验方法测量了人脑局 部组织光学参数；2 0 0 3 年t h u e l e r 和b e v 订a c q u a 等1 3 0 】进一步使用这种内窥探头测 量了人体胃等局部组织。1 9 9 9 年，f b e v i l a c q u a 等【2 9 】人在人脑局部组织光学 性质的活体测定一文中采用的测量空间分辨漫反射光强度的光纤探头见图 2 2 - 1 ，不锈钢管中间是一个光纤阵列( 光纤直径为2 0 0 a n ，相对空气的数值孔 径n a 0 3 7 ) ，两根照明光纤用于照射被测生物组织，它们对称地分列于上述的 接收光纤阵列两旁。如果样品是均匀的，用每个光源光纤维的反射率曲线是一样 的。因此，就可以利用这两条光源光纤的反射曲线来检测所测的生物组织区域是 否一致：若两条曲线十分接近( 差别不高于1 0 ) ，则可以肯定测量的有效性， 并且取二者的平均值作为测量值。探头的两根光源光纤用不锈钢钢管套住，日的 是防止与收集光纤发生耦合。收集光纤间的耦合作用经试验测定低于2 9 6 ，就无 需屏蔽管。整个光纤束装在直径为2 5 珊长约2 0 c m 的不锈钢管。这个不锈钢管与 光纤问的空隙用黑胶填充。由于这种光纤探头固定为一体因此更便于外科医生在 外科手术中的控制使用。光纤阵列探头的优点是能够同时测量出距照明光纤不同 距离处的被测组织的漫反射情况，光纤探头与被测组织的相对位置不变，探测距 离固定不变。 该实验的实验装置系统如图2 2 - 2 所示：光学开光器( 型号为d i c o n m o d e l o p 7 0 0 ) 用来选择不同波长的光源，对于人脑组织测量，通常选用 6 7 4 n m , 8 1 l n m ，8 4 9 n m , 9 5 6 n m 的四个波长的激光二极管光源( 各二极管光源分别采 用s d l 公司的7 4 2 1m o d e l s ，5 4 2 0m o d e l s ，5 4 2 1 m o d e l s ，6 3 2 1m o d e l s ) ，另需两 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 q 如# 袖 图2 2 _ lf b e v i l a c q u a 的实验系统圈 个用于测量模型的激光二极管光 源( 6 7 5 n m 和8 2 8 n m 的，型号分别 为i l e el d a 2 0 1 1 和i l e el d a 1 8 0 5 ) 。六根收集光纤把收集到的 背散射光投射到电荷耦合器件 c c d 上( h a m a m a s t u $ 3 9 2 1 ) ，信号 经1 2 位模数转换卡数字化。同时， 还需进行大约0 1 秒的六根收集 光纤所收集到的光强度的测量。 整套实验系统与计算机相连，由 计算机监控并处理。 另外，各收集光纤间的传输差别可以经过测量模型来校正。每次测量时，背 景光总会影响到测量，这就需要从信号中消除背景光噪声。为此，需在光纤束丛 与c c d 之间置一个长通滤波器( 6 5 0 h m ) 以消除大部分的背景光影响。 光纤阵列探头的优点是能够固定测量出距光源不同距离处的被测组织的漫 反射情况，光纤探头与被测组织的相对位置不变，去除了测量中的移动因素。由 于光纤阵列探头固定为一体因此更便于外科医生在外科手术中的控制使用。这种 阵列探头的一体化，存在着不可避免的缺点，收集光纤和照明光纤之间的距离是 固定的，意味着空问分辨率不可改变，不能随意改变探测距离，只能探测与光源 几个固定距离处的漫反射情况：同时，光纤阵列探头的设计制作较为麻烦。 除了f b e v i l a c q u a 等人利用光纤阵列测量漫反射之外，还有见诸报道的一 些光纤阵列实验，国内，2 0 0 3 年华中科技大学骆清铭研究组f 1 4 】通过使用光纤探 针测量，对光源附近小于1 珊范围内组织模拟液的光学参数心和f ：的变化情况进 行了定性研究。其光纤探针是由一个1 9 的光纤阵列组成，其中一根光纤作为 源光纤用于照射组织，其余八根光纤作为探测光纤。总的来说，目前为止采用光 纤阵列对生物组织漫反射的实验研究中，光纤阵列的结构大体相似，只是根据实 验具体情况的不同进行了一些改进。 以上是对近光源两种常见实验方法的简要介绍，下面具体介绍我们利用双光 纤方法测量组织空间分辨漫反射的实验。 2 3 实验装置 该实验是利用双光纤连续移动测量了近光源的空间分辨漫反射，对距离光源 0 3 m - 2 6 7 5 m m 之间的间隔0 1 2 5 n 的2 0 个点进行了测量。双光纤中的接收光 纤的移动是通过计算机编程控制步进电机来带动实现的，通过接收光纤的连续移 动来测量与光源不同距离漫反射光的情况，测量数据利用计算机编程进行自动采 6 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 集和保存。 实验为了测量距光源不同距离处接收到的漫反射光强随径向距光分布情况， 随着与光源距离的增加接收到的漫反射光相对减少，从微观角度来说，表现为光 与组织相互作用，在每个径向距离处接收到的漫反射光，都经历着被组织吸收、 散射等作用，只有被散射到接收方向的光才被探测到，从实验研究出发，对于光 源附近这一敏感地带，漫反射光还会受到光源本身波动、组织样品波动、接收器 件性能等一系列问题，这些问题相对于远离光源情况都变得不容忽视，需要尽量 消除各种因素给近光源测量带来的影响。 实验系统见图2 3 所示，波长6 5 0 h m 半导体光纤耦合激光器发出可见红光， 经源光纤到达被测样品，源光纤固定不动，漫反射光由接收光纤接收，接收光纤 与步迸电机连接，步进电机由计算机编程控制进行微小距离移动，接收光纤接收 到的光信号由光电倍增管转换为电流信号并放大，再经过前置放大器放大为足够 大的电压信号( 噪声信号由前置放大器滤除) ，电压信号由数据采集卡采集，计 算机存储。 2 3 1 激光器 图2 3 双光纤移动测量近光源空间分辨漫反射实验示意图 实验中激光器我们选用美国普林公司的光纤耦合激光器l p f 6 5 0 6 2 f c ，该激 光器方便了二极管激光器与光纤的连接，利用尾纤封装的专有技术保证了极高的 耦合效率，并且具有良好的稳定性和可靠性，其集成性模块紧凑，因此可以应用 于空问有限的场合，激光器实物图见图2 3 - 1 ，技术参数见表2 3 - 1 。 为了避免电源电压不稳给激光器带来的损坏以及输出光强的波动，我们采用 i n s t e k 公司的多通道直流稳压电源外串电阻作为驱动电路，这样避免了电压过 大对激光器的损坏同肘也大大减小了电压不稳定带来的测量系统波动。 7 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 图2 3 - l 激光器实物田 2 3 2 入射光纤和接收光纤 2 3 - 1 激光器技术参数表 参数最小值典型值最大值 波长6 5 0 a m 功率 l m 胃1 0 - 工作电流 3 5 m a 4 9 m a 6 2 5 m r 耦合效率 5 0 7 0 工作温度2 5 4 0 激光器尾纤通过光纤藕合器与光源光纤相连接，入射光纤与接收光纤保持平 行。为了尽量能够测量到近光源漫反射光，我们采用的光纤是纤芯直径为6 0 u m 外包层直径1 2 5 u m 的多模光纤，光纤直径相对于介质面积( 样品容器口径4 0 衄) 小得多( 视为半无限介质) ，当入射光纤处于介质中央附近时，在介质边缘接收 到的漫反射光能量早已为零，所以可以不用考虑介质边界条件影响。为了避免光 纤本身移动，采用光纤支撑架( 内面加工有直径为0 3 m m 的半圆槽) ，用胶将光 纤粘贴到槽内，这样一来避免了光纤位置的移动和弯折，由于光纤支撑架上下可 调，用放大镜观察，调整双光纤端面至同一平面，光源光纤支撑架固定于光学平 台，接收光纤支架固定于北京光学仪器厂生产的电移台上，精密电移台可在北京 光学仪器厂生产的s c l 0 1 步进电机控制器控制下进行一维高分辨率超小位移。为 了使两根光纤的下端高度相同，我们采用了比较法并用放大镜进行了观察调整， 基本能够保证两光纤的高度相同。通过步进电机的参数设置( 移动步数和每步的 距离) ，两光纤靠近的最短距离约为0 3 1 ( 近光源0 3 m ) ，测量的最远距离约为 2 6 7 5 衄l 。 2 3 3 光电倍增管 我们利用光电倍增管作为实验中的光一电转换器件，漫射光由接收光纤接传 输到达光电倍增管，转换为电流信号并进行放大，根据实验条件，我们选用华东 电子营厂生产的6 d b 一4 2 3 型光电倍增管。光电倍增管由光电发射阴极、倍增系统 和阳极构成，倍增系统利用二次发射效应将阴极电流放大，阳极收集倍增系统来 s 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 的电子，以阳极电流的形式输出。g d b - 4 2 3 型电倍增管参数见表2 3 - 2 。 g d b - 4 2 3 型p m t ，是一种小型1 1 级宽波段器件，峰值波长为4 2 0 n m ，具有良 表2 3 - 3g d b - 4 2 3 光电倍增管参数列表 倍增系光谱范阳极灵敏阴极灵阴极电 脉冲 暗电流红白比上升 统围 度 敏度压 时间 1 1 级端 3 0 0 - 8 5 0 n m 1 0 0 a l m1 2 8 a l m 8 5 0 v0 7 r 徂5 6 7 1 4 n s 窗式 好的红白比光电特性，以及高增益、低暗电流和工作稳定的特点，特别适用于专 门测量设备的光电探测器。 2 3 4 万能放大器 为了便于测量和采集，由p m t 输出的电流信号需要再次转换放大，成为足够 大的电压信号。信号的前置放大部分我们采用德国p h y w e 公司的产品u n i v e r s a l m e a s u r i n ga m p l i f i e r1 1 7 6 1 9 3 作为前置放大对电流信号进行放大转换，该产 品可以对较小电流电压电荷进行放大测量，放大倍数可调，并带有低通滤波器， 可以放大所需信号，并且体积小，适合不同场合的测量。万能放大器的参数见表 2 3 - 4 。 表2 3 - 4 万能放大器参数列表 工作输入放大线性输入电压 输出电压输出滤波常数 模式阻抗因子偏移范围 范围 阻抗 静电 1 0 ”： 1 ：1 0 ：1 0 0 i k 0 ；0 i s ； 计： i 0 “1 0 0 0 ：可调 1 0 v i o v0 3 s ；l s ；3 s ； 低漂 根据实验条件，实验时我们选用工作模式为低漂模式，滤波常数为0 3 s ， 放大倍数选为1 ，通过滤波放大可以输出较好波形的放大信号，放大器供电电源 我们选用1 5 v 的直流稳压电源。 2 3 5 数据采集卡 我们采用了美国国家仪器有限公司( n i ) 的多功能数据采集( d a q ) 产品 p c i - 6 0 1 4 ，该款数据采集卡以超低的价格为用户提供了可靠的测量性能，适用于 实验室自动化，研发，设计验证测试等n i 基本级多功能d a q 设备支持模拟输入 输出，静态数字i 0 和计数器定时器的：o 操作，这种低价位1 6 位精度d a q 卡可 以提供高质量测量和n i 出色的软件集成性能支持l a b v i e w ，l a b w i n d o w s c v i 与 9 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 基于v b 与y i s a ls t u d i mn e t 的m e a s u r e m e n ts t u d i o 开发环境。为了达到保证 测量的准确性和精确度p c i 一6 0 1 4 数据采集卡自身具有温度保护电路，能够保证 温度在o 一5 5 之间的精确测量，定制的电阻网络和高品质原部件可以将温度 飘移控制在6 p p m c 范围内，并且采用了提高分辨率技术，采集卡的专门设计使 系统噪声最小化并残留噪音以高斯方式均匀分布p c i - 6 0 1 4 规格见表2 3 5 。 表2 3 - 5p c i 一6 0 1 4 规格表 总线 模拟输入分辨采样率输入模拟数字 计数 绝对精 窒 范围输出i 0定时度 器 p c i 1 6 s e 8 d i1 6 位2 0 0 k s s0 - 1 0 v 282 个8 9 8 4 m v 2 4 位 注：绝对精度代表最大理论误差，取决于数据采集产品的性能，实际的测量值会更精确一些。 p c i 一6 0 1 4 的外接连接器见图2 3 - 2 。 图2 3 - 2 p c i - 6 0 1 4 的外接连接器 其中第2 3 3 4 孔为模拟输入和参考地接口，模拟输入特性如下表，实验中我 们采用第6 8 和第6 2 输入孔作为实验测量信号模拟输入口，并采用单端无参考模 拟输入模式。 表2 3 - 6 模拟输入特性表 l 输入模式输入阻抗 输入范围偏置电流 l 单端差分 1 0 0 g1 0 v2 0 0 p a 模拟信号分为接地信号和浮空信号，输入模式分为单端无参考输入和差分输 入，采取什么样的输入模式取决于实际情况，即信号的性质接地还是浮空以及信 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 号的传输距离等，单端无参考输入模式一般可避免接地回路干扰。差分输入模式 一般适用于微弱信号，并且传输距离大于3 m ，考虑到本实验所需测量信号，并 且传输距离小，故采用单端输入方式。 单端输入方式如下图所示，信号正极与可编程仪器放大器正极相连接，信号 负极通过a i s e n s e 于放大器负极相连。 2 3 6 步进电机 图2 3 3 无参考单端输入方式示意图 在控制接收光纤的移动方面，我们采用北京光学仪器长生产的步进电机控制 器s c i o i 及精密平移台，控制器与平移台相连，通过控制器控制平移台进行高分 辨率超小距离位移。步进电机控制器可以进行手动操作，也可以进行通过联机方 式进行远程控制，本实验中，我们采用l a b v i e w 编程，通过r s - 2 3 2 串口进行计 算机控制。本实验中对步进电机的参数设置见表2 3 - 6 。 表2 ，3 - 7 步进电机参数设置表 l 运行速度归零速度运行输出延正反转细分启动速度 加速 延迟迟回差度 1 0 0 0 s t e p s2 0 0 s t e p s o m s 1 0 0 0 m s o s t e p 4 2 0 0 s t e p s3 根据实验需要，实验中接收光纤维移动的距离为0 3 咖一2 6 7 5 衄，间隔移动5 0 步，采样2 0 个点，细分数为4 ，步进电机控制器每发一个移位脉冲电移动台相 应位移量( 脉冲当量) 为0 0 0 2 5 姗，脉冲当量= 丝杠导程( 步迸电机每转整数 步数细分数) ，步进电机每转为4 0 0 整步，丝杠导程通常为4 m 。 2 4l a b v i 甜编程控制和数据采集 在介绍测量控制和数据采集之前首先对l a b v i e w 做简单介绍，然后分别从测 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 量控制和数据采集两方面介绍编程情况。 2 4 1l a b v i e w 介绍 l a b v i e 一3 二3 3 是一种图形化编程语言，用于创建快速的可升级的测试，测量 控制程序，使用它可以采集到实际信号，并对其分析得出有用信息l a b v i e w 是 一种通用的编程系统，同时它也包含各种专用于数据采集和仪器控制的函数库和 开发工具。自1 9 8 6 年问世以来，世界各国都已将n il a b v i w e 图形化开发工具用 手产品设计周期的各个环节。提高了产品开发和生产效率，使用集成化的l a b v i e w 环境与现实信号相连，分析数据以获得使用信息，共享信息成果。由于l a b v i e w 具 有编程语言的灵活性，可以结合专为测试控制设计的内置工具，可以建立各种应 用程序，其范围可以从温度监控到复杂的伪真和控制系统。 l a b v i e v 程序的运行以及表现形式都是仿照实际的仪器，所以使用l a b v i e w 开发编制的程序称为虚拟仪器程序，简称v i ，然而，v i 仍然类似于传统语言程 序的，v i 包括三部分：程序前面板，框图程序和图标连接器。程序前面板用于 设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪器的前表面，输入量为控制，输出 量为显示，控制和显示都以一定图标形式显示在前面板上，如旋扭，按扭，图形， 图表等等，我们可以使用键盘或者鼠标输入数据，在计算机屏幕上看到结果，下 图2 4 1 为温度测量程序的前面板和框图程序，前面板为温度显示器件，框图程 序实现函数和功能的调用。每一个前面扳对应一个框图程序，框图程序用 l a b v i e w 编程语言编写，即传统程序的源代码。框图程序由端口，节点，图框和 连线组成。端口被用来同程序前面板的控制很显示传递数据，节点用来实现函数 和功能的调用，框图实现结构化程序控制命令，连线代表程序执行中的数据流。 图标是子v i 被其他v i 调用的接口，而连接器表示接点数据的输入输出接口，就 象函数的参数。 圈2 l 温度控制的前面扳和框瞳程序 连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。l a b v i e w 的强大功能归因于它的层 次化结构，即l a b v i e w 实际上采用的是模块化的编程概念，设计一个应用程序时， 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 先把它分解为一系列任务，然后再把每个任务分解，知道分解成一系列简单子任 务，为每一个子任务建立一个v i 然后用这些建立一个方框图，以完成一个更大 的任务。我们可以把创建的、r i 程序当成子程序调用，以创建更复杂的程序，而 这种层次是没有限制的。 2 4 2 测量控制 本实验中，为了测量与源光纤不同距离处的漫反射情况，我们通过计算机串 口，利用l a b v i e w 编程控制步进电机带动接收光纤进行微小距离的自动移动，实 现了对各个测量点的自动测量。下面分别介绍对串口通信的认识和l a b v i e w 编程 控制步进电机。 串口通信是一种流行的计算机和外围设备( 可编程仪器或另外一台计算机) 之间进行的通信方式，串口通信用发送器发送数据，一次一个字节，经过通信线 到达接收器，当数据传输速度低或必须长距离传输数据时，可以采用串口通信方 式。同时，由于大多数计算机有一个到两个串口，许多通用接口总线设备也有串 口，所以串口通信变得特别流行，可是，一个串口只能同一台设备通信，这使串 口通信受到限制。 在串口编程中，我们采用了v i s a ，首先对v i s a 做简单介绍。v i s a 是虚拟仪 器软件结构体系( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) ，它应用于仪 器编程的标准i o 应用接口a p i ，v i s a 本身并不具有仪器编程能力，它是调用低 层次驱动器的高层a p i ，v i s a 是在所有l a b v i e w 工作平台上控制v x i 、g p i b 、 r s - 2 3 2 以及其他种类仪器的单接口程序库。v i s a 是由组成v x ip l u g & p l a y 系统 联盟的3 5 家最大的仪器仪表公司所统一采用的标准。采用了v i s a 标准，就可以 不考虑时闯及仪器i o 选择项，驱动软件可以相互相容使用。 串口，g p i b 及许多的v x i 设备可以识别出不同的基于信息的命令字符串，在v i s a 层，用于传递命令字符串到仪器的现行的协议是透明的，我们只需要知道如何写 一个信息和如何从一个基于信息的设备读取信息就可以了。不管仪器的类型如 何，v i s a 采用同样的操作与仪器通信，不管仪器是不是串口仪器还是g p i b 仪器， 或者v x i 仪器，v i s a 写一个a s c i i 码串到基于信息的仪器命令是相同的。 图2 4 2v i s a 1 3 第二章近光源空间分辨漫反射测量原理和实验装置 v i s a 有许多优点，可以方便在不同平台，对不同类型的仪器进行开发移植 及升级测控系统，v i s a 具有独立性的接口，该特性使得切换总线接口变的很容 易，这就意味着需要在不同的接口对仪器编程时，只需要掌握一种a p i 。v i s a 还具有独立的平台，把v i s a 设计成使用v i s a 函数调用，因此可以很容易的把一 个平台上的v i s a 移植到另一个平台。v i s a 严格的定义了数据类型，象一个整数 变量的长度，字节数，在任何一个平台都是相同的，不会影响把一个v i s a 程序 从一个