ch06光电传感与生物光效应检测

光电传感与生物光效应检测教育部生物医学工程类专业教学指导委员会“十三五”规划教材生物医学传感与检测原理第六章01生物组织的光学效应光与生物组织的相互作用以吸收和散射占主导，一方面生物组织的颜色、成分及浓度将影响其对光的吸收和散射，而光的波长及其能量也将影响其与生物组织的相互作用方式；另一方面，光能量作用于生物组织过程中可能引起不同类型的生物物理、生物化学反应，而生物组织特性也将影响这些光生物效应。因此，利用光与生物组织的作用机制，可以构建基于生物光学效应的生物医学传感与检测方法。生物组织的光学效应生物组织的光学效应生物组织对光的吸收光照射到生物组织时，当光子能量hv与组织的原子或分子的跃迁能级相同时，光能便被生物组织或材料所吸收。生物组织所吸收的光子能量在大多数情况下转化为热能，而在一些特定的情况下会将所吸收的能量转化为荧光或磷光。细胞中的光吸收蛋白质是生物细胞中含量最多的化学物质，其基本组成是氨基酸，氨基酸又分为脂肪族和芬芳族两种。光致细胞过程吸收了光之后，细胞会产生多种光物理和光化学过程。当细胞一些组分直接受光激发或被其他组分转移的能量激发时能产生荧光。生物组织的光学效应生物组织的光学效应生物组织对光的散射从物理学的基本理论出发，当照射到生物组织的光远离其吸收谱带时，生物组织中物质的分子会被光的电磁波能量所极化，光波正弦变化的电磁场会引起电子在分子内进行正弦振荡。这种振荡使得每个分子像小天线一样，会在非入射光方向辐射能量，这就是光的散射现象。瑞利散射，其特点包括：①散射光频率与入射光频率相同；②散射强度随距离的平方下降；③散射强度与入射波长λ的4次方成反比；④散射光随散射角而变化。生物组织的光学效应生物组织的光学效应光化反应光化反应是指光能量作用直接引起的化学反应。通常的光化反应源于发生反应的分子，在吸收适当量子能量的光子后将跃迁到某一电子激发态，最后终结于第一个基态产物的出现。完整的光化反应由原始的光化学反应和继发的光化学反应两个阶段构成。由于反应后的最终产物可能是原初物质的分解物，也可能是总反应的氧化物、聚合物或敏化后的生成物，因而光化反应可分为光致分解、光致氧化、光致聚合、光致敏化四种类型。生物组织的光学效应表6-1列举了一些常见生化物质的特征吸收波长。02光电传感器及其检测原理光电传感器的物理基础是光电效应。当光照射到某种物体上时，光能量作用于物体而释放出电子的现象称为光电效应。光电效应常分为内光电效应、外光电效应两大类。光电传感器基本原理②入射光频率成分不变，产生的光电流与光强成正比，光强越强则入射的光子数越多，逸出的电子数也越多。③光电子逸出物体表面具有初始动能，因此光电管即使没加阳极电压，也会有光电流。加负的截止电压可使光电流为零，此截止电压与入射光频率成正比。光电传感器基本原理①当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应，当光子能量恰好等于逸出功时的v。内光电效应受光照物体的电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。光电传感器基本原理（1）光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，此现象称为光电导效应。它与外光电效应一样受红限频率限制。基于此类效应的器件有光敏电阻。除金属外大多数的绝缘体和半导体都有光电导效应。（2）光生伏特效应在光线作用下，能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应有两种。光电传感器基本原理一种为结光电效应。在接触的金属-半导体或PN结中，当光照射其接触区时，产生光生电动势。基于此原理的器件主要有光敏晶体管和光电池。另一种为侧向光电效应。当半导体光电器件敏感面受光照不均匀时，将由载流子浓度梯度产生侧向光电效应，基于这一效应工作的光电器件有半导体光电位置传感器。光电传感器基本原理光电器件1）光电管与光电倍增管（1）光电管典型的真空光电管，其玻璃泡内装有两个电极。一个为光电阴极，常用碱金属及其化合物制成，如铯、氧化铯、锑铯等。（2）光电倍增管当入射光很微弱时，普通光电管能产生的光电流太小，不易检测。光电器件与光电传感器的主要类型光电器件与光电传感器的主要类型光敏电阻光敏电阻具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、质量小、机械强度高、抗过载能力强、价格较低等特点。它一般由金属硫化物等材料制成。3）光电池与光敏晶体管（1）光电池光电池是一个有源器件，当光照射时，无须外接电压激励也能产生电流输出。（2）光敏二极管光敏二极管的结构与一般二极管相似。（3）光敏晶体管与普通晶体管一样，光敏晶体管集电结可获得电流增益。光电器件与光电传感器的主要类型4）半导体位置传感器半导体位置传感器（PositionSensitiveDetector，PSD）是基于侧向光电效应的。5）CCD固态图像传感器CCD（电荷耦合器件）图像传感器是集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的固态图像传感器。光电器件与光电传感器的主要类型固态图像传感器除CTD外，还有光敏二极管阵列（SSPD阵列）、电荷耦合光敏二极管阵列（CCPD阵列）等。它们具有尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小、寿命长、性能稳定等优点。值得一提的是，最近出现一种利用RAM的光敏特性的光学RAM二维阵列器件，这种器件的电荷泄漏速度与照射的光强度有关。光电器件与光电传感器的主要类型光谱灵敏度S（λ）光电器件对单色辐射通量的反应为光谱灵敏度S（λ）。积分灵敏度S光电器件对连续辐射通量的反应程度称为积分灵敏度。通量阈φ在光电器件输出端产生的并与固有噪声电平等效的信号最小辐射通量称为通量阈值。“”光电器件与光电传感器的主要类型归一化探测率D°响应与输出噪声之比称为探测率D。频率特性在同样电压和同样光强下，当入射光强度以不同的正弦交变频率调制时，器件灵敏度会随调制频率f变化。光照特性光照特性表示光电器件灵敏度与其入射辐射通量的关系。有时也用光电器件输出电流或电压与入射辐射通量间的关系表示。光照特性反映了输入光信号与输出电信号的关系。“”光电器件与光电传感器的主要类型伏安特性伏安特性是指在保持入射光频谱成分不变且入射辐射通量恒定时，光电器件的电流和电压之间的关系。伏安特性曲线可帮助我们计算光电器件的负载电阻、设计线路。温度特性温度特性是指光电器件的光-电转换效率随温度变化的特色。温度变化后，电子热运动也变化，将引起光电器件光、电性质的改变，是引起测量系统灵敏度不稳定的一个重要因素。光电器件与光电传感器的主要类型光电传感器的参数计算光电传感器由光路和电路组成，因此设计计算应从光路和电路两方面加以考虑。（1）光通量计算；（2）光电流计算；（3）电路的分析计算。光电器件与光电传感器的主要类型光电传感器的光信号测量方法1）基本型光电传感器光电传感器结构包括光路与电路。按测量光路可将光电传感器分为下面几种基本类型。（1）透射式（2）反射式（3）辐射式（4）遮挡式（5）开关式光电器件与光电传感器的主要类型光电器件与光电传感器的主要类型双光路光电传感器上述基本型光电传感器，当电源有波动，光路中有干扰光（如阳光、灯光等杂散光）以及光路中有灰尘时，将引起测量误差。此外，光敏元件特性变化也将带来误差。采用双光路系统可减小这些误差。光电器件与光电传感器的主要类型图6-21示出了一种双光路系统。03光纤与光谱传感器件光纤传感器的基本原理光纤基本原理常见光纤是由两种成分不同的玻璃抽成极细的丝，然后套装在一起构成的，如图6-22所示。传输损耗。光纤的主要参数色散。传播模式。数值孔径NA。光纤强度。光纤传感器的基本原理功能型光纤传感器若光纤因本身的性质或特殊结构设计从而对外界环境因素，如位置、温度、应力、电场、磁场等敏感，这些敏感量将对光纤内传输的光的特性（如相位、振幅、频率、偏振等）形成调制，通过光电探测器接收调制后的光信号，并采用适当的解调方法，就可对这些敏感信号进行测量。这种传感器称为功能型光纤传感器。光纤传感器的基本原理传输型光纤传感器若光纤传感器中光纤仅作为光的传播媒质，往往不连续，中间接入其他材料制成的敏感元件，则称为传输型（或非功能型）光纤传感器。（1）光纤Bragg光栅传感器光纤Bragg光栅（FiberBraggGrating，FBG）是利用紫外光等手段在光纤特定位置制成的折射率周期性分布的光栅区，于是特定波长（Bragg反射光）在该区域内被反射。（2）马赫泽德干涉仪传感器原理光纤传感器的基本原理光纤传感器的基本原理马赫泽德干涉仪的结构如图6-25所示，它主要由2个3dB耦合器和2条光纤组成，其中一条称为信号臂，另一条称为参考臂。光谱传感的核心元件是光谱分离元件。传统光谱仪一般采用光栅分离光谱，通过狭缝和光电传感器或线阵CCD接收空间分离后的光谱；傅里叶变换光谱仪则使用干涉仪结构完成对光谱的调制，光电传感器接收光强信号，计算机完成光强信号到光谱信号的变换。光谱检测传感技术光谱检测传感技术光栅光谱仪的光谱分离元件是反射光栅，其横剖面如图6-26所示。光谱检测传感技术傅里叶变换光谱仪结构和原理迈克耳孙干涉仪光路结构如图6-28所示。颜色传感器自然界中丰富多彩的色彩是由多种基本色调混合并经视觉系统感知而获得的。三原色是指色彩中不能再分解的三种基本颜色，有色彩三原色、光学三原色之分，也反映了人眼感知红、绿、蓝三种不同颜色的锥体细胞。其中，光学三原色为红（R）、绿（G）、蓝（B），所对应的波长分别是700nm、546.1nm、435.8nm，以不同的比例相加就可以产生多种多样的色光。04光效应传感器在生物医学测量中的应用血氧饱和度和容积脉搏波的近红外检测技术足够的氧是所有生命活动的物质基础，细胞中氧的供给通过人的呼吸运动完成。人将空气中的氧吸入肺泡内，经过气体交换进入血液，氧随动脉血向全身输送，在毛细血管处与组织进行气体再交换，并进入机体组织为细胞所摄取。光效应传感器在生物医学测量中的应用红外眼动检测实现眼动检测的关键点和难点是如何测量眼睛运动、眼动数据的提取及分析研究。眼动仪的研究经历了从干扰式到非干扰式的过程。其中，观察法、纯粹的辅助记录法、随后的电流记录法和电磁感应法等都属于干扰式眼动仪的范围，此类眼动仪产生于计算机尚未普及的时代。表面等离子体共振传感与检测系统表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）技术是近年来发展起来的高精度免标记生化检测技术。它是一种基于物理光学现象的生化检测技术，以一种特殊的倏逝波为探针，探测介质光学参数的变化过程。光效应传感器在生物医学测量中的应用SPR传感器检测分析方法可分为以下4种。单色光入射，改变入射角，检测反射光的归一化强度随入射角的变化情况，并记录反射光强度最小时的入射角。复色光入射，固定入射角，对反射光的光谱进行分析，得到反射率（或反射光强）随波长的变化曲线，并记录共振波长。入射光的角度和波长都固定，