基于光学相干层析成像技术的强散射介质光学特性测量

利用光学相干层析成像技术对强散射介质的光学特性进行了测量研究.通过理论模拟分析了镜面反射条件下散射系数及各向异性因子对外差效应因子的影响.提出镜面反射情况下利用广义惠更斯菲涅尔模型提取材料光学特性的算法.通过对不同浓度的IntralipidTM溶液的测量,获得了可靠的光学散射特性实验结果,并研究了散射系数与其浓度之间的关系,拟合结果显示散射系数与IntralipiTM溶液浓度近似呈线性关系.     

光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量的影响

颗粒后向散射系数是水体主要的固有光学特性,也是海洋水色的决定因子和海洋水色卫星遥感反演的基础参数。当前,利用光学仪器现场原位测量是获取水体颗粒后向散射系数的主要方法。由于光源自身和仪器光路中镜面反射和折射,其出射光源可能存在一定的偏振,进而会影响水体后向散射系数测量的精度。目前,关于水体后向散射系数测量仪器的光源偏振性及其对颗粒后散射系数测量精度影响的研究尚为空白。针对该问题,以应用广泛的水体后向散射测量仪HydroScat6(HS-6)为例,对其出射光源的偏振特性进行了系统测量,并进一步开展了光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量精度影响的实验研究。结果表明,HS-6六个光学通道除590 nm通道出射光源偏振度略低外(~15%),其他通道出射光源中心波长偏振度均在20%~30%。因此,HS-6出射光源具有显著的偏振特性。光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响,且影响程度随着波段,线偏振角度及悬浮泥沙浓度而变化。不同悬浮泥沙浓度下,光源偏振引起的420,442,470,510,590和670 nm六个波段的平均偏差可达15.49%,11.27%,12.79%,14.43%,13.76%,12.46%。因此,利用光学仪器现场测量颗粒后向散射系数需要考虑光源偏振的影响,并需尽可能降低出射光源的偏振度。     

基于光学相干层析术的组织光学性质测量

通过在光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)模型中考虑多重散射的影响,提出了一种提取出不同深度处的组织光学性质,包括散射系数和各向异性因子的算法.当把吸收系数作为算法中的第三个拟合参量时,能减少算法拟合过程中由于吸收作用的影响而带来的误差.基于包含吸收因子的OCT扩展模型,改进的算法也能够提取出吸收系数.这些算法的有效性通过对聚苯乙烯微球溶液样品的测量实验得到验证.     

一种激光雷达测量海洋光学参数的新方法

为了拓展海洋光学参数的激光遥感测量手段,借鉴高光谱分辨率多普勒激光雷达对大气散射信号的测量机制,提出了一种利用激光雷达水下后向散射信号测量海洋固有光学参数的新方法。在原理方面,描述了测量系统的组成和利用碘分子吸收滤波器实现水分子瑞利散射信号和悬浮物米散射信号的光谱分离测量方法, 在结论方面,给出了利用海水激光后向散射信号实现海水悬浮物后向散射系数和海水体消光系数的具体反演算法。     

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。     

基于光学闭合原理的太湖水体颗粒物后向散射特性模拟

后向散射系数是遥感传感器获取水体信息的来源,也是生物光学模型的重要输入参数。利用太湖春季和秋季实测数据,在生物光学模型的基础上结合光学闭合原理模拟了太湖春、秋季节水体颗粒物后向散射系数,进而分析了其光谱特性及颗粒物后向散射概率的时空变化。结果表明,太湖春、秋季节水体颗粒物后向散射系数与总悬浮物、无机悬浮物浓度均具有较高的相关性,而与有机悬浮物浓度的相关性则相对较低,颗粒物后向散射系数随波长变化指数n在太湖春季水体中的变化范围为0.66～1.84,平均值为1.29±0.25,而在太湖秋季水体中的变化范围为0.67～2.40,平均值为1.24±0.34;太湖春季水体颗粒物平均后向散射概率为0.030,而太湖秋季水体颗粒物平均后向散射概率为0.031,且无论是太湖春季水体还是太湖秋季水体,其颗粒物后向散射概率的波长依赖性均较弱。模拟吸收系数与实测吸收系数吻合较好,总体的平均相对误差均在18%以内。     

基于气溶胶光学参数的拉曼激光雷达重叠因子校正方法

提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法,适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法,通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点,发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正,进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号,将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正,并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比,呈现良好的一致性。结果表明,此算法对重叠因子计算较为稳定。     

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%。     

生物组织的可见光与近红外光散射模型

对生物组织光学模型尤其是光散射特性进行了研究, 发现可以利用等效粒子数密度的粒度分布更精确地了解生物组织的光散射性质。在夫琅和费衍射近似下, 散射系数和散射相函数可以由等效粒子数密度的粒度分布得到。基于粒子粒度光散射测量技术, 所得结果可给出一种新的可行的测量生物组织光学性质参数的方法。     

利用散射系数变化测量血糖浓度的研究

论述了血糖浓度变化与溶液的散射系数的关系。在浑浊介质中散射特性取决于散射粒子和溶剂的折射率的相对大小,在血液中葡萄糖浓度的改变会引起血液折射率的变化,从而使血液的散射系数发生改变,从理论上给出了血糖浓度变化时计算散射系数变化的公式,得出了散射系数和血糖浓度成正比的结论。进一步讨论了满足临床应用目标下,散射系数的相对变化的测量精度要达到4.8×10-4,而对于中国人的血液绝对测量精度要达到6.82×10-3mm-1。用双积分球实验验证了理论计算的正确性,使用牛奶作为浑浊介质测量其散射系数与糖浓度的关系,在不同波长下散射系数都随葡萄糖浓度改变而改变,且线性度可以达到0.95以上。由此可以得出结论,血糖浓度可以通过测量散射系数来得到。     

Feasibility of glucose monitoring based on Brownian dynamics in time-domain optical coherence tomography

Our purpose is to investigate the feasibility of Brownian motion in time-domain optical coherence tomography (OCT) incorporated with wavelet power spectrum to monitor glucose concentration in Intralipid solution. The results show that the standard deviation (SD) of frequency in the superficial layer of single scattering region, linearly proportional to Brownian diffusion coefficient, is independent of the depth. Our preliminary results demonstrate that average SD of frequency in the single scattering region is inversely proportional to the glucose concentration in Intralipid solution, since the Brownian diffusion coefficient is a function of concentration. Thus the average SD of frequency in OCT signal is capable of differentiating the glucose concentration.     

碳纳米粒子悬浮液光限幅性能数值模拟

碳纳米粒子悬浮液具有良好的光限幅性质,是一种优良的宽波段光限幅材料。通过热传导方程和米氏散射理论建立了微气泡半径与入射光能量、碳纳米粒子悬浮液散射系数和透过率的理论模型。采用Matlab数值模拟了散射系数随微气泡尺寸因子的变化关系,碳纳米粒子悬浮液光限幅性能随入射光能量的变化规律。研究了气泡尺寸因子、入射激光能量以及波长对碳纳米粒子悬浮液光限幅特性的影响。研究发现当激光能量达到一定值时,微气泡的半径保持恒定,不再随入射激光能量的增加而增加。微气泡尺寸的增大对碳纳米粒子悬浮液的透过率有着显著的影响。同时,碳纳米粒子悬浮液对不同入射光波长和光能表现出不同的光限幅性能。研究结果为实验研究提供了理论指导。     

用转移矩阵法研究LNN型非线性平面光波导

用转移矩阵法数值分析了芯区和衬底为非线性介质、覆盖层为线性介质结构平面光波导的传播特性,包括TM的模场分布和功率与有效折射率之间关系的分析.解析地表达了模式本征方程和功率分布,对非线性介质中电场强度与介质非线性系数的关系进行了研究.计算结果表明,TM的模场分布和功率与有效折射率及介质的非线性系数有关.     

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。     

Accelerated Monte Carlo method to reconstruct absorption coefficient from low coherent signal

A fast and effective method for reconstruction of optical absorption property of scattering object is developed. A revised Monte Carlo forward model is set up with new detection criteria for simulation of low coherence interferometer (LCI) system. Calculation of coherent signal could be accelerated by a scaling method based on baseline data simulated by Monte Carlo method. The inverse procedure of scaling method is utilized to extract absorption coefficient by dichotomy algorithm. Fat emulsion and stain mixture of Intralipid? and India ink are taken as scattering and absorbing sample. The results of reconstruction have shown the linear relationship between absorption and concentration of India ink. The maximum absolute relative deviation is 6.21%.     

基于双光路原理的海水IOPs高光谱测量仪方案

设计了基于双光路原理的海水固有光学参数测量仪。该仪器可同步测量水体光谱吸收系数a、光束衰减系数c和体散射系数b。其中吸收系数a采用反射式吸收管测量,光束衰减系数c采用全吸收式样品池测量,体散射系数b根据c=a+b计算。光信号由光纤收集、光谱仪分光后用CCD探测器测量。光谱分辨率为4nm,灵敏度为0 001m-1。该仪器直接在水下工作,由水泵抽取被测海水,水下最大工作深度为200m。测量数据可以自动记录,同时也可以通过水下电缆实时传输到调查船实验室。     

650nm光在Intralipid-10%中分布的测量和分析

本文提出一种用光纤测定光在生物组织模型Iitralipid内部光分布的方法并测定了650nm激光在Iitralipid 10%中的分布,该方法与各向同性球形光纤探头探测组织内光分布是一种互补的方法。实验结果揭示了在生物组织模型中不同方向散射光的分布规律,表明了不同的组织光学参数和不同直径的入射光束与光分布之间的关系;采用外推边界条件的漫射方程解拟合前向散射光的测量数据确定了组织模型的散射系数和吸收系数并得到较好的结果,所测量的光学参数与公开发表的结果比较其差别在2 35%以内。