光学应用 光学医学应用

R446.11∥O436.2 2006043798利用散射系数变化测量血糖浓度的研究=Study of bloodglucose concentration measurement by scattering coefficient[刊,中]/贺忠海(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室.天津(300072)) ,罗云瀚…∥光学学报.—200626(4) .—591-594论述了血糖浓度变化与溶液的散射系数的关系。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-…     

结合计算层析与光学相干层析测量折射率分布

通过将计算层析技术与光学相干层析技术相结合,测量散射介质非均匀折射率分布。该方法测量散射样品折射率分布时,通过光学相干层析技术测量散射样品折射率分布在多个方向上的投影,采用计算层析技术实现对样品折射率分布的层析重建,克服了传统折射率光学测量方法如单纯的基于光学相干层析原理的焦点追迹法和光程匹配法,不能测量散射介质非均匀折射率分布的缺点。采用该方法在实验中对梯度折射率棒的径向相对折射率分布进行层析重建,取得了较好的实验结果。     

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.     

手性介质中后向散射米勒矩阵特性及其在血糖无创检测中的应用初探

利用斯托克斯-米勒矩阵表述分析偏振光在手性介质中的传输规律,利用瑞利近似下的单次散射模型和基于米氏散射理论的多次散射的蒙特卡罗方法,探讨葡萄糖对后向散射偏振光传输特性的影响,计算了不同葡萄糖浓度下的后向散射米勒矩阵. 结果表明在含有葡萄糖的手性介质中后向散射米勒矩阵的若干矩阵元表现出微弱的旋光效应,旋光度随葡萄糖浓度增大而增大. 为了检测低浓度下微小的旋光变化,定义了函数对含-不含葡萄糖的米勒矩阵元图像进行处理,提取由葡萄糖引入的图像差异. 结合无创血糖检测应用要求,分析了葡萄糖生理浓度下的矩阵元图像,获 关键词： 医用光学与生物技术 偏振光 斯托克斯-米勒表述 蒙特卡罗模拟     

测量葡萄糖浓度的光学低相干干涉法

根据溶液中溶质的浓度变化将引起溶液折射率变化的特性,提出一种利用光学低相干干涉技术通过测量葡萄糖溶液的折射率来确定其浓度的方法。基于迈克尔逊干涉仪,建立了低相干光葡萄糖浓度检测系统,通过调节可移动角镜以产生干涉信号,根据角镜的位移量计算出光程,并进而求出折射率。实验结果表明:在LED光源光谱半高宽度为25nm,可移动角镜的移动步长为微米量级时,利用该方法对折射率的测量精度可以达到10-4数量级以上,对应的可以检测出低于100mg/d L的葡萄糖的浓度变化。过程方便快捷,受外界限制因素小,是一种有效的测量各种液体折射率及浓度的方法。     

微米光纤耦合型环境折射率传感器

本文展示一种由两根微米光纤构成的耦合型环境折射率传感器。微米光纤表面存在倏逝波,芯外介质折射率微小的改变将引起倏逝场分布变化,从而导致能量在耦合器两臂中的重新分配。本文通过测量耦合器两端出射光功率的比值来对葡萄糖溶液的浓度进行传感,实验结果表明该微米光纤耦合型传感器的浓度传感灵敏度可达1.58 mol·L~(-1)。本文用耦合模理论详细分析了两根相邻微米光纤的耦合效率与芯外介质折射率之间的关系,发现减小耦合区的光纤的直径,增大入射光波长或增大耦合长度,都可以进一步提高这种传感器的灵敏度。     

浑浊散射介质中被测成分线性吸光度提取与模型转换研究

近红外漫反射光谱法可用于物质成分定性、定量分析,具有快速、无损检测等优点,在食品、制药、环境监测、生命科学等领域有广泛应用。采用近红外漫反射光谱对浑浊散射介质进行成分定量分析时,由于光散射作用,介质吸光度随测量距离不再呈线性变化,不同测量距离下测量模型也很难转换。从扩散方程出发,提出了从漫射光谱中提取线性吸光度的方法,获得了与测量距离无关的介质光学参数--有效衰减系数的光谱,该光谱可反映介质吸收变化,并用于物质成分测量。具体采用了双位置差分法,可在线性吸光度的范围内任意选取两个光源-探测器距离测量,通过差分获得与测量位置无关的有效衰减系数光谱,其中测量距离可依据波段灵活地进行选择。另外,经理论推导可知,差分运算的同时还大大削减了光子扩散对测量的影响,有利于不同散射特性的介质间光谱模型的相互借鉴。经理论计算、蒙特卡洛模拟和实验验证,在1 000~1 360 nm波段,该方法适用于强散射的浑浊水溶液。对散射系数处于较大范围（28.53～87.47 cm-1）的intralipid水溶液进行了测试,获得了线性吸光度的光源-探测器距离范围。进一步以葡萄糖为被测成分为例,获得了葡萄糖在intralipid水溶液中的有效衰减系数光谱。采用测量距离连续可调的漫反射光谱测量系统进行了实验,测量范围位于0～0.3 cm,测试了3种典型的介质（3%,5%,10%Intralipid水溶液）。结果可知,3种介质中葡萄糖光谱呈现一致性,它们之间的测量模型可以方便地进行线性转换。研究对象intralipid水溶液常作为生物组织的仿体,其光学参数也覆盖了常见的牛奶、果汁等被测浑浊溶液,因此测量结果具有广泛的适应性。综上,该研究实现了对浑浊水溶液中物质成分线性吸光度的提取,该方法不仅使得测量位置的选择更加灵活方便,还有利于实现不同散射介质间模型的线性转换,特别适用于介质成分复杂多变的场合下的测量应用,如对人体组织、牛奶或食品中的成分测量等。     

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...     

基于MATLAB与LabVIEW的 Mie散射参数分析系统

针对激光散射法测量0.1 m~10 m微小球形颗粒过程中,Mie散射理论各参数的分析、计算、最优化选取比较复杂和繁琐,通过收敛速度、折射率和尺度参数测量范围、叠加次数的比较,采用球形粒子Mie散射参量的MATLAB改进算法, 结合MATLAB较强的计算能力和LabVIEW良好的图形化界面,进行LabVIEW和MATLAB混合编程。设计了Mie散射理论参数分析系统,系统实现散射系数的计算,并分别对散射系数与颗粒直径关系曲线、散射强度分布曲线、入射光波长与散射光强关系曲线、颗粒直径与散射光强关系曲线、入射光偏振角与散射光强关系曲线进行分析。通过实验结果和结论对比验证系统可行,且散射系数、消光系数和散射光强的计算结果可精确到小数点后17位,从而达到减少大量计算和编程工作的目的。     

吸收介质中微椭球体颗粒光学参数的研究

本文应用Eikonal近似将微椭球用其等效的球来近似, 结合Mie理论对吸收介质中微椭球体颗粒光学参数进行了数值计算。 结果表明, 椭球位置变化时, 散射和吸收性能发生变化。离心率增大时, 散射和吸收系数都增大, 离心率越大增大的越明显。波长增大时, 在紫光波长为0.4 μm和近红外区波长为1.58 μm处散射系数出现了峰值, 而吸收系数单调增大。相对折射率实部以及虚部变化对光学参数均有影响, 颗粒的吸收性越强, 散射相应地减弱。结果表明这种数值解析方法能有效地计算椭球体颗粒的光学参数。     

量子真空计量标准中的非极性稀薄气体折射率测量研究

为进一步提高真空量值的复现性和准确性,最新研究采用量子技术实现对真空量值的测量与表征.该方法利用Fabry-Perot谐振腔实现腔内气体折射率的精密测量,并反演出气体密度,进而获得对应的真空量值,其中气体折射率的测量是影响真空量值准确性的关键.本文基于第一性原理,利用从头计算理论计算了在已知压力和温度条件下的氦气折射率,给出腔内气体压力与折射率关系的表达式,并利用基于Fabry-Perot激光谐振腔的真空测量装置,通过双腔谐振激光拍频精确测量了充气前后谐振激光频率的变化,测出了氦气折射率,并分析了测量不确定度.将理论计算值与实验测量值进行了对比分析,得出了制约准确度提高的主要因素,并提出了修正方法.     

蒙特卡罗模拟光通过大气后的时间分布

采用蒙特卡罗方法模拟了光通过光学特性参数不同的大气后透射光时间分布.分析了大气的散射系数、吸收系数、不对称因子及折射率对透射光时间分布的影响.结果表明:透射光时间分布曲线存在两个峰,分别对应子弹光与漫射光.各光学参数界定了子弹光、蛇形光、漫射光的大小和时间范围,并从统计模拟的角度解释了折射率大的大气中难以成像的因为.     

Theoretical analysis of backscattered polarization patterns of turbid media containing glucose

Single scattering model and Stokes-Mueller formalism are introduced to investigate the influence of glucose on backscattered polarization patterns in turbid media. Glucose molecules rotate the polarization plane and induce changes in backscattered Mueller matrix patterns. Some Mueller matrix elements present higher optical rotation as the concentration of glucose augments. Using image subtraction and integration,linear relationship between low glucose concentration in the physiological range and optical rotation degree can be derived.     

傅立时变换中红外光谱法用于非损伤性血糖测定的研究

本文首次使用中红外光纤对人体血糖进行了非损伤性测定，实验显示，人手指的中红外光谱１１２３ｃｍ－１谱带的相对强度与人的血糖浓度同步改变，表明葡萄糖特征谱带的相对强度确可作为人血糖值的一个数量指标。这给红外光纤在生物医学领域中的应用展示了光明的前景。     

Doppler effect's contribution to ultrasonic modulation of multiply scattered coherent light: Monte Carlo modeling

Modulation of light by ultrasound in turbid media is investigated by modified public domain software based on the Monte Carlo algorithm. Apart from the recognized modulation mechanisms, originating in scatterers' displacements and refractive index modulation, an additional mechanism, evolving from Doppler shift during photon scattering, is considered. Comparison of the relative contributions from all three mechanisms to light modulation by ultrasound is performed for different medium scattering properties and ultrasound frequencies. Refractive index modulation remains the strongest mechanism for light modulation by ultrasound, but for high ultrasound frequencies and for large scattering coefficients the Doppler effect can become dominant.     

散射相函数的高阶光学参量研究

漫反射光谱技术被广泛应用于无创测量生物组织光学性质。当光源与探测器很近时,仅仅依靠吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s不能准确描述光源附近光的传播状态。而二阶光学参量γ的引入改善了近光源光的传播状态的描述。本文将生物组织的散射等效成特定球形颗粒的散射,基于Mie散射理论,计算了与散射相函数p(θ)有关的单粒子和多分散系粒子的二阶光学参量γ,研究了γ随尺度参数α和相对折射率m的变化规律,描述了γ与组织结构参量之间的联系,并阐述了γ对粒子特征的表征能力。研究表明,参量γ对尺度参数α小于2的微粒尺寸的改变是敏感的,并呈二次函数关系,其系数与相对折射率呈线性关系;对于相对折射率和尺度参数都不相同的两个粒子,他们的各向异性因子g相同时,二阶光学参量γ却不同,粒子越大,γ表征粒子特征的能力越强。这对于无创探究组织微观形态具有深远的意义。     

用毛细管成像法测量液相扩散系数——等折射率薄层测量方法

本文提出了一种测量液相扩散系数的新方法. 该方法用透明毛细管构成液相扩散池, 利用毛细管成像法特有的折射率空间分辨测量能力, 通过直接观察和记录扩散介质的等折射率薄层在毛细管中的移动规律, 基于扩散过程遵循的Fick第二定律计算出液相扩散系数. 在25 ℃下研究了丙三醇和纯水间的扩散过程, 扩散系数的测量值与全息干涉法的文献报道值之间的相对误差为4.47%, 论文同时分析了折射率测量精度和毛细管管壁黏滞力对扩散系数的影响. 用毛细管成像法测量液相扩散系数具有样品需要量少、测量速度快、系统稳定性好的特点, 为快速测定微量样品的扩散系数提供了一种有效的新方法. 关键词： 扩散系数 液体折射率 毛细管成像法     

Study on mechanism of ultrasonic fluorescence modulation in light scattering medium based on diffusion approximation with varying refractive index

In this study, we propose a model to describe the mechanism of ultrasonic fluorescence modulation based on the application of a modified diffusion approximation, which is derived from the radiative transfer equation with consideration of the varying refractive index. The model was evaluated by computation with finite element method (FEM) to simulate the physical phenomena of our previous experiments. The simulation shows that the measured power of the modulated fluorescence signal at the boundary of 40-mm-thick light scattering medium (scattering coefficient and anisotropy factor of 1.36mm^?1 and 0.67, respectively) with the fluorophore located at the center was 10^?20 of the incident laser power. The analysis based on the simulation results indicates the significant property of the modulation in which the modulated signal is combination including two processes generated from the variation of the refractive index and fluorophore concentration (the contributions of these are equivalent), whereas the contribution of the variation of the scattering coefficient is negligibly small. The profile of the fluorescence image and the characteristics of the quadratic relationship between the modulated intensity signal and the sound pressure are consistent with our previous experimental results.     

鄱阳湖高浑浊水体悬浮颗粒物粒径分布及其对遥感反演的影响

悬浮颗粒物粒径分布特征为水环境结构与功能研究提供了重要信息,但目前针对内陆湖泊的研究还很少。依据2008年—2011年鄱阳湖丰枯水期实测数据,对悬浮颗粒物粒径分布的时空特征及光学特性进行了研究。鄱阳湖悬浮颗粒物粒径具有季节性变化特点：枯水期南部湖区颗粒物粒径大于北部湖区,而丰水期南北部湖区差异不大。同时,悬浮颗粒物粒径分布对水体吸收系数、衰减系数和散射系数都有影响。鄱阳湖水体总颗粒物吸收系数北部观测值高于南部;颗粒物中值粒径与总颗粒物比吸收系数呈负相关关系,这可能是由浑浊水体中存在的矿物颗粒物打包效应引起。鄱阳湖水体总颗粒物衰减系数和散射系数的时空分布规律相似：枯水期具有明显的区域性差异而丰水期区域性差异不大。遥感反射率、总颗粒物散射系数光谱斜率以及颗粒物粒径分布斜率之间的函数关系为遥感反射率表征粒径分布情况以及定量分析悬浮颗粒物粒径分布特征对遥感反射率的影响提供了依据。悬浮颗粒物粒径分布、颗粒物后向散射概率与颗粒物复折射率密切相关,可以反映鄱阳湖水体悬浮颗粒物组分信息。     

Scattering behavior of nonabsorbing metallic nanoparticles

The optical property of nanosized metallic particles is unique and size-dependent, which cause color variation. In this work, the relationship between diameter and refractive index of nonabsorbing metallic nanoparticles and their scattering properties is studied by using Mie theory. Obtained results indicate that the optical scattering of metallic nanoparticle depends on their refractive index and diameter. The effect of refractive index on optical scattering depends on the nanoparticle diameter. So that, for very fine nanoparticle (10 nm diameter) the effect of refractive index on scattering is not significant. But the effect of refractive index of large size nanoparticle (700–900 nm diameter) on their optical scattering is higher than fine and medium size nanoparticles. The wavelength with maximum scattering depends on refractive index and nanoparticles diameter. In addition, the colorimetric study indicates that the color of nanoparticle depends on their size and refractive index. So that, the lightness, hue, and colorfulness of nanoparticles is changed by changing size and refractive index.