用于组织光学特性参量测量的改进型双积分球系统

研制了一套改进型的双积分球系统,通过对光源功率的监测,可以准确获取生物组织的光学特性参量.文中详细阐明了该系统的组成、原理、测量技术及获取光学特性参量的逆加折叠方法;并分两种情况,即用改进型的双积分球系统及常用的双积分球系统分别对内脂与细粒蓝的光学特性参量(632.8nm)进行了测量,结果表明改进型系统能很好消除光源波动对测量所带来的影响,所测量的数据更准确,误差更小.     

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%。     

双氙灯光源积分球日照计校准系统

为解决旋转热释电日照计(RPSDR)室外校准易受环境影响、重复性差、效率低等问题,提出了一种以双氙灯光源积分球系统校准RPSDR的室内校准方法。根据RPSDR的组成、结构和测量原理,利用太阳模拟、积分球环境模拟等技术,设计了以氙灯太阳模拟器输出直接辐射、以穹顶氙灯模拟散射辐射的双光源积分球日照计校准系统,提出了积分球结构参数,分析了氙灯光源的辐照度分布和光谱修正,建立了在室内进行日照阈值校准、在室外进行日照时数验证的综合性RPSDR校准方法。经测试,校准系统的有效辐照面内的辐照度均匀性含中心点时为2.5%,不含中心点时为1.6%,有效辐照面内每小时的阈值点辐照度稳定性为0.68%,光源匹配AM1.5 A级太阳光谱能量分布;对一台RPSDR进行室内阈值校准和室外日照时数比对实验,结果验证了经系统校准后的RPSDR测量的日照时数与直接辐射表测量的日照时数参考值的相对误差不超过1%,绝对误差不超过0.26 h,满足气象行业日照时数的观测要求。     

双氙灯光源积分球日照计校准系统

为解决旋转热释电日照计(RPSDR)室外校准易受环境影响、重复性差、效率低等问题,提出了一种以双氙灯光源积分球系统校准RPSDR的室内校准方法。根据RPSDR的组成、结构和测量原理,利用太阳模拟、积分球环境模拟等技术,设计了以氙灯太阳模拟器输出直接辐射、以穹顶氙灯模拟散射辐射的双光源积分球日照计校准系统,提出了积分球结构参数,分析了氙灯光源的辐照度分布和光谱修正,建立了在室内进行日照阈值校准、在室外进行日照时数验证的综合性RPSDR校准方法。经测试,校准系统的有效辐照面内的辐照度均匀性含中心点时为2.5%,不含中心点时为1.6%,有效辐照面内每小时的阈值点辐照度稳定性为0.68%,光源匹配AM1.5 A级太阳光谱能量分布;对一台RPSDR进行室内阈值校准和室外日照时数比对实验,结果验证了经系统校准后的RPSDR测量的日照时数与直接辐射表测量的日照时数参考值的相对误差不超过1%,绝对误差不超过0.26 h,满足气象行业日照时数的观测要求。     

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)。     

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。     

光电子技术与器件 光电成像与器件

TN386.52006010552大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术研究=Re-search on measuring technique for i mage sensors′uniformi-ty of the CCDi mage-forming system with large-field angle[刊,中]/张鑫(北京理工大学信息科学技术学院光电工程系.北京(100081)),林家明…∥光学技术.—2005,31(6).—846-848,853以光度学为理论基础,研究了大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术。论述了600~800mm非对称、双半球不等半径积分球的设计方案。对像面均匀性测试系统的积分球出口进行了测试,出口处的照度不均匀性不高于2.3%,照度不稳定性不高…     

大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术研究

以光度学为理论基础,研究了大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术。论述了600~800mm非对称、双半球不等半径积分球的设计方案。对像面均匀性测试系统的积分球出口进行了测试,出口处的照度不均匀性不高于2.3%,照度不稳定性不高于2.7%,积分球后半球内表面的亮度不均匀性不高于4.4%。在对测试结果进行误差分析的基础上,对大视场CCD摄像机进行了实际测试。结果表明,该装置可广泛应用于光电成像系统的像面均匀性测量。     

积分球非中性对出射光谱的影响

从积分球非中性的角度出发,研究了光(辐射)经过积分球后的光谱性质变化.根据积分球理论公式,推导了积分球光谱透过率的非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明积分球非中性通常大于内壁涂层非中性;且内壁涂层非中性一定时,涂层反射比越高,积分球非中性越大.然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型...     

积分球非中性对出射光谱的影响

从积分球非中性的角度出发,研究了光(辐射)经过积分球后的光谱性质变化.根据积分球理论公式,推导了积分球光谱透过率的非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明积分球非中性通常大于内壁涂层非中性|且内壁涂层非中性一定时,涂层反射比越高,积分球非中性越大.然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型涂层的积分球出射光的光谱分布、色坐标和色温.结果表明,两种积分球的非中性对出射光谱的影响特征相同,表现在色度上是色坐标(x,y)增大,色温降低.其中聚四氟乙烯积分球非中性较小,其出射光色温在A光源、氙灯作为入射光源时分别降低约20 K和70 K|而硫酸钡积分球的出射光色温则分别降低约300 K和1 000 K,非中性影响明显.     

响应量转换近红外检测技术在强散射介质中的应用研究

在近红外光谱定量分析中,由于散射作用的存在使得光谱变化复杂,从而导致校正模型的预测精度较低。消除散射干扰是提高测量精度的有效处理手段之一。为了消除散射对测量结果的影响,文章提出了响应量转换法,即根据被测介质在空间不同位置的光强随被测物浓度的变化率,通过逆倍增模型推出被测介质的吸收系数作为新的响应变量,从而建立校正模型。以牛奶样品为例,分析了脂肪和蛋白质浓度与吸收系数之间的关系,利用蒙特卡罗模拟研究了散射对近红外牛奶成分测量结果的影响,并通过传统预处理方法和响应量转换法进行散射干扰的消除。实验结果表明,响应量转换法能够有效消除散射干扰,与传统MSC和SNV预处理方法相比,脂肪预测精度分别提高了33.9%和55.9%,蛋白质预测精度分别提高了46.5%和33.7%。     

大尺度粗糙地面的电磁散射特性

 综合考虑空间区域分割、消息传递、负载平衡及同步和边界处理等因素,给出了计算随机粗糙地面电磁散射的并行时域有限差分算法流程,并在大型高性能并行机上应用。理论分析和仿真结果表明：该算法可以快速准确地计算大尺度随机粗糙地面的电磁散射特性;通过与经典解析方法的比较,验证了该算法的正确性和实用性,在大尺度情况下拟合结果更好,更能体现地面的统计特性。     

基于Newmark算法的任意磁化方向铁氧体电磁散射时域有限差分分析

利用坐标系转换矩阵给出实验室坐标系中饱和磁化铁氧体的频域磁导系数张量,再通过频域到时域的转换关系jω→?/?t得到一个二阶微分方程形式的时域本构关系.然后采用Newmark方法求解时域本构关系从而给出一种适用于处理任意磁化方向铁氧体电磁问题的Newmark时域有限差分算法.利用此算法计算了饱和磁化铁氧体层的反(透)射系数和饱和磁化铁氧体球的后向雷达散射截面,所获得的结果验证了此算法的正确有效性.     

On-line beam diagnostics based on single-shot beam splitting phase retrieval

We propose a novel on-line beam diagnostic method based on single-shot beam splitting phase retrieval. The incident beam to be measured is diffracted into many replicas by a Dammann grating and then propagates through a weakly scattering phase plate with a known structure; the exiting beams propagate along their original direction and form an array of diffraction patterns on the detector plane. By applying the intensity of diffraction patterns into an iterative algorithm and calculating between the grating plane, weakly scattering plane, and detector plane, the complex field of the incident beam can be reconstructed rapidly; the feasibility of this method is verified experimentally with wavelengths of 1053 and 632.8 nm.     

Refocusing and locating effect of fluorescence scattering field

Optical imaging deep inside scattering medium has always been one of the challenges in the field of bioimaging, which significantly drawbacks the employment of con-focal microscopy system. Although a variety of feedback techniques, such as acoustic or nonlinear fluorescence-based schemes have realized the refocusing of the coherent light, the problems of non-invasively refocusing and locating of linearly-excited fluorescent beads inside the scattering medium have not been thoroughly explored. In this paper, we linearly excited the fluorescent beads inside a scattering medium by using our homemade optical con-focal system, collected the fluorescence scattering light as the optimized target, and established a theoretical model of target contrast enhancement, which is consistent with the experimental data. By improving both the cost function and variation rate within the genetic algorithm, we could refocus the fluorescence scattering field while improving the contrast enhancement factor to 12.8 dB. Then, the positions of the fluorescent beads are reconstructed by sub-pixel accuracy centroid localization algorithm, and the corresponding error is no more than 4.2 μ with several fluorescent beads within the field of view. Finally, the main factors such as the number of fluorescent beads, the thickness of the scattering medium, the modulating parameter, the experimental noise and the system long-term stability are analyzed and discussed in detail. This study proves the feasibility of reconstructing fluorescent labeled cells inside biological tissues, which provides certain reference value for deep imaging of biological tissues.     

Inverse scattering for surface impedance from phase-less far field data

We present a numerical comparison of a regularized Newton-type method and a direct method for reconstructing the surface impedance function of a three dimensional acoustic scatterer with known shape from the full far field pattern for scattering of one incident time-harmonic plane wave. Furthermore, we propose a modification of the Newton-type algorithm to recover a real-valued surface impedance from phase-less far field data. Numerical reconstructions illustrate the feasibility of the methods.     

电各向异性色散介质电磁散射时域有限差分分析的半解析递推卷积方法

利用坐标系转换矩阵给出实验室系中磁化等离子体介质的频域极化率张量, 采用部分分式展开方法通过傅里叶逆变换得到极化率张量的时域指数函数形式, 应用数字信号处理中的半解析递归卷积算法, 给出适用于处理任意外磁场方向情形下磁化等离子体目标电磁散射的半解析递归卷积-时域有限差分计算方法. 计算了磁化等离子体球的同极化和交叉极化后向雷达散射截面, 结果表明了算法的正确有效性. 关键词： 半解析递归卷积 磁化等离子体 电磁散射 时域有限差分方法     

任意磁化方向铁氧体电磁散射时域有限差分分析的Z变换方法

利用坐标系转换矩阵给出实验室系中饱和磁化铁氧体的频域磁化率张量, 采用部分分式展开方法通过Z变换得到磁化率张量的Z域形式, 给出了任意磁化方向铁氧体电磁散射的Z变换-时域有限差分算法. 计算了饱和磁化铁氧体球的同极化和交叉极化后向雷达散射截面, 结果表明了算法的正确有效性. 关键词： Z变换 饱和磁化铁氧体 电磁散射 时域有限差分方法     

Influences of interfacial damage on the effective wave velocity in composites with reinforced particles

The scattering of elastic waves by a spherical particle with imperfect interface and the multiple scattering by many spherical particles with imperfect interface are studied in this paper. First, the scattering of elastic waves by a spherical particle with imperfect interface, i.e. spring interface model, is studied. Then, the multiple scattering by random distributed particles with interfacial damage in a composite material is investigated. The equations to evaluate velocity and attenuation of effective waves defined by statistic averaging are given. Furthermore, based on the established relation between the effective velocity and interfacial constants, a method to evaluate the interfacial damage nondestructively from the ultrasonic measure data is proposed. The numerical simulation is performed for the Sic-Al composites. The effective velocity is computed to show the influences of interface damage. By using the genetic algorithm, the interfacial damage is evaluated from the synthetic experimental data with various levels of error. The numerical results show the feasibility of the method proposed to approximately evaluate the interfacial damage in a composite material with reinforced particles based on ultrasonic data. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10672019 and 10272003)     

德拜色散媒质的三维时域电磁逆散射技术

生物组织、土壤、水等媒质的电特性是频率相关的(称为色散媒质),常利用单极德拜(Debye)模型描述.为重建这一类媒质的色散特性,基于泛函分析和变分法,提出一种三维(3-D)时域电磁(EM)逆散射技术,主要流程为:①根据最小二乘准则,转化逆散射问题为约束最小化问题;②应用罚函数法,转化约束最小化问题为无约束最小化问题;③通过变分计算,解析导出梯度(Fréchet导数)表达式;④利用梯度法求解.此外,引入一阶吉洪诺夫(Tikhonov)正则化以应对逆问题的病态特性和噪声影响.数值应用中,将提出的目的 应用到一个简单的三维癌变乳房模型,借助PRP共轭梯度(CG)算法和时域有限差分(FDTD)法,仿真结果初步证实本文目的 的可行性、有效性和鲁棒性.