双积分球系统

双积分球系统采用的是相对测量技术 ,即反射率、漫透射率及准直透射率都是相对于某个基线的测量 ,各量均介于 0~ 1,三者之和的量大值也不可能大于 1.球内壁上的探测器所探测到的信号与入射到探测器上的功率成正比 ,即V=K Pd ( 1)式中 K 取决于探测器的特性 . 实际上还有一些背景光 Vn ,它由探测系统的噪音及杂散光的大小决定 ,因此上式可改写为Pd= K -1( V - Vn) ( 2)这样就可以根据入射光功率 P、探测系数 K ,利用透射球外的第三个探测器对准直的透射光的测量 ,可得到准直的透过率Tc= (Vc - Vn ) Tref /(V C0- Vn ) ( 3)由于激光束在不经过样品直接照射到准直通道上时 ,所探测的信号会很大 ,所以在没有样品的情况下 ,常在样品口放置一个衰减片 ,以避免探测的信号过大而超出锁相放大的范围 . VC0为准直通道相对衰减片所测得的值 , Tr ef为衰减片的透过率 (本系统采用的值为 6 % ) ,Vc 是在有样品无衰减片时的测量值 .

虽然入射光功率可以直接测量 ,但为方便起见 ,常常把漫反射系数为 Rref ( 99. 9% )的标准片放在样品口 ,通过相对测量来实现. 反射率 R与漫透射率 Td 的获取与光源的准直性有关 ,它是通过以下几个量的测量来实现的 .V(%) = (Vmeasure - Vn ) /( V0- Vpn ) ( 4)式中 V(% )为反射率 R或漫透射率 Td ,V n 与前面类似 ,是相应积分球上探测器的噪音 ; Vpn是在没有样品的情况下光穿过球时的测量值 ;而 V0是将标准的反射片 ( 99. 9% )放于样品口 ,激光照射在镜片上时 ,探测器所探测的信号 . 所有的参考测量都是对单球而言的 . 如果激光器的准直性较好 ,光路调整好以后均会有 Vpn≈ Vn,即无论入射口 (反射球 )或出射光口 (透射球 )挡住与否 ,都会有相同的测量值 . 事实上 ,由于我们实现了对光信号的调制 ,锁定放大器消除了背景噪音的干扰 ,所以只要调整好光路 , 均有 Vpn≈Vn≈ 0.

在组织光学中 ,一般用吸收系数 _ a、散射系数 _ s及各向异性因子 g 表征生物组织的特性 . 积分球系统获取组织光学特性参量 ,是通过总的反射、漫透射及准直透射的测量 ,再利用逆加折叠 (简称 IAD)或 M onte Ca rlo方法来确定光学特性参量 . IAD方法作为一种迭代法计算起来非常快 ,在处理各向异性散射及处理边界上的内部反射时很灵活 ,并可通过增加计算时间使其达到任意的精度 ; 而 Mo nte Carlo方法常常需要较长的运行时间 . 因此通过双积分球测量 ,获取生物组织光学特性参量时 ,一般都采用 IAD 方法.IAD方法由以下几步组成: 1)猜参量 ; 2)利用逆加折叠计算反射率和透射率 ; 3)将测量值与计算值进行比较 ; 4)检查是否满足精度 ,否则重复前三步 .

激光在生物组织中的传输一直是激光医学所关注的问题 ,为研究组织中的光子传输规律 ,诸多模型被提出来了 ,理论的准确性取决于组织光学特性参量的测量 . 生物组织的光学特性常用这样一些参量来描述: 吸收系数、散射系数及各向异性因子 .

组织光学特性参量的测量方法有很多 ,从生物组织所处的状态来看 ,可分为离体测量与在体测量. 组织光学特性参量的在体测量可以直接应用剂量学 ,然而现有的测量技术所能提供的信息非常有限。而离体测量则能分别考虑组织的层状结构 ,如可以对离体的真皮与表皮分别测量 ,在体测量却只能得到整个皮肤的参量. 在所有离体测量中 ,双积分球技术是目前公认的最为精确的一种测量技术 ,它将测量方法与辐射传输理论的精确解结合起来 ,可以同时获取离体组织的光学特性参量. 但双积分球技术对光源稳定性要求很高 ,否则会给测量带来很大的误差 .

组织光学特性参量的测量是通过可探测的光学量 (如反射、透射等 )来获得的 ,这些量表征着光子在生物组织的传输 2. 双积分球技术是将样品放在两个积分球之间 ,通过对一片样品的测量 ,来同时获取其对光的反射率、漫透射率及准直透射率 ;再根据生物组织中特定的光子传输理论 ,进而推算出其光学特性参量: 吸收系数 _ a、散射系数_s 及名向异性因子 g. 这里_ a ( mm-1)和 _ s ( mm-1 )的倒数分别表示光子在介质中被吸收或散射前所走过的平均距离 , g 是光子在不同方向上的散射几率 . 当光通量的空间分布变化不是很大 ,或远离边界及源的区域时 ,散射各向异性的细节并不重要 ,因而常将 _ s和 g 简化成单一的散射系数 _′ s= _ s ( 1- g ) , 利用双积分球测量样品的反射率与透射率是一种很成熟的技术 . 探测器所探测的信号与光源功率、球的几何参量 (球壁面积、洞口的大小 ,样品的面积 )、 球壁的反射率及样品的反射率有关 ,Pickering等对此进了深入细致的探讨,这里不再赘述 ,但双积分球技术用于组织光学特性参量测量却是近几年发展起来的.改进双积分球系统由以下几个部分组成: 激光器、斩波器、分光镜、积分球 (四个 )、锁定放大器、相关的探测电路及转换电路、计算机数据采集系统 . 而常用的双积分球准直激光经斩波器 ( ND-3型可变频率双参考光斩波器 ,频率波动为 0. 1 % )调制后 ,通过透过率为 80%的分光镜将其分成两束 ,反射光作为参考探测 ,以监测光源功率的波动情况 ,透射光通过反射球的入光口直接照在样品上 . 来自参考球、反射球、透射球及准直透射球上各探测器 ( SiPIN, S1223-01型 )的四路信号通过开关电路后 ,依次送入锁定大器 ( M odel SR830 DSP Lock- inAm plifier可将频率锁定在 0. 1Hz范围内内 ) ,最后被计算机所采集 .

积分球理论在对样品的反射及透射测量中的误差分析表明 ,准直入射比漫入射时的情况更好. 因此用双积分球系统测量组织光学特性参量时常采用准直较好的激光光源 .

用于反射及漫透射测量的两个积分球是对称放置的 . 球的内表面由 Ba SO4喷涂而成 ,具有较高的漫反射特性 ;两球内径为 220m m± 1mm,样品口直径为 25± 0. 1mm ,反射球的入光口与透射球的出光口直径为 7± 0. 1m m;另外在样品口与探测口之间设置了挡板 ,这将避免样品上的反射光直接被探测器所收集 . 为使来自样品的规则反射光不至于从入光口逃离出去 ,我们将光轴与样品口平面的法线方向设置成 3° 的夹角 ,这样反射球上的探测器所探测到的信号就是漫反射光与规则反射光之和 ,即总的反射光强 .

由于光斑会聚成一个小点直接照在探测器上时 ,会降低探测器的线性度 . 为此 ,在参考通道及准直透射光强的探测中 ,我们也采用了积分球 (内径为 70± 0. 5mm ) ,入光口大小为 7± 0. 1mm ,这样将使光经过漫反射后均匀地照射在探测器的光敏面上 . 在准直探测中 ,为避免漫透射信号的影响 ,准直探测球与透射球之间的距离应大于700m m,在这里我们将其设定为 800m m.在弱光信号检测中 ,斩波及锁定放大将能很好的消除背景光的干扰 .与常用的双积分球系统相比 ,我们引入了参考测量监测光源功率的变化 ,以此消除光源波动对测量的影响 . 这是因为双积分球系统采用的是相对的测量技术 ,各探测器 (光电二极管与光电倍增管 )所探测到的信号与入射到探测器上的光强成正比 ,因此对光功率的稳定性有着较高的要求 ,否则会给测量带来较大的误差.为同时测量反射、漫透射、准直透射信号 ,并实现对光源功率波动的监测 ,通过一个开关转换电路 ,将四路信号分时送到锁定放大器上 ,这一点通过计算机采集系统是很容易控制的 . 由于机械调制本身存在的局限性 ,我们将斩波器的频率设置为 1000Hz,相应的锁定放大器的积分时间设置为 30m s. 在对不同通道的信号进行分时采集时 ,为避免各路信号之间的相互影响 ,将每路信号采集的时间间隔设置为 500ms. 由于光源本身的波动非常缓慢 ,所以这样的延迟对测量所带来的影响是可以忽略的 .

利用近红外光谱技术对谷物、水果、肉品等农产品进行定量分析已经十分普遍,这种定量方法是基于化学计量学的思想建立化学值与光谱数据间的关系。随着应用和研究的不断深入 ,针对其适用性和分析精度 ,研究人员进行了一些探索,鉴于农产品是对光具有吸收、散射作用的多组分复杂体系 ,目前对其组织内部光输运规律研究不多 ,一般是将散射等引起的变化 (光学路径变化 )归结到光谱形状的变化,由于散射作用将引起模型不稳定和较大的误差。为了进一步提升近红外光谱技术在农产品品质分析领域应用的适用性和准确性 ,应从生物组织内部入手来研究光和样品的相互作用 ,直接或间接地得到吸收系数 _ a、散射系数 _ s 和各向异性因子 g 等光学参数 ,将散射与吸收系数分开 ,进而计算出物质含量 。

测量原理

光在生物组织中的输运过程中包含吸收和散射作用两个部分 ,研究光在生物组织中输运要解决两方面的问题: 1)描述在光学参数已知条件下 ,研究光子在组织内部的输运过程和规律 ,例如 ,漫射方程及在一定边界条件下的解、 Mo nte Carlo仿真模型等 ; 2)由测试数据反演出组织的吸收系数、散射系数和各向异性因子等光学参数。 为了得到农产品的光学参数 ,采用双积分球系统的测量方法,其原理是将一片薄片样品 (如鲜肉组织 )置于两个积分球之间 ,当一束激光入射样品的时候 ,同时对两个积分球内所收集的漫反射光和漫透射光进行检测 ;此外 ,还要同步检测激光传播方向上距离漫透射积分球 60 cm以外的准直透射光信号 ,这样同时得到漫反射率 Rd、漫透射率 Td 和准直透射率 Tc三个物理量 ,进而运用一种光传输模型的逆算法反演出组织的吸收系数_ a、散射系数_ s和各向异性因子 g 等光学参数 ,逆倍增 ( Inverse Adding-Doubling, IAD)算法是其最常用也是最快速准确的一种算法 。

IAD算法是 AD算法 (一种正向光传输模型 ,称之为倍增模型 )的求逆算法 , AD倍增模型的基本思想是:对于一片已知光学参数的光学薄层 S 1 来说 ,若它的漫反射率和漫透射率是已知的 ,那么对于两倍于它厚度的同样光学性质的另一光学薄层 S2 来说 ,其漫反射率和漫透射率就相当于把原来两片相同的光学薄层 S 1 并置在一起进行加倍 ( Doubling)计算得到的漫反射率和漫透射率 ,通过这种处理 ,薄层厚度即可成倍地增加 ,一直达到所期望的组织厚度为止 ,同时计算出该组织的总漫反射率和总漫透射率 ;对于不同光学性质的其他介质层也可以采用同样的方法来处理 ,然后将几个介质层的漫反射率分量和漫透射率分量进行加和 ( Adding )计算 ,这样得到包含若干层结构的总漫反射率和总漫透射率。"玻璃 - 样品 - 玻璃"就是这样一个典型的 3层结构 。

IAD算法主要包含四个步骤: 1)根据实测的漫反射率、漫透射率和准直透射率来估计一组光学参数 ,把它们作为迭代初始值 ; 2)将这组光学参数代入 AD算法来计算实测物理量所对应的理论值 ; 3)通过实测值和理论值两者之间的比较来确定下一步骤的操作 ; 4)如果已经达到设定的精度 ,那么当前所设定的光学参数就是最后的输出结果 ;否则 ,根据比较结果重新设定一组光学参数 , 就是最后的输出结果 ;否则 ,根据比较结果重新设定一组光学参数 ,然后重复这个过程 ,直到输出最后结果或者超出迭代最大步骤为止 。