用于微區漫反射測量的高分辨率多點探測系統

王利軍，朱宗平，蔡 實，張 磊，鄒 雷，王 偉

（中國人民解放軍63963部隊，北京100072）

0 引言

微區漫反射光是指通過入射激光照射漫反射介質，在其表面距離入射光源幾個毫米半徑范圍內的漫反射光，這些光信號攜帶了介質內部及表面的大量光學信息。通過研究漫反射光信號，可以反演獲得介質的吸收系數、反射系數等光學特性參數。從而可以對介質的局部進行光學特性的判斷和分析，對漫反射材料的光學性質研究以及微型精密器件的光學檢測具有重要意義。

空間分辨率（探測位置點之間的最小距離）和探測位置點的數量是影響光學參數獲取精度的重要因素。空間分辨率越高，探測位置點越多，則反演獲取光學參數的精確度越高。而現有的反射光強測量方式（光纖掃描式和探針式）對于微區范圍而言局限性很大。如南開大學光子學中心曾利用光纖掃描方式對微區漫反射光進行了探測［1］，該方式的最大缺點是掃描過程中的不穩定因素太多，造成的測量誤差較大，因此逐步被探針式取代。F.Bevilacqua［2］曾對探針式進行過研究，其空間分辨率為0.2mm，探測點數為6 個。T.Joshua Pfefer［3］測量了高吸收介質的漫反射分布，探測范圍為0.23～2.46 mm，探測點數為6個。空間分辨率低，探測位置點少導致測量結果不能充分反映和描述微區漫反射光分布情況。本文針對目前空間分辨率低和探測點數少的問題，設計了高分辨率多點自動化探測系統。

1 漫反射實驗測量方法

微區漫反射實驗測量方法分為絕對式和相對式。絕對式是根據反射率的定義測量介質表面漫反射率的絕對值R（ρ），再通過理論模型［4］或數值模型反演得到介質的光學特性參數，其中：

式（1）中，ρ 為探測位置與入射光源的距離，I（ρ）為不同距離ρ 處的漫反射探測光強，I0為入射光強。式（1）表明，絕對測量需要精確獲得入射光的強度和探測器在不同位置ρ處接收到的漫反射光的強度，通常實現起來比較困難，因此絕對式測量應用較少。Alwin Kienle［5］曾進行過漫反射的絕對式測量研究，但通過該方式得到的吸收系數的均方根誤差高達到14%。與之相比，相對式測量則誤差較小且容易實現，目前應用較多。該方式是測量介質表面漫反射光強度的相對值，利用反射率已知的標準參照物（通常為朗伯體，如Baso4）對探測系統進行校準和定標，通過測量未知介質的漫反射電壓值與已知參照物的漫反射電壓值的比率來得到前者的漫反射率R（ρ），再通過理論模型或數值模型反演得到介質的光學特性參數，其中：

式（2）中，V0（ρ）為標準參照物的漫反射測量電壓值，V（ρ）為未知介質的漫反射測量電壓值，R0為標準參照物的漫反射率。

基于相對式實驗測量方法，微區漫反射光強的探測方式有兩種，光纖掃描式和探針式。光纖掃描式探測是利用單根平切光纖接收光信號，通過光纖在介質表面的移動式掃描，實現對不同位置處漫反射光信號的探測。該方式的最大優點是能夠根據實驗的需要調整測量的空間范圍和空間分辨率，其缺點是光纖移動的不穩定往往會給探測結果帶來較大的誤差。探針式探測是利用一個內部包含多根光纖的陣列式微型探針實現對漫反射光的探測。由于探針具有微型化的整體結構，因而能夠實現復雜環境中的內窺式探測。

2 高分辨率多點自動化探測系統

2.1 探測系統總體描述

探測系統主要由激光光源、光開關、光纖探針、光電倍增管（PMT）、前置放大器、鎖相放大器、數據采集卡（DAQ）和計算機組成，如圖1所示。激光光源為650nm 激光二極管，最大輸出功率20mW，利用鎖相放大器輸出電脈沖對激光二極光進行脈沖調制，輸出激光通過耦合光纖與1×2光開關的輸入通道相連；1×2光開關的兩個輸出通道與光纖探針的兩根照射光纖相連，通過兩個通道之間的切換，改變了照射光纖與探測光纖之間的距離；1×6光開關的6個輸入通道與光纖探針的6根探測光纖相連，輸出通道與PMT 連接；PMT 輸出的電流信號經前置放大器和鎖相放大器轉化為電壓信號并放大；利用LabVIEW 對光開關和DAQ 進行編程控制，實現對0.125～1.25 mm 范圍內10 個位置的漫反射光信號的自動測量。實驗前利用積分球系統產生的標準漫反射光對光纖探針進行了標定，并通過探測已知漫反射率的樣品對整套探測系統進行了校準。

圖1 微區漫反射光信號探測系統Fig.1 Small region diffuse reflectance signal detecting system

2.2 光纖探針設計

光纖探針截面如圖2所示。它是由12根相同規格的光纖（φ=125μm，NA=0.275）組成的一維光纖陣列，陣列寬度為1.5 mm，固定在直徑為2 mm 的不銹鋼套管中。光纖陣列中，序號左起第1號光纖和第12號光纖作為照射光纖（激光入射），第2號至第7號光纖為探測光纖（接收入射激光經介質反射后的光信號），第8號至第11號光纖僅起支撐固定作用。

圖2 光纖探針圖Fig.2 Optical fiber probe

2.3 光開關及其控制

探測系統中采用的兩個光開關分別為FSW 1×2-MM 和FSW 1×6 多模光開關。利用Lab-VIEW 編程對光開關進行控制，實現了各通道的自動選通，提高了探測效率。1×2光開關的作用是對兩根照射光纖進行通道選通，1×6光開關的作用是對第2號至第7號探測光纖進行通道選通。當1×2光開關選通第1號光纖作為照射光纖時，1×6光開關對2-7號探測光纖依次進行通道選通，由此實現對0.125 mm、0.25 mm、0.375 mm、0.5 mm、0.625mm 和0.75 mm 六個位置的漫反射光強探測；同樣，當選通第12號光纖作為照射光纖時，1×6光開關依次對5-2號探測光纖進行通道選通，實現 對0.875mm、1mm、1.125mm 和1.25mm 四個位置光信號探測。因此，整個過程通過兩個光開關和一個光電探測器（PMT）實現了對微區0.125～1.25mm 范圍的10個位置的漫反射光強探測。通常情況下，進行空間多點探測需要采用多個光電探測器，增加了系統校準的難度，而光開關的巧妙利用使整個探測系統變得緊湊而簡便。

FSW1×2-MM 光開關的通道切換是通過LabVIEW 編程控制數據采集卡的兩個計數器輸出控制電脈沖驅動光開關動作的，電脈沖的寬度要求20～30ms范圍。對FSW 1×6光開關編程控制是通過計算機并口實現的，并口模塊的LV 編程控制是連接計算機電控制與光開關機械動作的關鍵［6-7］。光開關配備了標準并口和數據連接線，通過光開關數據位與并口管腳的對應關系，將LV 編程控制設計為五個部分：開始—復位—選通—復位—結束，通過6次循環，依次實現對6個光通道的選通，框圖程序如圖3所示。

圖3 光開關控制LV 框圖程序Fig.3 LV program of optical switch control

2.4 光電轉換與數據采集

光電轉換部分主要包括調制激光器、PMT、鎖相放大器三部分。考慮到微小光信號的探測過程容易產生較大的噪聲，為了減小噪聲對探測結果的影響，在光電轉換部分引入了鎖相放大系統，將連續激光輸出改為通過鎖相放大器電信號調制的激光脈沖輸出，將PMT 得到的反電信號進行頻率鎖定放大。數據采集部分采用NI數據采集卡，利用LabVIEW編程實現數據自動采集與存儲［8］。數據采集程序主要過程包括三部分：信號監測、數據采樣和數據保存，前面板界面如圖4所示。信號監測用于判斷預采集信號是否到達穩定狀態，即對采集前的實時信號監測。數據采樣與保存是對電壓信號進行實時采樣并將采樣數據保存到指定路徑，根據實驗需要設定采樣速率、采樣點數和保存數據長度。

圖4 曲線監測和數據存儲界面Fig.4 interface of curve monitor and data acquisition

3 實驗結果及驗證

實驗前對探測系統整體性能進行了測試，具有較好的重復性和穩定性，在此基礎上對介質（Intralipid-10%溶液）漫反射進行了探測，結果與Monte Carlo數值模擬曲線以及理論模型（漫射近似外推邊界條件下）的計算結果進行了比較，如圖5所示。圖中的RMeasure，10%對介質表面連續15次測量的平均值，RMC，10%為Monte Carlo模擬曲線，模擬中的光學參數分別取散射系數μs=326.6cm-1，吸收系數μa=0.005cm-1，各向異性因子g=0.82。高斯光束半徑R=0.00 625cm，光束發散角θ=0.2 79rad，光子數106個。圖中RDA，10%為漫射近似曲線。由圖得出實驗曲線RMeasure，10%與Monte Carlo模擬曲線RMC，10%符合較好，最大相對誤差為4.76%，探測結果與Monte Carlo模擬結果的比較表明了實驗結果的正確性。而與理論計算曲線RDA，10%差別較大，其原因為理論模型已不能充分描述微區漫反射分布情況。

圖5 實驗結果驗證曲線圖Fig5 Curve of experiment results test

4 結論

本文設計了用于微區漫反射光信號探測的高分辨率多點自動探測系統。該系統利用特制探針將探測的空間分辨率提高為0.125 mm，通過引入兩個光開關使得探測點數增加為10個。仿真驗證表明，對介質表面0.125～1.25mm 漫反射光信號的探測實驗結果與數值模擬結果吻合較好，驗證了探測系統的可靠性。實現了對微區漫反射的高空間分辨率多點自動化探測，在一定程度上解決了現有探測方式存在的局限性。在此基礎上，下一步擬進行光學性質參數反演以及反射介質材料光學特性研究。

［1］許棠.生物組織中的光傳輸及生物組織光學特性參數測量的研究［D］.天津：南開大學物理學院，2004.

［2］Frederic Bevilacqua，Dominique Piguet.In vivo local determination of tissue optical properties：applications to human brain［J］.Appl.Opt.1999，38（22）：4939-4950.

［3］Pfefer T Joshua，Matchette L Stephanie.Reflectancebased determination of optical properties in highly attenuating tissue［J］.Journal of Biomedical Optics.2003，8（2）：206-215.

［4］張志虎，李鐵，楊小軍，脈沖激光照射下目標散射特性研究［J］.探測與控制學報，2007，29（5）：63-66.

［5］Kienle Alwin，Lilge Lothar，Patterson Michael S，et al.Spatially resolved absolute diffuse reflectance measurements for noninvasive determination of the optical scattering and absorption coefficients of biological tissue［J］.Appl.Opt.1996，35（13）：2304-2314.

［6］劉君華，郭會軍 .基于LABVIEWE 的虛擬儀器設計［M］.北京：北京電子工業出版社，2003.

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