雙積分球系統測量裝置可通過對光源功率的監測 ,可以準確獲取生物組織的光學特性參量，也可得到農產品生物組織光學參數。
基本介紹
- 中文名：雙積分球系統
- 外文名：Double integralball system
組織光學特性參量測量,雙積分球系統組成,雙積分球系統測量技術,光學特性參量的確定,農產品光學參數測量的雙積分球系統,IAD算法,
組織光學特性參量測量
雷射在生物組織中的傳輸一直是雷射醫學所關注的問題 ,為研究組織中的光子傳輸規律 ,諸多模型被提出來了 ,理論的準確性取決於組織光學特性參量的測量 . 生物組織的光學特性常用這樣一些參量來描述: 吸收係數、散射係數及各向異性因子.
組織光學特性參量的測量方法有很多 ,從生物組織所處的狀態來看 ,可分為離體測量與在體測量. 組織光學特性參量的在體測量可以直接套用劑量學 ,然而現有的測量技術所能提供的信息非常有限。而離體測量則能分別考慮組織的層狀結構 ,如可以對離體的真皮與表皮分別測量 ,在體測量卻只能得到整個皮膚的參量. 在所有離體測量中 ,雙積分球技術是目前公認的最為精確的一種測量技術 ,它將測量方法與輻射傳輸理論的精確解結合起來 ,可以同時獲取離體組織的光學特性參量. 但雙積分球技術對光源穩定性要求很高 ,否則會給測量帶來很大的誤差 .
雙積分球系統組成
組織光學特性參量的測量是通過可探測的光學量 (如反射、透射等 )來獲得的 ,這些量表征著光子在生物組織的傳輸 2. 雙積分球技術是將樣品放在兩個積分球之間 ,通過對一片樣品的測量 ,來同時獲取其對光的反射率、漫透射率及準直透射率 ;再根據生物組織中特定的光子傳輸理論 ,進而推算出其光學特性參量: 吸收係數 _ a、散射係數_s 及名向異性因子 g. 這裡_ a ( mm-1)和 _ s ( mm-1 )的倒數分別表示光子在介質中被吸收或散射前所走過的平均距離 , g 是光子在不同方向上的散射幾率 . 當光通量的空間分布變化不是很大 ,或遠離邊界及源的區域時 ,散射各向異性的細節並不重要 ,因而常將 _ s和 g 簡化成單一的散射係數 _′ s= _ s ( 1- g ) , 利用雙積分球測量樣品的反射率與透射率是一種很成熟的技術 . 探測器所探測的信號與光源功率、球的幾何參量 (球壁面積、洞口的大小 ,樣品的面積 )、 球壁的反射率及樣品的反射率有關 ,Pickering等對此進了深入細緻的探討,這裡不再贅述 ,但雙積分球技術用於組織光學特性參量測量卻是近幾年發展起來的.改進雙積分球系統由以下幾個部分組成: 雷射器、斬波器、分光鏡、積分球 (四個 )、鎖定放大器、相關的探測電路及轉換電路、計算機數據採集系統 . 而常用的雙積分球準直雷射經斬波器 ( ND-3型可變頻率雙參考光斬波器 ,頻率波動為 0. 1 % )調製後 ,通過透過率為 80%的分光鏡將其分成兩束 ,反射光作為參考探測 ,以監測光源功率的波動情況 ,透射光通過反射球的入光口直接照在樣品上 . 來自參考球、反射球、透射球及準直透射球上各探測器 ( SiPIN, S1223-01型 )的四路信號通過開關電路後 ,依次送入鎖定大器 ( M odel SR830 DSP Lock- inAm plifier可將頻率鎖定在 0. 1Hz範圍內內 ) ,最後被計算機所採集 .
積分球理論在對樣品的反射及透射測量中的誤差分析表明 ,準直入射比漫入射時的情況更好. 因此用雙積分球系統測量組織光學特性參量時常採用準直較好的雷射光源 .
用於反射及漫透射測量的兩個積分球是對稱放置的 . 球的內表面由 Ba SO4噴塗而成 ,具有較高的漫反射特性 ;兩球內徑為 220m m± 1mm,樣品口直徑為 25± 0. 1mm ,反射球的入光口與透射球的出光口直徑為 7± 0. 1m m;另外在樣品口與探測口之間設定了擋板 ,這將避免樣品上的反射光直接被探測器所收集 . 為使來自樣品的規則反射光不至於從入光口逃離出去 ,我們將光軸與樣品口平面的法線方向設定成 3° 的夾角 ,這樣反射球上的探測器所探測到的信號就是漫反射光與規則反射光之和 ,即總的反射光強 .
由於光斑會聚成一個小點直接照在探測器上時 ,會降低探測器的線性度 . 為此 ,在參考通道及準直透射光強的探測中 ,我們也採用了積分球 (內徑為 70± 0. 5mm ) ,入光口大小為 7± 0. 1mm ,這樣將使光經過漫反射後均勻地照射在探測器的光敏面上 . 在準直探測中 ,為避免漫透射信號的影響 ,準直探測球與透射球之間的距離應大於700m m,在這裡我們將其設定為 800m m.在弱光信號檢測中 ,斬波及鎖定放大將能很好的消除背景光的干擾 .與常用的雙積分球系統相比 ,我們引入了參考測量監測光源功率的變化 ,以此消除光源波動對測量的影響 . 這是因為雙積分球系統採用的是相對的測量技術 ,各探測器 (光電二極體與光電倍增管 )所探測到的信號與入射到探測器上的光強成正比 ,因此對光功率的穩定性有著較高的要求 ,否則會給測量帶來較大的誤差.為同時測量反射、漫透射、準直透射信號 ,並實現對光源功率波動的監測 ,通過一個開關轉換電路 ,將四路信號分時送到鎖定放大器上 ,這一點通過計算機採集系統是很容易控制的 . 由於機械調製本身存在的局限性 ,我們將斬波器的頻率設定為 1000Hz,相應的鎖定放大器的積分時間設定為 30m s. 在對不同通道的信號進行分時採集時 ,為避免各路信號之間的相互影響 ,將每路信號採集的時間間隔設定為 500ms. 由於光源本身的波動非常緩慢 ,所以這樣的延遲對測量所帶來的影響是可以忽略的 .
積分球理論在對樣品的反射及透射測量中的誤差分析表明 ,準直入射比漫入射時的情況更好. 因此用雙積分球系統測量組織光學特性參量時常採用準直較好的雷射光源 .
用於反射及漫透射測量的兩個積分球是對稱放置的 . 球的內表面由 Ba SO4噴塗而成 ,具有較高的漫反射特性 ;兩球內徑為 220m m± 1mm,樣品口直徑為 25± 0. 1mm ,反射球的入光口與透射球的出光口直徑為 7± 0. 1m m;另外在樣品口與探測口之間設定了擋板 ,這將避免樣品上的反射光直接被探測器所收集 . 為使來自樣品的規則反射光不至於從入光口逃離出去 ,我們將光軸與樣品口平面的法線方向設定成 3° 的夾角 ,這樣反射球上的探測器所探測到的信號就是漫反射光與規則反射光之和 ,即總的反射光強 .
由於光斑會聚成一個小點直接照在探測器上時 ,會降低探測器的線性度 . 為此 ,在參考通道及準直透射光強的探測中 ,我們也採用了積分球 (內徑為 70± 0. 5mm ) ,入光口大小為 7± 0. 1mm ,這樣將使光經過漫反射後均勻地照射在探測器的光敏面上 . 在準直探測中 ,為避免漫透射信號的影響 ,準直探測球與透射球之間的距離應大於700m m,在這裡我們將其設定為 800m m.在弱光信號檢測中 ,斬波及鎖定放大將能很好的消除背景光的干擾 .與常用的雙積分球系統相比 ,我們引入了參考測量監測光源功率的變化 ,以此消除光源波動對測量的影響 . 這是因為雙積分球系統採用的是相對的測量技術 ,各探測器 (光電二極體與光電倍增管 )所探測到的信號與入射到探測器上的光強成正比 ,因此對光功率的穩定性有著較高的要求 ,否則會給測量帶來較大的誤差.為同時測量反射、漫透射、準直透射信號 ,並實現對光源功率波動的監測 ,通過一個開關轉換電路 ,將四路信號分時送到鎖定放大器上 ,這一點通過計算機採集系統是很容易控制的 . 由於機械調製本身存在的局限性 ,我們將斬波器的頻率設定為 1000Hz,相應的鎖定放大器的積分時間設定為 30m s. 在對不同通道的信號進行分時採集時 ,為避免各路信號之間的相互影響 ,將每路信號採集的時間間隔設定為 500ms. 由於光源本身的波動非常緩慢 ,所以這樣的延遲對測量所帶來的影響是可以忽略的 .
雙積分球系統測量技術
雙積分球系統採用的是相對測量技術 ,即反射率、漫透射率及準直透射率都是相對於某個基線的測量 ,各量均介於 0～ 1,三者之和的量大值也不可能大於 1.球內壁上的探測器所探測到的信號與入射到探測器上的功率成正比 ,即V=K Pd ( 1)式中 K 取決於探測器的特性 . 實際上還有一些背景光 Vn ,它由探測系統的噪音及雜散光的大小決定 ,因此上式可改寫為Pd= K -1( V - Vn) ( 2)這樣就可以根據入射光功率 P、探測係數 K ,利用透射球外的第三個探測器對準直的透射光的測量 ,可得到準直的透過率Tc= (Vc - Vn ) Tref /(V C0- Vn ) ( 3)由於雷射束在不經過樣品直接照射到準直通道上時 ,所探測的信號會很大 ,所以在沒有樣品的情況下 ,常在樣品口放置一個衰減片 ,以避免探測的信號過大而超出鎖相放大的範圍 . VC0為準直通道相對衰減片所測得的值 , Tr ef為衰減片的透過率 (本系統採用的值為 6 % ) ,Vc 是在有樣品無衰減片時的測量值 .
雖然入射光功率可以直接測量 ,但為方便起見 ,常常把漫反射係數為 Rref ( 99. 9% )的標準片放在樣品口 ,通過相對測量來實現. 反射率 R與漫透射率 Td 的獲取與光源的準直性有關 ,它是通過以下幾個量的測量來實現的 .V(%) = (Vmeasure - Vn ) /( V0- Vpn ) ( 4)式中 V(% )為反射率 R或漫透射率 Td ,V n 與前面類似 ,是相應積分球上探測器的噪音 ; Vpn是在沒有樣品的情況下光穿過球時的測量值 ;而 V0是將標準的反射片 ( 99. 9% )放於樣品口 ,雷射照射在鏡片上時 ,探測器所探測的信號 . 所有的參考測量都是對單球而言的 . 如果雷射器的準直性較好 ,光路調整好以後均會有 Vpn≈ Vn,即無論入射口 (反射球 )或出射光口 (透射球 )擋住與否 ,都會有相同的測量值 . 事實上 ,由於我們實現了對光信號的調製 ,鎖定放大器消除了背景噪音的干擾 ,所以只要調整好光路 , 均有 Vpn≈Vn≈ 0.
雖然入射光功率可以直接測量 ,但為方便起見 ,常常把漫反射係數為 Rref ( 99. 9% )的標準片放在樣品口 ,通過相對測量來實現. 反射率 R與漫透射率 Td 的獲取與光源的準直性有關 ,它是通過以下幾個量的測量來實現的 .V(%) = (Vmeasure - Vn ) /( V0- Vpn ) ( 4)式中 V(% )為反射率 R或漫透射率 Td ,V n 與前面類似 ,是相應積分球上探測器的噪音 ; Vpn是在沒有樣品的情況下光穿過球時的測量值 ;而 V0是將標準的反射片 ( 99. 9% )放於樣品口 ,雷射照射在鏡片上時 ,探測器所探測的信號 . 所有的參考測量都是對單球而言的 . 如果雷射器的準直性較好 ,光路調整好以後均會有 Vpn≈ Vn,即無論入射口 (反射球 )或出射光口 (透射球 )擋住與否 ,都會有相同的測量值 . 事實上 ,由於我們實現了對光信號的調製 ,鎖定放大器消除了背景噪音的干擾 ,所以只要調整好光路 , 均有 Vpn≈Vn≈ 0.
光學特性參量的確定
在組織光學中 ,一般用吸收係數 _ a、散射係數 _ s及各向異性因子 g 表征生物組織的特性 . 積分球系統獲取組織光學特性參量 ,是通過總的反射、漫透射及準直透射的測量 ,再利用逆加摺疊 (簡稱 IAD)或 M onte Ca rlo方法來確定光學特性參量 . IAD方法作為一種疊代法計算起來非常快 ,在處理各向異性散射及處理邊界上的內部反射時很靈活 ,並可通過增加計算時間使其達到任意的精度 ; 而 Mo nte Carlo方法常常需要較長的運行時間 . 因此通過雙積分球測量 ,獲取生物組織光學特性參量時 ,一般都採用 IAD 方法.IAD方法由以下幾步組成: 1)猜參量 ; 2)利用逆加摺疊計算反射率和透射率 ; 3)將測量值與計算值進行比較 ; 4)檢查是否滿足精度 ,否則重複前三步 .
農產品光學參數測量的雙積分球系統
利用近紅外光譜技術對穀物、水果、肉品等農產品進行定量分析已經十分普遍,這種定量方法是基於化學計量學的思想建立化學值與光譜數據間的關係。隨著套用和研究的不斷深入 ,針對其適用性和分析精度 ,研究人員進行了一些探索,鑒於農產品是對光具有吸收、散射作用的多組分複雜體系 ,目前對其組織內部光輸運規律研究不多 ,一般是將散射等引起的變化 (光學路徑變化 )歸結到光譜形狀的變化,由於散射作用將引起模型不穩定和較大的誤差。為了進一步提升近紅外光譜技術在農產品品質分析領域套用的適用性和準確性 ,應從生物組織內部入手來研究光和樣品的相互作用 ,直接或間接地得到吸收係數 _ a、散射係數 _ s 和各向異性因子 g 等光學參數 ,將散射與吸收係數分開 ,進而計算出物質含量。
測量原理
光在生物組織中的輸運過程中包含吸收和散射作用兩個部分 ,研究光在生物組織中輸運要解決兩方面的問題: 1)描述在光學參數已知條件下 ,研究光子在組織內部的輸運過程和規律 ,例如 ,漫射方程及在一定邊界條件下的解、 Mo nte Carlo仿真模型等 ; 2)由測試數據反演出組織的吸收係數、散射係數和各向異性因子等光學參數。 為了得到農產品的光學參數 ,採用雙積分球系統的測量方法,其原理是將一片薄片樣品 (如鮮肉組織 )置於兩個積分球之間 ,當一束雷射入射樣品的時候 ,同時對兩個積分球內所收集的漫反射光和漫透射光進行檢測 ;此外 ,還要同步檢測雷射傳播方向上距離漫透射積分球 60 cm以外的準直透射光信號 ,這樣同時得到漫反射率 Rd、漫透射率 Td 和準直透射率 Tc三個物理量 ,進而運用一種光傳輸模型的逆算法反演出組織的吸收係數_ a、散射係數_ s和各向異性因子 g 等光學參數 ,逆倍增 ( Inverse Adding-Doubling, IAD)算法是其最常用也是最快速準確的一種算法。
光在生物組織中的輸運過程中包含吸收和散射作用兩個部分 ,研究光在生物組織中輸運要解決兩方面的問題: 1)描述在光學參數已知條件下 ,研究光子在組織內部的輸運過程和規律 ,例如 ,漫射方程及在一定邊界條件下的解、 Mo nte Carlo仿真模型等 ; 2)由測試數據反演出組織的吸收係數、散射係數和各向異性因子等光學參數。 為了得到農產品的光學參數 ,採用雙積分球系統的測量方法,其原理是將一片薄片樣品 (如鮮肉組織 )置於兩個積分球之間 ,當一束雷射入射樣品的時候 ,同時對兩個積分球內所收集的漫反射光和漫透射光進行檢測 ;此外 ,還要同步檢測雷射傳播方向上距離漫透射積分球 60 cm以外的準直透射光信號 ,這樣同時得到漫反射率 Rd、漫透射率 Td 和準直透射率 Tc三個物理量 ,進而運用一種光傳輸模型的逆算法反演出組織的吸收係數_ a、散射係數_ s和各向異性因子 g 等光學參數 ,逆倍增 ( Inverse Adding-Doubling, IAD)算法是其最常用也是最快速準確的一種算法。
IAD算法
IAD算法是 AD算法 (一種正向光傳輸模型 ,稱之為倍增模型 )的求逆算法 , AD倍增模型的基本思想是:對於一片已知光學參數的光學薄層 S 1 來說 ,若它的漫反射率和漫透射率是已知的 ,那么對於兩倍於它厚度的同樣光學性質的另一光學薄層 S2 來說 ,其漫反射率和漫透射率就相當於把原來兩片相同的光學薄層 S 1 並置在一起進行加倍 ( Doubling)計算得到的漫反射率和漫透射率 ,通過這種處理 ,薄層厚度即可成倍地增加 ,一直達到所期望的組織厚度為止 ,同時計算出該組織的總漫反射率和總漫透射率 ;對於不同光學性質的其他介質層也可以採用同樣的方法來處理 ,然後將幾個介質層的漫反射率分量和漫透射率分量進行加和 ( Adding )計算 ,這樣得到包含若干層結構的總漫反射率和總漫透射率。“玻璃 - 樣品 - 玻璃”就是這樣一個典型的 3層結構。
IAD算法主要包含四個步驟: 1)根據實測的漫反射率、漫透射率和準直透射率來估計一組光學參數 ,把它們作為疊代初始值 ; 2)將這組光學參數代入 AD算法來計算實測物理量所對應的理論值 ; 3)通過實測值和理論值兩者之間的比較來確定下一步驟的操作 ; 4)如果已經達到設定的精度 ,那么當前所設定的光學參數就是最後的輸出結果 ;否則 ,根據比較結果重新設定一組光學參數 , 就是最後的輸出結果 ;否則 ,根據比較結果重新設定一組光學參數 ,然後重複這個過程 ,直到輸出最後結果或者超出疊代最大步驟為止。
IAD算法主要包含四個步驟: 1)根據實測的漫反射率、漫透射率和準直透射率來估計一組光學參數 ,把它們作為疊代初始值 ; 2)將這組光學參數代入 AD算法來計算實測物理量所對應的理論值 ; 3)通過實測值和理論值兩者之間的比較來確定下一步驟的操作 ; 4)如果已經達到設定的精度 ,那么當前所設定的光學參數就是最後的輸出結果 ;否則 ,根據比較結果重新設定一組光學參數 , 就是最後的輸出結果 ;否則 ,根據比較結果重新設定一組光學參數 ,然後重複這個過程 ,直到輸出最後結果或者超出疊代最大步驟為止。
