用于微区漫反射测量的高分辨率多点探测系统

王利军，朱宗平，蔡 实，张 磊，邹 雷，王 伟

（中国人民解放军63963部队，北京100072）

0 引言

微区漫反射光是指通过入射激光照射漫反射介质，在其表面距离入射光源几个毫米半径范围内的漫反射光，这些光信号携带了介质内部及表面的大量光学信息。通过研究漫反射光信号，可以反演获得介质的吸收系数、反射系数等光学特性参数。从而可以对介质的局部进行光学特性的判断和分析，对漫反射材料的光学性质研究以及微型精密器件的光学检测具有重要意义。

空间分辨率（探测位置点之间的最小距离）和探测位置点的数量是影响光学参数获取精度的重要因素。空间分辨率越高，探测位置点越多，则反演获取光学参数的精确度越高。而现有的反射光强测量方式（光纤扫描式和探针式）对于微区范围而言局限性很大。如南开大学光子学中心曾利用光纤扫描方式对微区漫反射光进行了探测［1］，该方式的最大缺点是扫描过程中的不稳定因素太多，造成的测量误差较大，因此逐步被探针式取代。F.Bevilacqua［2］曾对探针式进行过研究，其空间分辨率为0.2mm，探测点数为6 个。T.Joshua Pfefer［3］测量了高吸收介质的漫反射分布，探测范围为0.23～2.46 mm，探测点数为6个。空间分辨率低，探测位置点少导致测量结果不能充分反映和描述微区漫反射光分布情况。本文针对目前空间分辨率低和探测点数少的问题，设计了高分辨率多点自动化探测系统。

1 漫反射实验测量方法

微区漫反射实验测量方法分为绝对式和相对式。绝对式是根据反射率的定义测量介质表面漫反射率的绝对值R（ρ），再通过理论模型［4］或数值模型反演得到介质的光学特性参数，其中：

式（1）中，ρ 为探测位置与入射光源的距离，I（ρ）为不同距离ρ 处的漫反射探测光强，I0为入射光强。式（1）表明，绝对测量需要精确获得入射光的强度和探测器在不同位置ρ处接收到的漫反射光的强度，通常实现起来比较困难，因此绝对式测量应用较少。Alwin Kienle［5］曾进行过漫反射的绝对式测量研究，但通过该方式得到的吸收系数的均方根误差高达到14%。与之相比，相对式测量则误差较小且容易实现，目前应用较多。该方式是测量介质表面漫反射光强度的相对值，利用反射率已知的标准参照物（通常为朗伯体，如Baso4）对探测系统进行校准和定标，通过测量未知介质的漫反射电压值与已知参照物的漫反射电压值的比率来得到前者的漫反射率R（ρ），再通过理论模型或数值模型反演得到介质的光学特性参数，其中：

式（2）中，V0（ρ）为标准参照物的漫反射测量电压值，V（ρ）为未知介质的漫反射测量电压值，R0为标准参照物的漫反射率。

基于相对式实验测量方法，微区漫反射光强的探测方式有两种，光纤扫描式和探针式。光纤扫描式探测是利用单根平切光纤接收光信号，通过光纤在介质表面的移动式扫描，实现对不同位置处漫反射光信号的探测。该方式的最大优点是能够根据实验的需要调整测量的空间范围和空间分辨率，其缺点是光纤移动的不稳定往往会给探测结果带来较大的误差。探针式探测是利用一个内部包含多根光纤的阵列式微型探针实现对漫反射光的探测。由于探针具有微型化的整体结构，因而能够实现复杂环境中的内窥式探测。

2 高分辨率多点自动化探测系统

2.1 探测系统总体描述

探测系统主要由激光光源、光开关、光纤探针、光电倍增管（PMT）、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡（DAQ）和计算机组成，如图1所示。激光光源为650nm 激光二极管，最大输出功率20mW，利用锁相放大器输出电脉冲对激光二极光进行脉冲调制，输出激光通过耦合光纤与1×2光开关的输入通道相连；1×2光开关的两个输出通道与光纤探针的两根照射光纤相连，通过两个通道之间的切换，改变了照射光纤与探测光纤之间的距离；1×6光开关的6个输入通道与光纤探针的6根探测光纤相连，输出通道与PMT 连接；PMT 输出的电流信号经前置放大器和锁相放大器转化为电压信号并放大；利用LabVIEW 对光开关和DAQ 进行编程控制，实现对0.125～1.25 mm 范围内10 个位置的漫反射光信号的自动测量。实验前利用积分球系统产生的标准漫反射光对光纤探针进行了标定，并通过探测已知漫反射率的样品对整套探测系统进行了校准。

图1 微区漫反射光信号探测系统Fig.1 Small region diffuse reflectance signal detecting system

2.2 光纤探针设计

光纤探针截面如图2所示。它是由12根相同规格的光纤（φ=125μm，NA=0.275）组成的一维光纤阵列，阵列宽度为1.5 mm，固定在直径为2 mm 的不锈钢套管中。光纤阵列中，序号左起第1号光纤和第12号光纤作为照射光纤（激光入射），第2号至第7号光纤为探测光纤（接收入射激光经介质反射后的光信号），第8号至第11号光纤仅起支撑固定作用。

图2 光纤探针图Fig.2 Optical fiber probe

2.3 光开关及其控制

探测系统中采用的两个光开关分别为FSW 1×2-MM 和FSW 1×6 多模光开关。利用Lab-VIEW 编程对光开关进行控制，实现了各通道的自动选通，提高了探测效率。1×2光开关的作用是对两根照射光纤进行通道选通，1×6光开关的作用是对第2号至第7号探测光纤进行通道选通。当1×2光开关选通第1号光纤作为照射光纤时，1×6光开关对2-7号探测光纤依次进行通道选通，由此实现对0.125 mm、0.25 mm、0.375 mm、0.5 mm、0.625mm 和0.75 mm 六个位置的漫反射光强探测；同样，当选通第12号光纤作为照射光纤时，1×6光开关依次对5-2号探测光纤进行通道选通，实现 对0.875mm、1mm、1.125mm 和1.25mm 四个位置光信号探测。因此，整个过程通过两个光开关和一个光电探测器（PMT）实现了对微区0.125～1.25mm 范围的10个位置的漫反射光强探测。通常情况下，进行空间多点探测需要采用多个光电探测器，增加了系统校准的难度，而光开关的巧妙利用使整个探测系统变得紧凑而简便。

FSW1×2-MM 光开关的通道切换是通过LabVIEW 编程控制数据采集卡的两个计数器输出控制电脉冲驱动光开关动作的，电脉冲的宽度要求20～30ms范围。对FSW 1×6光开关编程控制是通过计算机并口实现的，并口模块的LV 编程控制是连接计算机电控制与光开关机械动作的关键［6-7］。光开关配备了标准并口和数据连接线，通过光开关数据位与并口管脚的对应关系，将LV 编程控制设计为五个部分：开始—复位—选通—复位—结束，通过6次循环，依次实现对6个光通道的选通，框图程序如图3所示。

图3 光开关控制LV 框图程序Fig.3 LV program of optical switch control

2.4 光电转换与数据采集

光电转换部分主要包括调制激光器、PMT、锁相放大器三部分。考虑到微小光信号的探测过程容易产生较大的噪声，为了减小噪声对探测结果的影响，在光电转换部分引入了锁相放大系统，将连续激光输出改为通过锁相放大器电信号调制的激光脉冲输出，将PMT 得到的反电信号进行频率锁定放大。数据采集部分采用NI数据采集卡，利用LabVIEW编程实现数据自动采集与存储［8］。数据采集程序主要过程包括三部分：信号监测、数据采样和数据保存，前面板界面如图4所示。信号监测用于判断预采集信号是否到达稳定状态，即对采集前的实时信号监测。数据采样与保存是对电压信号进行实时采样并将采样数据保存到指定路径，根据实验需要设定采样速率、采样点数和保存数据长度。

图4 曲线监测和数据存储界面Fig.4 interface of curve monitor and data acquisition

3 实验结果及验证

实验前对探测系统整体性能进行了测试，具有较好的重复性和稳定性，在此基础上对介质（Intralipid-10%溶液）漫反射进行了探测，结果与Monte Carlo数值模拟曲线以及理论模型（漫射近似外推边界条件下）的计算结果进行了比较，如图5所示。图中的RMeasure，10%对介质表面连续15次测量的平均值，RMC，10%为Monte Carlo模拟曲线，模拟中的光学参数分别取散射系数μs=326.6cm-1，吸收系数μa=0.005cm-1，各向异性因子g=0.82。高斯光束半径R=0.00 625cm，光束发散角θ=0.2 79rad，光子数106个。图中RDA，10%为漫射近似曲线。由图得出实验曲线RMeasure，10%与Monte Carlo模拟曲线RMC，10%符合较好，最大相对误差为4.76%，探测结果与Monte Carlo模拟结果的比较表明了实验结果的正确性。而与理论计算曲线RDA，10%差别较大，其原因为理论模型已不能充分描述微区漫反射分布情况。

图5 实验结果验证曲线图Fig5 Curve of experiment results test

4 结论

本文设计了用于微区漫反射光信号探测的高分辨率多点自动探测系统。该系统利用特制探针将探测的空间分辨率提高为0.125 mm，通过引入两个光开关使得探测点数增加为10个。仿真验证表明，对介质表面0.125～1.25mm 漫反射光信号的探测实验结果与数值模拟结果吻合较好，验证了探测系统的可靠性。实现了对微区漫反射的高空间分辨率多点自动化探测，在一定程度上解决了现有探测方式存在的局限性。在此基础上，下一步拟进行光学性质参数反演以及反射介质材料光学特性研究。

［1］许棠.生物组织中的光传输及生物组织光学特性参数测量的研究［D］.天津：南开大学物理学院，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］张志虎，李铁，杨小军，脉冲激光照射下目标散射特性研究［J］.探测与控制学报，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］刘君华，郭会军 .基于LABVIEWE 的虚拟仪器设计［M］.北京：北京电子工业出版社，2003.

［7］龙 华 伟，顾 永 刚.LABVIEW8.2.1 与DAQ 数 据 采 集［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［8］付巍，崔占忠.基于虚拟仪器的目标静电信号采集显示系统［J］.探测与控制学报，2009，31（4）：5-8.