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%。

Integrating sphere technique is widely used to measure the total reflectance and transmittance of turbid sample, but the unavoidable light loss induces some measuring error. It has never been reported whether the error depends on the shape and size of light beam. In this paper, a convolution for computing the responses to rectangular incident light beam based on the Monte Carlo method was presented. The effects of light beam shape and size, and optical properties of sample on the measurements were addressed. The results show that the light loss with rectangular incident light beam is larger than that with circular one with the same area. The more the area of light beam, the more the light loss. And the light loss induced by the optical properties of sample is much more significant than that by the shape and size of the incident light beam.

为了得到宽光谱波段范围内光谱可调多色温多星等能量分布的星模拟器光源, 并且达到星模拟器光源的自动标定, 本文从辐度学和色度学出发, 基于最小二乘法, 在400 nm～900 nm光谱范围内, 采用双积分球法, 以白光LED光源为基底光源, 多种不同峰值波长的窄带LED光源对目标光谱进行补偿以实现色温3 900 K～6 500 K连续可调, 星等-1 MV～+6 MV, 1 MV可调的自动标定型多光谱星模拟器光源系统.最后, 在实验室完成了光源系统以及与相应的光学系统形成星模拟器并对其进行装配调试, 所测得的光谱分布和星等值与理论模拟结果以及标准目视星等值进行了对比.星模拟器输出光谱点模拟误差和星等误差分别在±10%和±10%范围内, 满足现阶段星模拟器的使用要求.同时在后期控制电路稳定的情况下, 星等误差可保证在±5%范围内.

针对大口径宽视场光学遥感器的相对辐射校正要求, 研究大口径积分球参考光源输出的均匀性.利用空腔辐射传输理论, 从发光单元辐出度分布及安装位置角度分析了积分球参考光源的均匀性, 分别在积分球出光口中心法线±30°~±36.8°、±30°~±45°位置安装点光源(卤钨灯)、近郎伯型面光源(LEDs)并进行优化设计.研制了直径为3 m, 开口直径为1 m的基于LEDs和卤钨灯的积分球参考光源, 并检测了参考光源的均匀性。检测结果表明, 积分球出光口Φ890 mm内的面均匀性、±60°以内的角度均匀性均优于99%, 与分析结果一致.

为现场测量大型透明件的透光率和雾度，提出了基于双积分球结构的测量和系统参数标定方案，并设计研制了相应的透光率和雾度测量装置。该装置通过六维机械调整装置完成光路调整，基于LED光源的照明准直系统产生调制平行光，最后采用双积分球结构的探测接收装置并结合锁相放大技术，实现光电信号的解调。测试结果表明，该装置对透光率测量的绝对误差不超过1%，对雾度测量的绝对误差不超过0.3%，符合工程应用对系统测量精度提出的要求。另一方面，装置具有很好的重复性，其对透光率和雾度测量的相对标准差分别为0.06 %和0.05%。

为了实现大口径、宽视场光学遥感器的辐射定标，研制了新型的直径3 m、出光口直径1 m的可变光谱积分球光源。采用多种波长的发光二极管密集阵列发光单元, 结合卤钨灯发光单元，在400~2500 nm波段实现了绝对辐亮度和光谱分布的动态可调, 开发了光谱自动匹配算法，能够模拟阳光、海水、植被、沙漠等典型目标光谱。参考光源采用循环水冷温控和高精度可编程直流电源驱动技术，保障了光源的稳定性。检测结果表明：光源角度均匀性在±60°以内优于99.4%，面均匀性优于99.5%，2 h内稳定性优于99.8%。

Accurate measurement of the optical properties of biological tissue is very important for optical diagnosis and therapeutics. An artificial neural network (ANN)-based inverse reconstruction method is introduced to determine the optical properties of turbid media, which is based on the reflectance (R) and transmittance (T) of a thin sample measured by a double-integrating-spheres system. The accuracy and robustness of the method has been validated, and the results show that the root mean square errors (RMSEs) of the absorption coefficient \mu a and scattering coefficient \mu′ s reconstruction are less than 0.01 cm^-1 and 0.02 cm^-1, respectively. The algorithm is not only very accurate in the case of a lower albedo (~0.33), but also very robust to the noise of R and T especially for the \mu′ s reconstruction.

介绍了一种基于近红外LD光源及锁相检测技术的双积分球组织光学参量测量系统,波长范围为1 300 ~1 600 nm,正弦电调制光信号,光开关切换不同波长.提出了积分球系统改进措施,测量了散射/吸收混合溶液在1 310 nm下的光学参量,结果显示,约化散射系数和吸收系数的测量相对偏差分别<5%和10%.

为了研究激光辐照过程中芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧两种复合材料吸收特性的变化情况,采用双积分球-光电管测试系统和对实验回收样品进行微观分析的方法,得到了两种复合材料在1.319μm连续激光辐照过程中吸收率的变化结果。在烧蚀前,材料的吸收率随激光功率增大而缓慢减小,芳纶纤维/环氧材料从0.6减小到0.55,碳纤维/环氧材料从0.85减小到0.8;当材料发生烧蚀时,芳纶纤维/环氧材料的吸收率迅速增大,而碳纤维/环氧材料的吸收率无明显变化。结果表明,烧蚀对芳纶纤维/环氧材料的吸收特性影响较大,对碳纤维/环氧材料无明显影响。