短波红外(short-wave infrared, SWIR)一般指900~1 700 nm的光波段, 是肉眼不可见的光波段, 这种波段目前主流的探测器以InGaAs为主, 主要用于**、 生物以及材料光谱分析等领域。 短波红外荧光成像以其对生物组织光学损伤小、 成像深度大、 成像信噪比高、 空间和时间成像分辨率高等特点, 使得基于InGaAs探测器的生物光学成像成为生物组织观测领域的研究焦点。 生物光学窗口的多窗口宽谱段的荧光光谱特性, 使得可以对生物组织采集多谱段的光谱图像, 以此来观察生物组织的在不同光谱照明下的结构特性。 针对生物光学窗口的光谱特性, 设计了一种基于InGaAs探测器的多谱段的小鼠静脉成像系统, 可以无接触采集小鼠静脉红外光谱图像, 对测小鼠的静脉红外光谱。 设计的基于InGaAs探测器的短波红外探测器, 可以实现最高5 000 ms的积分时间; 积分时间的延长, 显著地提升了静脉成像的信噪比, 同时其光谱响应特性很好的覆盖了第二生物光学窗口以及第三生物光学窗口。 针对光学显微特性的成像特点以及静脉组织在图像中的特征表达, 设计了一种新型的单光谱多焦距融合算法, 可以很好的实现静脉图像的红外光谱观测。 提出了一种基于多尺度梯度域引导滤波(gradient domain guidedfilter, GDGF)多焦距融合算法, 来补偿显微特性的成像缺陷。 通过多尺度梯度域引导滤波算法, 实现对显微对焦区域的提取, 进而实现对融合决策函数的计算, 最后再通过梯度域引导滤波将得到的融合决策函数精细化处理最终得到我们的融合算法的最终决策融合函数。 实验表明, 设计的InGaAs短波红外探测器很好的满足了对小鼠静脉荧光光谱成像的需求, 分别实现了针对小鼠静脉的1 100, 1 250和1 350 nm等多个波段的光谱成像, 以及在同一激光照明下实现多个焦距下的光谱成像。 同时设计的融合算法很好的提取了小鼠静脉图像的对焦区域, 在将多焦距图像融合的同时又减少了噪声的引入, 实现了高质量全局静脉成像。
光谱成像 梯度域导向滤波 对焦像素检测 静脉荧光光谱 短波红外光谱 光学穿透深度 Spectral imaging GDGF Focus pixel region measure Fluorescent spectroscopy of vein Spectrum of short wave infrared Optical penetration depth 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1109
1 华南师范大学生物光子学研究院教育部激光生命科学重点实验室，广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室，广东 广州 510631
3 福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007
4 中山大学附属第一医院心胸外科，广东 广州 510080
研究脉冲超声强度为0~0.8 W/cm2时的不同强度超声对在体的人皮肤中甘油溶液的渗透性和光穿透深度的影响。实验采用光学相干断层扫描（OCT）成像技术做定量连续的测量。研究结果表明，脉冲超声强度为0~0.8 W/cm2时，超声具有加速甘油溶液渗透、增强光穿透皮肤的能力，且皮肤的光透明效果随超声强度的增加而增大。以仅施加甘油溶液的样品为对照组，而施加超声作用及甘油溶液的样品为实验组。实验组和对照组的比较结果表明，在分别经超声强度为0.2，0.4，0.6，0.8 W/cm2的超声处理的人体皮肤中，15%甘油的平均渗透系数与仅施加15%甘油处理的人体皮肤相比分别增加了2.6%，9.5%，14.7%，19.8%。脉冲超声处理的30%甘油在人体皮肤中的渗透系数分别高于仅施加30%甘油处理的对照组3.7%，12%，16.7%，22.2%。结论表明，应用强度为0.2~0.8 W/cm2的超声，甘油的平均渗透系数随超声强度的增加而增加。
生物技术 在体皮肤 生物组织光透明 光相干断层成像术 渗透系数 1/e光穿透深度 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1017001
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型, 并给出了皮肤组织各层的特性参数; 考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性, 依据皮肤组织各层的水、 血、 脂肪、 血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数; 对不同波长散射系数做了适当简化, 给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。 利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400～1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程, 并通过统计大量光子的分布特性, 获得了皮肤组织光谱反射系数, 并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。 仿真结果表明, 当入射光强一定时, 绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。 通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度, 获得了皮肤组织光谱穿透深度。 结果显示, 血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小, 蓝光大部分只能达到表皮层, 绿光能到达微循环层, 红光可直达真皮层。 考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程, 基于此, 根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度, 利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。 结果表明, 不同波长光产生深度大于其穿透深度, 蓝光产生深度较浅, 且其受到的血液吸收调制较小, 因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰; 红光的容积脉搏波产生深度较大, 但是相比于绿光其受血液吸收调制较小, 且绿光产生深度足够达到真皮血管层, 因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。 上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性, 为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。
皮肤组织 光谱散射 光谱吸收 光谱穿透深度 光谱产生深度 Skin tissue Spectral scattering Spectral absorption Spectral penetration depth Spectral generation depth 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1071
刘宸 1,2,3,4王庆艳 2,3,4黄文倩 2,3,4陈立平 1,2,3,4[ ... ]王晓彬 2,3,4
1 西北农林科技大学机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100
2 国家农业智能装备工程技术研究中心, 北京 100097
3 农业部农业信息技术重点实验室, 北京 100097
4 农业智能装备技术北京市重点实验室, 北京 100097
拉曼高光谱成像技术不仅可以获取样本的空间分布信息, 图像上每个像素点还包括了完整的光谱信息, 因其信息量丰富的特点已在食品安全检测方面得到了应用。 本研究探索拉曼高光谱成像系统中光在奶粉层中的穿透深度, 以及采集参数和奶粉类型对穿透深度的影响。 实验选取均匀奶粉层样品放置于厚度为5 mm的三聚氰胺样本之上, 检测奶粉层厚度为0.8～4.0 mm时的三聚氰胺特征峰强度, 以此评估光在奶粉层中的穿透性和信号衰减情况。 结果显示当奶粉层厚度一定时, 随着激光功率变大, 拉曼特征峰值随之增加, 此外更长的曝光时间也可以使拉曼信号得到增强。 在激光功率不小于2 W且曝光时间不小于500 ms时, 光在全脂奶粉层的穿透深度可达4 mm。 奶粉层厚度在0.8～4.0 mm范围内, 穿透奶粉层的拉曼信号随着奶粉层厚度增加呈指数式衰减。 在激光功率为8 W、 曝光时间为1 000 ms的条件下, 光在全脂、 低脂和脱脂奶粉层的穿透深度均达到了4 mm。 在相同测量厚度下, 通过脱脂奶粉层接收的拉曼信号弱于通过全脂和低脂奶粉层接收的拉曼信号强度。 研究结果为拉曼高光谱检测中奶粉样品的前处理提供了有益参考。
拉曼光谱 高光谱成像 奶粉 穿透深度 三聚氰胺 Raman spectroscopy Hyperspectral imaging Milk powder Penetration depth Melamine 光谱学与光谱分析
2017, 37(10): 3103
对基于微纳光纤倏逝场效应气体传感器的研究进展进行了综述，同时也阐述了其原理及面临的问题。着重介绍了3 种微纳光纤气体传感器，包括直接基于微纳光纤倏逝场效应气体传感器、微纳光纤表面涂覆敏感薄膜的气体传感器和微纳光纤与其他光学微结构相结合的气体传感器。虽然，这些研究取得了一些成果，但还面临诸多问题和挑战。相信随着研究的不断深入，基于微纳光纤倏逝场效应气体传感器仍有可能凭借其独特的性能优势成为现存气体传感器的有力竞争者。
光纤光学 微纳光纤 气体传感器 倏逝场 有效穿透深度 激光与光电子学进展
2015, 52(10): 100003
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系， 天津 300072
2 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室， 天津 300072
为了实现对甘油光透明效果的定量描述，引入组织仿体模拟皮肤的光学参数，分别利用双积分球系统及近红外光谱仪对含有不同浓度甘油的皮肤仿体的光学特性进行测量，研究甘油浓度变化对皮肤仿体光透明效果的影响。结果表明，在632.8 nm处随甘油浓度的增加皮肤仿体的散射系数降低，光穿透深度也得到提高，最大能提高48.76%；同时，皮肤仿体在近红外波段的透射能量也随着甘油浓度的增加而增大，即总衰减系数降低，从而表明利用皮肤仿体可描述甘油引起的光透明效果与甘油浓度变化的定量关系。
生物光学 皮肤仿体 光透明 甘油 散射效应 光穿透深度 总衰减系数 激光与光电子学进展
2011, 48(2): 021702
采用特征矩阵法分别计算奇、偶数层布喇格反射镜的反射相移,利用反射时延与反射相移的关系给出了其穿透深度的表达式.采用电子束热蒸发的方法制备了结构为［HL］2H的布喇格反射镜,并制作了有机微腔器件,测量和计算了其透射光谱、反射相移和穿透深度,得到了微腔的有效腔长,测量值与实验值吻合较好,验证了该穿透深度公式的正确性.
光学微腔 有效腔长 反射相移 反射时延 穿透深度 Optical microcavity Effective cavity length phase shift Reflection delay Penetration depth
廊坊师范学院 物理与电子信息学院物理系, 河北 廊坊 065000
利用透射波函数和由菲涅尔公式求解反射相位差并对其求导的方法, 分析了非常偏振光在单轴晶体表面发生的全反射现象, 求解出晶体光轴在入射面内时, 非常偏振光从各向同性介质入射到晶体和从晶体出射到各向同性介质两种情况的隐失波穿透深度和Goos-Hnchen位移的一般表达式。通过计算机模拟给出了单轴晶体为方解石和水晶情况时的穿透深度和Goos-Hnchen位移图像。结果表明, 对于不同的晶体, 光轴的取向对穿透深度和Goos-Hnchen位移的影响是明显不同的, 若选取合适的晶体、光轴取向和入射角, 可以得到较大的隐失波穿透深度和Goos-Hnchen位移。
物理光学 单轴晶体 隐失波 穿透深度 Goos-Hnchen位移 physical optics uniaxial crystal evanescent wave penetration depth Goos-Hnchen shift
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室国家光学仪器工程技术研究中心，杭州 310027
利用有限元方法对光在二维牙齿双层有限尺寸模型中传输的扩散方程进行求解，获取了光能在组织体内部的分布情况，并对牙釉质和牙本质在不同光学参量模型下的光学穿透深度进行仿真分析.结果发现，穿透深度随牙釉质散射系数的增大而减小，随牙本质的散射系数增大而增大.但牙釉质的穿透深度随散射系数的变化率(βe=0.007 97)要远远大于牙本质(βd=0.000 828).采用Monte Carlo随机统计方法验证了本文有限元求解扩散方程的正确性.
组织光学 牙齿 穿透深度 有限元 散射系数 Tissue optics Teeth Penetrate depth Finite Element Analysis(FEA) Scattering coefficient
针对金属反射相移计算时电磁波相位符号表述混乱导致错误的穿透深度计算结果现象，通过理论推导得出电磁波两种相位表述符号下对应的金属复折射率有两种不同形式，从而导致金属反射相移位于不同的象限，穿透深度和反射相移之间的关系式也相应的有两种结论.并通过调节Ag膜的厚度制作了一系列对称全金属λ/2腔器件，器件结构为Glass/Ag/LiF/Ag.通过比较Ag膜穿透深度的实验结果和计算值，验证了其中一种金属穿透深度公式的正确性.
光学微腔 有效腔长 反射相移 穿透深度 Optical microcavity Effective cavity length Phase shift Penetration depth
