6 积分球技术测量组织光学特性参数的理论与技术.pdf

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1、积分球技术测量组织光学特性参数的理论与技术积分球技术测量组织光学特性参数的理论与技术朱2?积分球反射与透射测量原理积分球反射与透射测量原理?双积分球测量原理双积分球测量原理?积分球测反射与透射的方法积分球测反射与透射的方法?组织光学特性参数的计算组织光学特性参数的计算?误差来源误差来源?典型积分球系统典型积分球系统主要内容主要内容3积分球反射与积分球反射与Lambertain表面表面?不管光源以怎样的照明分布照射此表面，它将接收并反射所有的入射照明，从所有视场方向上观测都能得到相同亮度，表面不吸收任何入射光。不管光源以怎样的照明分布照射此表面，它将接收并反射所有的入射照明，从所有视场方向上观测

2、都能得到相同亮度，表面不吸收任何入射光。4积分球反射与透射测量原理积分球反射与透射测量原理5球内的第一次反射球内的第一次反射?功率为功率为P的光照射到球壁上，首次反射的功率为的光照射到球壁上，首次反射的功率为?表面积为的探测器第一次探测到的光为表面积为的探测器第一次探测到的光为?样品、入光口、球壁上样品、入光口、球壁上12mPAmPAmPmPAsmPAhmP()AhAsA+=16球内第二次反射球内第二次反射?若探测器表面的反射率为若探测器表面的反射率为r，那么第一次反射的光入射到探测器后将会有部分光被反射，到达球壁及样品上的光同样会被反射。，那么第一次反射的光入射到探测器后将会有部分光被反射，

3、到达球壁及样品上的光同样会被反射。?探测器、样品及球壁上反射出来的光功率为：探测器、样品及球壁上反射出来的光功率为：mPFmPAsRmPmmPArd=+AsRmArFd+=7第二次反射光均匀分布于整个球上第二次反射光均匀分布于整个球上?探测器探测器?样品样品?球壁球壁?一次一次反射在探测器上产生的辐射功率为一次一次反射在探测器上产生的辐射功率为.mPFAmPFAsmPFmPFFA1nmPFA8探测器总共收集的光功率为探测器总共收集的光功率为?无数次反射后探测器收集的光功率为无数次反射后探测器收集的光功率为Pd?F1:().1132+nFFFFmPA()()PArAsRmmAPFmAPdd+=1

4、19准直入射准直入射?规则反射规则反射?漫反射漫反射?当规则反射的光入射到球壁时（如入射光不是垂直照射到样品上），在球壁上产生的漫反射为当规则反射的光入射到球壁时（如入射光不是垂直照射到样品上），在球壁上产生的漫反射为PRcPRcdPmRc10准直入射时探测器探测的光准直入射时探测器探测的光?光源相当于样品的规则反射光与漫反射光的总和，探测器上所收集到是多次反射的总和光源相当于样品的规则反射光与漫反射光的总和，探测器上所收集到是多次反射的总和()()PArAsRmRmRAPFmAPdcdcd+=1111透射测量透射测量PTdcdT Pcm T P12透射测量透射测量?当漫射光入射到样品上时，探

5、测器上所探测的总功率为：当漫射光入射到样品上时，探测器上所探测的总功率为：?当准直光入射到样品上时，探测器上所探测的总功率为：当准直光入射到样品上时，探测器上所探测的总功率为：()()11dddTmPPPAFAmRs ArA=+()()11cdcddTm TmPPPAFAmRs ArA+=+13双积分球测量原理双积分球测量原理?漫入射漫入射?准直入射准直入射14漫入射漫入射?光入射到反射球上光入射到反射球上?入射到样品上的光入射到样品上的光?透射球上的探测器所探测能量透射球上的探测器所探测能量?透过样品的光又会返回到样品上作为反射球的第二个光源透过样品的光又会返回到样品上作为反射球的第二个光源

6、1dmPPA F=1dsFmRrAA=+1ss mPPA F=1111ddss mPT PPA FA F A F=111sdssPT PA F=PVmAsPs=1PVmAsPs=1211ddddsT TsmsPT PPA FA AF F F A F=15漫入射时的反射与透射漫入射时的反射与透射?反射球探测的总功率反射球探测的总功率?透射球探测的总功率透射球探测的总功率PTTVmAPd=11PTTVmTAsAPdd=11VTAsTd=VTAsTd=16准直入射时的反射与透射准直入射时的反射与透射?反射球探测的总功率反射球探测的总功率?透射球探测的总功率透射球探测的总功率()PTTVTmTTmRR

7、APccdccdd)1(+=()PTTVmRRTmTTAPccdccdd)1(+=17两球之间的能量交换两球之间的能量交换?第三种漫射光源：首次照在样品上的准直光，它通过样品进入到透射球中，而其中的一部分光又通过样品返回到反射球内第三种漫射光源：首次照在样品上的准直光，它通过样品进入到透射球中，而其中的一部分光又通过样品返回到反射球内PRcdPmRcPTcdPTmc()()PTmTTPVTmTTAsccdccdd+=+18挡板的作用挡板的作用?挡板放在球内样品与探测器之间，从而可避免样品上的规则反射光直接照在样品上。挡板放在球内样品与探测器之间，从而可避免样品上的规则反射光直接照在样品上。?可

8、忽略来自样品的规则反射项可忽略来自样品的规则反射项19反射率与透过率的测量方法反射率与透过率的测量方法?准直入射能获得更准确测量值准直入射能获得更准确测量值?样品测量前校准样品测量前校准?暗噪声的测量暗噪声的测量?杂散光的测量杂散光的测量?标准样品的测量标准样品的测量?样品测量样品测量?单积分球单积分球分别测反射与透射分别测反射与透射?双积分球双积分球同时测反射与透射同时测反射与透射20校准校准detectorbaffleno sampleVpndetectorbafflereflectancestandardVonosampledetectorbafflebeamblockedVndetec

9、torVcofilter暗噪声杂散光标准样品准直光参考暗噪声杂散光标准样品准直光参考21单积分球的反射与透射测量单积分球的反射与透射测量22双积分球的反射与透射测量双积分球的反射与透射测量23反射率、漫透射率及准直透射率反射率、漫透射率及准直透射率?反射率反射率R?漫透射率漫透射率Td?准直透射率准直透射率TcrefcoccTVVT=rorVVR=totddVVT=24双光路积分球系统双光路积分球系统25反射率、漫透射率及准直透射率反射率、漫透射率及准直透射率?反射率反射率R、?漫透射率漫透射率Td?准直透射率准直透射率TcrefcoccTVVT=rorVVR=totddVVT=refrefc

10、ocorefccTVVVVT/=refrororefrVVVVR/=refdotoreftdVVVVT/=26组织光学特性参数的获取组织光学特性参数的获取?反向倍增法反向倍增法(Inverse Adding-doubling method-IAD)?蒙特卡罗逆向算法（蒙特卡罗逆向算法（IMC）27倍增法与反向倍增法倍增法与反向倍增法?倍增法倍增法(Adding-doubling method-AD)?反向倍增法反向倍增法(Inverse Adding-doubling method-IAD)?两个重要参数两个重要参数?反照率反照率?光学厚度光学厚度assa+=()asd+=28AD算法算法R(

11、,)T(,)()ddRRd22,1010=()ddTTd22,1010=()=102,1dRRc()=102,1dTTc29IAD算法算法猜初始光学特性参数猜初始光学特性参数利用利用Adding Doubling算法计算反射率和透射率算法计算反射率和透射率测量值与计算值比较不满足精度测量值与计算值比较不满足精度结束得到光学特性参数结束得到光学特性参数满足精度满足精度aggaa=1)1()1(ag=gagaa+=1gga+=1das=daa=)1()1(gdas=30误差来源与分析误差来源与分析?样品侧漏被默认为吸收样品侧漏被默认为吸收0ALossAIAD+=31侧漏的计算程序侧漏的计算程序Ti

12、ssue optical properties Thickness of sampleDistribution of photons in the sampleR,T,Tc of sampleMC SimulationMC SimulationLoss and AbsorptionAIAD/A0Tissue optical properties mua mus g IADAlgorithmError3200.050.10.150.20.25100120140160mua(mm-1)AIAD/A0%=20mm00.050.10.150.20.25100120140160mua(mm-1)AIAD

13、/A0%=25mm00.050.10.150.20.25100120140160mua(mm-1)AIAD/A0%=30mm00.050.10.150.20.25100110120130mua(mm-1)AIAD/A0%d=0.7mm00.050.10.150.20.25100110120130mua(mm-1)AIAD/A0%d=0.8mm00.050.10.150.20.25100110120130mua(mm-1)AIAD/A0%d=0.9mm00.050.10.150.20.25100110120130mua(mm-1)AIAD/A0%g=0.700.050.10.150.20.251

14、00110120130mua(mm-1)AIAD/A0%g=0.800.050.10.150.20.25100110120130mua(mm-1)AIAD/A0%g=0.9mus=2 mm-1mus=4 mm-1mus=8 mm-1mus=16 mm-1mus=24 mm-1d=0.9mmg=0.9 =25mmg=0.9 =25mmd=0.9mm(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)图9-9 AIAD/A0随吸收系数与散射系数的变化AIAD/A0随吸收系数与散射系数变化随吸收系数与散射系数变化33侧漏引起的吸收系数计算误差侧漏引起的吸收系数计算误差00.050.10.150.2

15、0.250102030mua(mm-1)Relative Error of mua%=20mm00.050.10.150.20.250102030mua(mm-1)Relative Error of mua%=25mm00.050.10.150.20.250102030mua(mm-1)Relative Error of mua%=30mm00.050.10.150.20.250123mua(cm-1)Relative Error of musp%d=0.7mm00.050.10.150.20.250123mua(cm-1)Relative Error of musp%d=0.8mm00.05

16、0.10.150.20.250123mua(cm-1)Relative Error of musp%d=0.9mm00.050.10.150.20.250102030mua(mm-1)Relative Error of mua%g=0.700.050.10.150.20.250102030mua(mm-1)Relative Error of mua%g=0.800.050.10.150.20.250102030mua(mm-1)Relative Error of mua%g=0.9mus=2 mm-1mus=4 mm-1mus=8 mm-1mus=16 mm-1mus=24 mm-1mus=2

17、 mm-1mus=4 mm-1mus=8 mm-1mus=16 mm-1mus=24 mm-1d=0.9mmg=0.9=25mmg=0.9(a1)(b1)(c1)(a2)(b2)(c2)(d1)(e1)(f1)34侧漏引起的散射系数计算误差侧漏引起的散射系数计算误差00.050.10.150.20.250123mua(mm-1)Relative Error of musp%d=0.7mm00.050.10.150.20.250123mua(mm-1)Relative Error of musp%d=0.8mm00.050.10.150.20.250123mua(mm-1)Relative Er

18、ror of musp%d=0.9mm00.050.10.150.20.250510152025mua(mm-1)Relative Error of mua%g=0.700.050.10.150.20.250510152025mua(mm-1)Relative Error of mua%g=0.800.050.10.150.20.250510152025mua(mm-1)Relative Error of mua%g=0.900.050.10.150.20.250123mua(mm-1)Relative Error of musp%g=0.700.050.10.150.20.250123mua

19、(mm-1)Relative Error of musp%g=0.800.050.10.150.20.250123mua(mm-1)Relative Error of musp%g=0.9=25mmd=0.9mm(d2)(e2)(f2)(g1)(h1)(i1)(g2)(h2)(i2)35IAD算法的适用性算法的适用性?理论（假定测量无误差）理论（假定测量无误差）?g0.94，否则程序不收敛，否则程序不收敛?弱的吸收与散射，误差较大弱的吸收与散射，误差较大?实验实验?光学厚度：光学厚度：1-10?反照率：反照率：0.4-0.9536IAD算法的适用性算法的适用性?合理的积分球设计、样品制备提高合

20、理的积分球设计、样品制备提高IAD算法的准确性算法的准确性?球直径（球小样品口）球直径（球小样品口）?样品厚度样品厚度37用于组织光学参数测量的积分球系统用于组织光学参数测量的积分球系统?单积分球系统单积分球系统?双积分球系统双积分球系统?单积分球结合光谱测量系统单积分球结合光谱测量系统38双光路积分球系统双光路积分球系统394041单积分球结合光谱测量单积分球结合光谱测量光源探测单色仪42Lambda 950介绍介绍43Lambda 950的构造与原理的构造与原理44Lambda 950的光路图的光路图45特点特点?波长：波长：1753300nm（185nm以下需氮气吹扫）以下需氮气吹扫）?

21、主机主机?双光束、双单色器、比例记录并由计算机控制双光束、双单色器、比例记录并由计算机控制?光学系统光学系统?SiO2保护层的反射光学元件保护层的反射光学元件?全息刻线密度：全息刻线密度：?紫外紫外/可见可见1440条条/mm?近红外近红外 360条条/mm46特点特点?分光系统分光系统?四区分段扇形信号收集的斩波器技术四区分段扇形信号收集的斩波器技术?波长精度最高达波长精度最高达0.08nm?采用预校准并可自动切换的碘钨灯与氘灯采用预校准并可自动切换的碘钨灯与氘灯?紫外紫外/可见：可见：R6872-PMT?宽大的样品仓宽大的样品仓47特点特点?稳定性好、基线平直度高、杂散光极低稳定性好、基线

22、平直度高、杂散光极低?仪器及其稳定、经久耐用。仪器及其稳定、经久耐用。?线性范围宽线性范围宽48Lambda 950的技术指标参数的技术指标参数0.003A光度计精度：光度计精度：0.00005A噪声：噪声：0.0008A基线平直：基线平直：0.0002A/h基线漂移：基线漂移：0.00008A光度计重复精度：光度计重复精度：0.005nm波长重复精度：波长重复精度：0.3nmNIR波长精度：波长精度：0.08nmUV/Vis波长精度：波长精度：0.00007%T杂散光：杂散光：175-3300nm光谱范围：光谱范围：49功能强大且易用的功能强大且易用的UVWINLab?Windows运行环境

23、运行环境?数据采集数据采集?光谱扫描光谱扫描?时间驱动时间驱动?多波长测定多波长测定?定量分析定量分析?记录、处理及储存光谱数据记录、处理及储存光谱数据?仪器校验、控制及附件控制仪器校验、控制及附件控制?试验报告生器试验报告生器50特点特点?软件控制软件控制?光束遮挡器光束遮挡器-小样品小样品?参比及样品光束衰减器参比及样品光束衰减器-单光子单光子?无需平滑原始数据无需平滑原始数据-最佳信噪比最佳信噪比51高级光谱软件包高级光谱软件包?数学处理模块数学处理模块?色度测量模块色度测量模块?滤光片测量模块滤光片测量模块?建筑玻璃模块建筑玻璃模块?防护玻璃模块防护玻璃模块?光谱数据库模块光谱数据库模块52Lambda 950的功能的功能?常用功能常用功能?吸收谱吸收谱?更多功能（结合积分球）更多功能（结合积分球）?漫反射谱漫反射谱?漫透射谱漫透射谱