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近红外无创生化分析中高效光谱聚光系统研究

作　者: 高静
导　师: 陈星旦
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学
关键词: 蒙特卡罗模拟光纤椭球反射镜复合抛物面聚光器无创生化分析
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近红外光谱技术是血液无创生化分析能够获得应用的最具潜力的方法之一。但是,由于人体皮肤组织中的水对光的吸收非常强,并且血液中各种化学成分的含量较低,致使由它们引起的吸收光谱信号很微弱,给无创生化分析带来了困难。为了解决此问题,本论文通过增大光学系统集光效率的方法来增加近红外光谱分析系统的光通量,从而有助于提高光谱仪器的信噪比。论文首先介绍了近红外无创生化分析的研究现状,分析了当前存在的技术难点,包括光谱信号微弱、背景干扰及血流容积的周期性变化。针对第一个问题,拟采用设计高效聚焦光学系统的方法作为解决途径,提出对分别由光纤、椭球反射镜、复合抛物面聚光器构成的几种光学系统的聚焦效果进行研究。阐述了蒙特卡罗模拟方法原理,结合三层皮肤组织模型,研究了光在皮肤组织中的传播规律。在波长范围为1000nm-2350nm内,模拟计算了光子传播的路径长度、穿透深度、散射次数以及漫反射光能量,并讨论了入射-出射距离对出射光子能量的影响。根据以上蒙特卡罗模拟结果对光纤探头的结构进行了设计,并利用光学软件仿真计算了光纤收集到的漫反射光能量及照度分布。根据椭球反射镜的聚光特点,在几何光学理论的基础上计算了焦面上的物体经椭球镜反射后像点坐标方程,并基于此方法优化了椭球反射镜最佳聚光效果时的结构参数。采用光线追迹方法,分析了椭球反射镜聚焦光能特征,与无光学收集系统相比,椭球反射镜对人体漫反射光的利用率提高了5.4倍。分析了复合抛物面聚光器(CPC)反射光线随结构参数变化特点,优化设计了CPC-凹面镜系统结构参数。首次提出了一种双复合抛物面聚光系统,通过比较标准型和截短型CPC聚光性能变化,优化出集光效果最佳时的结构参数,并分别模拟研究了这两种光学系统对人体漫反射光的聚焦情况。与无光学收集系统相比,截短型CPC-凹面镜系统对人体漫反射光的利用率提高了15.1倍,截短型双复合抛物面聚光系统对人体漫反射光的利用率提高了32.6倍。本文研究的几种聚光系统均能有效地将漫反射光会聚至探测器上,有助于提高无创生化分析系统的信噪比及整体分析精度。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第1章绪论  12-22
  1.1 选题背景  12-14
  1.2 近红外无创生化分析的研究现状及存在问题  14-18
    1.2.1 国内外研究现状  14-17
    1.2.2 存在问题  17-18
  1.3 本文研究目的及意义  18-19
  1.4 本文主要研究内容  19-22
第2章生物组织中光传播的蒙特卡罗模拟理论  22-34
  2.1 蒙特卡罗方法简介  22-24
  2.2 光传播过程模拟  24-31
    2.2.1 光子的发射  25
    2.2.2 光子的运动步长  25-27
    2.2.3 光子的吸收和散射  27-28
    2.2.4 光子在边界处的反射和透射  28-30
    2.2.5 光子在组织层交界处的反射和透射  30
    2.2.6 光子的终止  30-31
  2.3 蒙特卡罗模拟程序  31-33
  2.4 本章小结  33-34
第3章光纤收集系统的研究与设计  34-50
  3.1 皮肤组织光传播模拟与分析讨论  34-44
    3.1.1 皮肤组织模型建立  34-36
    3.1.2 蒙特卡罗模拟结果分析  36-44
  3.2 光纤的选取  44-46
  3.3 光纤收集系统结构设计与仿真分析  46-49
    3.3.1 光纤探头结构设计  46-47
    3.3.2 光纤系统仿真模型建立  47-48
    3.3.3 光线追迹与数据分析  48-49
  3.4 本章小结  49-50
第4章椭球反射镜聚光收集系统的研究与设计  50-62
  4.1 光学系统模型建立  50-51
  4.2 椭球反射镜聚焦原理  51-56
    4.2.1 轴外物点成像分析  51-52
    4.2.2 像点位置坐标计算  52-56
  4.3 椭球反射镜结构优化设计  56-60
    4.3.1 最小像斑优化分析  56-58
    4.3.2 光能聚焦最优研究  58-60
  4.4 系统仿真分析  60-61
  4.5 本章小结  61-62
第5章复合抛物面聚光收集系统的研究与设计  62-80
  5.1 CPC聚光原理  62-67
  5.2 CPC建模及光线收集特点  67-70
    5.2.1 模型建立  67
    5.2.2 光线收集研究  67-70
  5.3 CPC-凹面镜结构设计及系统仿真分析  70-72
  5.4 双复合抛物面聚光结构设计及系统仿真分析  72-77
    5.4.1 一级CPC结构设计  73-74
    5.4.2 标准型双复合抛物面聚光结构设计与优化  74-75
    5.4.3 截短型双复合抛物面聚光结构设计与优化  75-77
  5.5 本章小结  77-80
第6章总结与展望  80-86
  6.1 全文总结  80-83
  6.2 本文的主要创新点  83
  6.3 下一步工作展望  83-86
参考文献  86-94
在学期间学术成果情况  94-95
指导教师及作者简介  95-96
致谢  96

近红外无创生化分析中高效光谱聚光系统研究

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