基于生物组织光场测量的光场分度仪的研制

　　1　引　　言

　　光在生物组织中传输特性的研究是近年来激光在生命科学中应用的热门话题,光CT、无辐探伤、激光诊断和治疗等技术的研究,不仅在生物医学理论和 临床方面具有广泛的前景,而且对促进新技术的革新和激光医学的发展具有深远的意义[4,5]。我们知道,光在组织中传播时将产生反射、吸收、散射等光学现 象。不同个体、不同部位的组织,由于其结构组成、形态变化(机械的,热学的、电磁的)等原因,其发生吸收和散射事件的频率必然存在着很大的差别,光在组织 中由吸收、散射、反射等形成的空间分布当然也就相当复杂[4]。这里我们把经过生物组织样本吸收、散射后的漫反射光、各向散射光所形成的复杂的光的空间分 布称之为光场。

　　由于大多数生物组织是非均匀的浑浊介质,在600~1300nm的波段范围内具有高散射和低吸收的特点,有用信息极其微弱,如何提取如此复杂的 漫射光信号就变得极其困难。在实验上,国内外许多学者设计了种种方案检测组织光场,如平切光纤、球头光纤探针等,但都局限于对一定位置或某一光学特性参数 测量,而在位置改变、多特性测量方面显得比较困难。本文提出的光场分度仪可实现对组织光场多角度、全方位的测量,既测量其漫反射光,又测量其漫透射光,而 且通过角度的细分和实时数据采集,可直观、快速地反映出组织样本的空间光场的具体的分布和变化[3]。

　　2　光场的分度测定原理

　　为了完成对生物组织光场的测定,我们设计了光场分度仪。其测量原理如图1所示。当一束入射光照到样本上时,在样本的周围将因为镜式反射、漫反 射、透射和各向散射等共同形成一个复杂光场,我们将被测样本固定在一可以绕轴心旋转的圆盘中心,把光电探测器置于圆盘上,并通过驱动装置使之围绕样本旋 转。光电探测器扫描一周,则光场分布可由探测器的输出(对应辐照度)随角度变化而变化来确定。

　　在计算时,整个光场辐照度应该是入射光束光轴所在水平面的二维积分。设圆盘的半径为R,圆盘在入射光所在的水平面上平稳旋转,那么,样本的光场辐照度可以通过对该入射水平面作二维积分来得到:

　　式中,θ为光电接收器与入射光束光轴所成的夹角,W为光场照度,W(r,θ)是指在不同r,θ角的地方光照度分布函数。本仪器的r为固定值R。 如果改变入射光源,不用激光而采用白炽灯,通过滤色片来得到不同波长范围的入射光,那么我们可以用它来研究在不同波长范围内样本光场分布的变化,这种变化 正好可以反映出样本对不同波长的入射光的散射和吸收特性,这样W(r,θ)应该是角度和波长的函数: