1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室，天津 300072
生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学（NIRS）研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中，时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力，而且近年来该技术的性价比显著提高，获得了更多关注，但其针对分层组织的参数反演在准确性、稳定性和反演速度等方面尚存在一定的局限性。为此，本文提出了一种时域蒙特卡罗模型支持的Nelder-Mead单纯形算法，该算法利用双源探距下的时间分辨漫反射光信号，以循环迭代方式设置不同的基向量，经线性变换后无须求导便可启发式搜索目标函数的最优值，从而实现了高信效度的分层光学参数反演。模拟实验与仿体实验均表明：在组织光学参数反演方面，所提算法的精度优于传统算法，而且该算法具有良好的噪声鲁棒性和临床适应性，为生物组织光学参数的在体测量提供了新方法。
医用光学 吸收系数 约化散射系数 蒙特卡罗模拟 单纯形算法 时域测量
Author Affiliations
Abstract
1 Graduate School of Engineering, Osaka University, Yamadaoka 2-1, Suita, Osaka 565-0871, Japan
2 Global Center for Medical Engineering and Informatics, Osaka University, Yamadaoka 2-2, Suita, Osaka 565-0871, Japan
Accurate determination of the optical properties of biological tissues enables quantitative understanding of light propagation in these tissues for optical diagnosis and treatment applications. The absorption () and scattering () coefficients of biological tissues are inversely analyzed from their diffuse reflectance (R) and total transmittance (T), which are measured using a double integrating spheres (DIS) system. The inversion algorithms, for example, inverse adding doubling method and inverse Monte Carlo method, are sensitive to noise signals during the DIS measurements, resulting in reduced accuracy during determination. In this study, we propose an artificial neural network (ANN) to estimate and at a target wavelength from the R and T spectra measured via the DIS to reduce noise in the optical properties. Approximate models of the optical properties and Monte Carlo calculations that simulated the DIS measurements were used to generate spectral datasets comprising , , R and T. Measurement noise signals were added to R and T, and the ANN model was then trained using the noise-added datasets. Numerical results showed that the trained ANN model reduced the effects of noise in and estimation. Experimental verification indicated noise-reduced estimation from the R and T values measured by the DIS with a small number of scans on average, resulting in measurement time reduction. The results demonstrated the noise robustness of the proposed ANN-based method for optical properties determination and will contribute to shorter DIS measurement times, thus reducing changes in the optical properties due to desiccation of the samples.
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2023, 16(6): 2350012
1 江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122
2 江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 214122
在介质中传播的光的吸收系数、散射系数、各向异性因子和折射率可以用于介质物理与化学特性的检测，因此，这四种参数的反演方法研究非常重要，但目前缺乏能够同时识别这四种参数的算法。针对该问题，提出利用多个角度激发的漫反射光信号增加信息的丰富性，并通过残差神经网络实现浑浊介质吸收系数、散射系数、各向异性和折射率识别的方法。通过蒙特卡罗模型模拟了各种条件下的漫反射光信号，对所提方法进行了验证。在仿真过程中，考虑光纤大小和发散角，并在漫反射光强信号中加入不同等级的噪声以提高网络的泛化能力和抗噪性能。结果表明，当信噪比为40 dB时，所提方法对浑浊介质的吸收系数、散射系数、各向异性因子以及折射率的识别结果的平均相对误差分别为8.6%、4.6%、1.7%和0.9%，验证了所提方法的高精度。
生物光学 吸收系数 散射系数 各向异性因子 折射率 光学性能 残差神经网络 中国激光
2022, 49(15): 1507205
河南理工大学 物理与电子信息学院， 河南 焦作 454000
基于半导体激光器激发荧光材料的白光激光照明(wLD)技术在超高亮度照明和显示领域具有重要的应用价值。兼具“高光通量”和“可控发光面积”是wLD实现高亮度的前提条件。因此，荧光材料如何在具备高饱和阈值的前提下，有效地限定发光光斑尺寸，成为该领域的一个热点问题。基于荧光材料微结构设计的散射调控技术为解决该问题提供了可能。本文首先对荧光材料中通过散射设计实现可控发光面积的研究进行了总结; 其次探讨了散射系数对材料发光特性的影响; 然后介绍了相关研究中的两个关键技术: 发光光斑尺寸的测量方法和基于数值模拟的光斑尺寸预测方法; 最后展望了相关研究的发展趋势。
激光照明 荧光材料 散射系数 光斑尺寸 高亮度 laser lighting phosphor scattering coefficient spot size high-luminance
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
气溶胶通过吸收和散射效应与太阳辐射相互作用, 对地球辐射收支和气候造成扰乱, 对云凝结核形成和云的光学性质造成间接影响。 利用黑碳仪和积分浊度计于2019年11月5日至12月10日在合肥市分别开展了气溶胶吸收系数(σap)、 散射系数(σsp)的外场观测, 结合气象数据, 分析了气溶胶吸收系数(σap)、 散射系数(σsp)的日变化特征及风依赖性。 结果表明, 合肥市秋季PM2.5, σsp和σap均值分别为(43±25) μg·m-3, (238.70±161.52) Mm-1, (32.04±17.01) Mm-1。 研究期间σsp, σap的时间变化趋势与PM2.5较为一致。 PM2.5, σsp和σap均具有显著的双峰日变化特征, 分别在早8点至10点和晚20点至21点出现峰值, 主要与交通排放和气象条件有关。 合肥市气溶胶光学性质的风依赖性主要体现在PM2.5, σap与σsp的高值大多处在弱风(风速<3 m·s-1)的区域, 低温高湿小风的天气条件有利于污染物的积累和形成, 但较高的风速也易输送周边的污染物, σsp和σap部分高值主要受西北风向的污染气团影响。 同时, 基于HYSPLIT后向轨迹模型, 通过聚类分析不同输送途径的空间特征, 并利用潜在源贡献法(PSCF)和浓度权重轨迹法(CWT), 探讨了研究期内合肥σsp的潜在源区分布及其贡献特性。 结果发现污染气团主要来源于合肥的西北方向, 占比最高的气团1和3来自于内蒙古自治区和新疆维吾尔自治区, 而对散射系数贡献较大的气团2来自于陕西省宝鸡市, 气团6源于内蒙古, 途径山西省、 山东省、 江苏省, 从安徽省的东南方向到达合肥, 携带较多的污染物。 PSCF较大值(>0.5)主要分布在合肥的西北方向和西南方向。 合肥冬季CWT高值主要分布在河南省东北部、 山东省西南部、 安徽省北部地区。 尤其是山东济宁市、 河南商丘市的污染物远距离传输是影响合肥地区秋季空气质量的重要源区。
气溶胶 风依赖 散射系数 合肥 潜在源区 Aerosol Wind dependence Scattering coefficient Hefei Potential source region 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3014
1 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏，南京，210044
2 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室，北京
3 南京信大安全应急管理研究院，江苏，南京，210044)
基于Mie散射研究了带电粒子的散射特性，给出散射系数与表面电导率的关系，计算了不同面电导率粒子与非带电粒子的散射角，计算表明：对金属类粒子，带电后的散射影响不大；但带电介质类粒子如水球、冰球粒子，面电荷使面电导率达到一定量级时，对散射特性有明显的影响。与水球相比，冰球的散射系数振荡现象处于粒子尺度参数更大值，振幅更强，而当面电导率很大时，即携带更多电荷量时，两者散射效率近似相等，与同大小的金属球形粒子的散射效率接近。随着面电导率的增加，散射系数发生较大变化，但当电导率达到一定值时，散射系数趋于恒定。相对非带电粒子的散射，带电后粒子的散射系数减小，散射能量沿不同方向重新分布，后向散射强度增强，其他方向的散射强度减小。当冰球粒子与水球粒子面电导率大到一定程度时，其散射特性都接近等大金属粒子的散射特性。
Mie散射 带电粒子 散射系数 消光系数 不对称因子 散射角 Mie scattering charged particles scattering coefficient extinction coefficient asymmetric factor scattering Angle
Author Affiliations
Abstract
1 Key Lab of Optical Fiber Sensing & Communications, University of Electronic Science & Technology of China, Chengdu 611731, China
2 Metrology and Testing Center, China Academy of Engineering Physics (CAEP), Mianyang 621900, China
3 National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics Center for Advanced Laser Technologies, Magurele RO-077125, Romania
4 “Horia Hulubei” National Institute of Physics and Nuclear Engineering, MAgurele RO-077125, Romania
5 Photonics and Optical Communications, The University of New South Wales (UNSW), Sydney 2052, Australia
The effects of gamma ray (γ-ray) radiation and electron beam (e-beam) radiation on Rayleigh scattering coefficient in single-mode fiber are experimentally investigated. Utilizing an optical time domain reflectometry (OTDR), the power distribution curves of the irradiated fibers are obtained to retrieve the corresponding radiation-induced attenuation (RIA). Based on the backscattering power levels and the measured RIAs, the Rayleigh scattering coefficients can be characterized quantitatively for each fiber sample. Under the given radiation conditions, Rayleigh scattering coefficients have been changed very little while RIAs have been changed significantly. Furthermore, simulations have been implemented to verify the validity of the measured Rayleigh scattering coefficient, including the splicing points.
Gamma ray electron beam Rayleigh scattering radiation-induced attenuation Rayleigh scattering coefficient Photonic Sensors
2021, 11(3): 298
北京理工大学光电学院, 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081
针对逆向求解生物组织光学特性参数存在测量精度不高、在体测量困难等问题,提出了一种利用神经网络模型反演生物组织光学参数的方法,该方法以蒙特卡罗算法输出的不同检测距离r处的漫反射率R(r)作为输入,以吸收系数和散射系数作为输出。本文将神经网络算法反演的吸收系数、散射系数值与蒙特卡罗算法获得的吸收系数和散射系数值进行了对比。仿真实验表明:选择r=0.1 cm以及r=0.3 cm距离处的漫反射率作为输入,利用神经网络模型反演的吸收系数和散射系数的平均绝对误差分别为0.003和1.574,一致性决定系数R2分别为0.9997和0.9915。神经网络模型反演的生物组织参数与蒙特卡罗算法获得的吸收系数、散射系数具有较好的一致性,且反演精度高,操作简单,为生物组织光学参数的在体测量提供了新思路。
生物光学 组织光学特性 吸收系数 散射系数 神经网络 漫反射率 光学学报
2021, 41(11): 1117001
南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
用搭建的微米谱域光学相干层析(SDOCT)系统对玻璃亚表面缺陷进行了深度分辨率、非接触、非破坏性测量,并用建立的单次散射模型对得到的断层图像进行计算,得到玻璃亚表面缺陷的散射系数。实验结果表明,利用散射系数可以有效区分玻璃亚表面不同深度的损伤结构。玻璃亚表面散射系数的深度分辨率测量有利于对玻璃亚表面缺陷光学特性的分析,对于精密光学元件的加工和检测具有重要意义。
成像系统 散射系数 玻璃亚表面缺陷 单次散射模型 损伤结构
1 南京信息工程大学物理与光电工程学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室, 江苏 南京 210044
基于单颗粒气溶胶吸湿增长模型,分别建立了亲水性和亲疏水性双颗粒凝聚气溶胶的吸湿增长模型,并利用离散偶极子近似方法计算了不同相对湿度时两种凝聚粒子的散射特性。结果表明: 在40%~90%湿度范围内,亲水性双颗粒凝聚气溶胶 [以氯化钠(NaCl)-硝酸钠(NaNO3)颗粒为例]的散射系数存在两次跃变,而散射系数跃变的位置和增幅与NaCl-NaNO3颗粒的体积比密切相关;二次潮解后,不同体积比的亲水性凝聚粒子的散射系数随相对湿度的增加均呈现出指数增长趋势,且NaNO3的体积分数越大,散射系数增长幅度越大。对于不同体积比的亲疏水性双颗粒凝聚粒子 (以NaCl-烟尘颗粒为例),散射系数随相对湿度的增加均呈现指数增长,NaCl的体积比越大,散射系数增长越快,而潮解后亲疏水性粒子的相对位置关系对凝聚粒子散射系数的影响较小。上述结果可为进一步研究多颗粒凝聚气溶胶的吸湿散射特性提供可靠的理论基础。
大气光学 光散射 双颗粒凝聚气溶胶 离散偶极子近似法 吸湿性 散射系数
