1、Chapter 4 Measurement technologies in Biomedical photonics4.1 Light source4.2 Photoelectronic detector 4.3 Technologies for measuring weak light4.4 Direct methods for measuring opticalproperties of tissue Chapter 4 Measurement technologies in Biomedical photonicsChapter 4 Measurement technologies in

2、 Biomedical photonics4.1 Light sources 4.1.1 光源的分類光源的分類Continuous wavelengthMonochromatic light source 4.1.2 生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、臨床診斷和治療中的激光器生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、臨床診斷和治療中的激光器Continuous wavelength 4.1 Light source(1) 白熾燈白熾燈 鎢絲加熱。鎢絲加熱。 發(fā)射的是連續(xù)光譜發(fā)射的是連續(xù)光譜 在可見光譜段中部和黑體輻射曲線僅相差在可見光譜段中部和黑體輻射曲線僅相差0.5% 在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差也不過在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線

3、平均相差也不過2%。 4.1.1 光源的分類光源的分類 4.1 Light source(2) 鹵鎢燈（鹵鎢燈（Halogen lamp）通過上述的鹵鎢循環(huán)過程通過上述的鹵鎢循環(huán)過程延延長(zhǎng)了燈泡的壽命，提高燈的長(zhǎng)了燈泡的壽命，提高燈的色溫并可提高發(fā)光效率色溫并可提高發(fā)光效率。 4.1 Light source(3)氘燈（氘燈（Deuterium lamp）陰極被加熱后發(fā)射電子，電子由于受陽極電壓的加速作用不陰極被加熱后發(fā)射電子，電子由于受陽極電壓的加速作用不斷與氣體高速碰撞，氘原子獲得能量，從而使氘原子內(nèi)層電斷與氣體高速碰撞，氘原子獲得能量，從而使氘原子內(nèi)層電子躍遷到高能級(jí)，處于激發(fā)態(tài)的氘原子

4、返回到低能級(jí)時(shí)將發(fā)子躍遷到高能級(jí)，處于激發(fā)態(tài)的氘原子返回到低能級(jí)時(shí)將發(fā)射光子射光子 4.1 Light source優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用應(yīng)用白熾燈白熾燈價(jià)格低、壽命也價(jià)格低、壽命也較長(zhǎng)較長(zhǎng)鎢的熔點(diǎn)只有鎢的熔點(diǎn)只有3680K，增加鎢的工作溫度導(dǎo)致鎢增加鎢的工作溫度導(dǎo)致鎢的蒸發(fā)，使壽命降低的蒸發(fā)，使壽命降低光電測(cè)量中最光電測(cè)量中最常用的光源之常用的光源之一一鹵鎢燈（鹵鎢燈（Halogen lamp）控制了溫度，則控制了溫度，則鹵鎢燈的波長(zhǎng)和鹵鎢燈的波長(zhǎng)和能量均穩(wěn)定，價(jià)能量均穩(wěn)定，價(jià)格較低，格較低，能量低，尺寸也較大。能量低，尺寸也較大。適用波長(zhǎng)范圍適用波長(zhǎng)范圍是是 3 2 0 1100nm。氘燈氘

5、燈（Deuterium lamp）連續(xù)和穩(wěn)定的紫連續(xù)和穩(wěn)定的紫外輻射外輻射壽命有限，例如國(guó)產(chǎn)氘燈壽命有限，例如國(guó)產(chǎn)氘燈的壽命僅五百小時(shí)左右。的壽命僅五百小時(shí)左右。波 長(zhǎng) 范 圍 是波 長(zhǎng) 范 圍 是195400nm。 4.1.1 光源的分類光源的分類 4.1 Light source材料材料GaInNGaInNInGaAIPInGaAIP/GaAs/GaAsGaAlPGaAlPGaAlAs/GGaAlAs/GaAsaAsGaP/GaPGaP/GaPGaAlAsGaAlAsGaAsGaAs波長(zhǎng)波長(zhǎng)（nm）370370，450，525562562，5746446446606607007008808

6、80940940表表4-1 4-1 發(fā)光二極管材料和發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)光二極管材料和發(fā)射波長(zhǎng)準(zhǔn)單色和單色光源：準(zhǔn)單色和單色光源：LEDLED：發(fā)光二極管由一個(gè)PN結(jié)組成。當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。能量約等于禁帶寬度強(qiáng)度可以通過調(diào)控電壓（所加電流）調(diào)節(jié)。一般工作電壓2-3.6V，工作電流0.02-0.03A，使用壽命可達(dá)10萬小時(shí)。 4.1 Light s

7、ourceLED材料材料材料化學(xué)式材料化學(xué)式顏色顏色鋁砷化鎵 砷化鎵 砷化鎵磷化物磷化銦鎵 鋁磷化鎵（摻雜氧化鋅)AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO紅色及紅外線鋁磷化鎵 銦氮化鎵/氮化鎵 磷化鎵 磷化銦鎵鋁 鋁磷化鎵InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP綠色磷化鋁銦 鎵砷化鎵 磷化物 磷化銦鎵鋁 磷化鎵GaAsPAlGaInP AlGaInP GaP高亮度的橘紅色，橙色，黃色，綠色磷砷化鎵GaAsP紅色，橘紅色，黃色磷化鎵 硒化鋅 銦氮化鎵 碳化硅GaP ZnSe InGaN SiC紅色，黃色，綠色氮化鎵(GaN)綠色，翠綠色，藍(lán)色銦氮化鎵InGaN近紫外

8、線，藍(lán)綠色，藍(lán)色碳化硅(用作襯底)SiC藍(lán)色硅(用作襯底)Si藍(lán)色藍(lán)寶石(用作襯底)Al2O3藍(lán)色硒化鋅ZnSe藍(lán)色鉆石C紫外線氮化鋁,氮化鋁鎵AlN AlGaN波長(zhǎng)為遠(yuǎn)至近的紫外線準(zhǔn)單色和單色光源：準(zhǔn)單色和單色光源：LED 4.1 Light source準(zhǔn)單色和單色光源：準(zhǔn)單色和單色光源： LASER各類激光器各類激光器氣體激光器氣體激光器氦氖：0.6328 um，1.15 um，3.39 um；CO2: 10.6 um；氬離子：0.488 um ，0.514 um液體激光器液體激光器有機(jī)溶劑：一些染料無機(jī)溶劑固體激光器固體激光器摻入不同離子的晶體或者玻璃：紅寶石激光器，鈦寶石激光器，摻釹

9、釔鋁石榴石半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器PN結(jié)并采用電泵浦單色單色性性方向性方向性功功率率體體積積成成本本其他其他固體激光固體激光器器好好好好高高小小較較高高儲(chǔ)能能力強(qiáng)儲(chǔ)能能力強(qiáng)氣體激光氣體激光器器最好最好最好最好較較高高大大高高輸出頻率很穩(wěn)定輸出頻率很穩(wěn)定液體激光液體激光器器好好發(fā)散角發(fā)散角較大較大較較小小較較小小低低廉廉某些溶液有毒性與腐某些溶液有毒性與腐蝕性蝕性半導(dǎo)體激半導(dǎo)體激光器光器差差發(fā)散角發(fā)散角大大小小最最小小最最低低輸出特性受到溫度影輸出特性受到溫度影響明顯響明顯各類激光器的性能比較各類激光器的性能比較 4.1 Light source可調(diào)諧激光器tunable laser 是指在一定

10、范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長(zhǎng)的激光器。連續(xù)激光器相對(duì)于脈沖激光器來說的，連續(xù)的就是輸出激光是連續(xù)的一直開著的狀態(tài)，脈沖就類似照相機(jī)閃光燈的開關(guān)狀態(tài)，一閃一閃的。準(zhǔn)單色和單色光源：準(zhǔn)單色和單色光源： LASERChapter 4 Measurement technologies in Biomedical photonics4.1 Light sources 4.1.1 光源的分類光源的分類Continuous wavelengthMonochromatic light source 4.1.2 生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、臨床診斷和治療中的激光器生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、臨床診斷和治療中的激光器 4.1 Light

11、source氫燈：195400 nm紫外波段；氘燈光譜分布與氫燈相似，強(qiáng)度比氫燈強(qiáng)35倍； 鎢燈和鹵鎢燈3202500 nm連續(xù)光譜，可見近紅外光源； 金屬陶瓷光源2500 nm25 um；高壓汞燈100 um-1 mm遠(yuǎn)紅外。 4.2 4.2 Photoelectronic detector4.2 Photoelectronic detector 4.2.1 光電檢測(cè)器種類光電檢測(cè)器種類 4.2.2 光電檢測(cè)器的性能參數(shù)和光電探光電檢測(cè)器的性能參數(shù)和光電探測(cè)器的選擇測(cè)器的選擇光電檢測(cè)器種類光電檢測(cè)器種類 4.2 4.2 Photoelectronic detector1、單通道探測(cè)器、單通道

12、探測(cè)器（1）光電倍增管（）光電倍增管（photomultiplier tube, PMT）利用外光電效應(yīng)的一種光電器件，把微弱的輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子并利用外光電效應(yīng)的一種光電器件，把微弱的輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子并獲得倍增的電真空器件。獲得倍增的電真空器件。主要由光電陰極（主要由光電陰極（photocathode）和打拿極（倍增極，）和打拿極（倍增極，dynode）和陽）和陽極（極（anode）構(gòu)成。）構(gòu)成。 光電倍增管光電倍增管 4.2 4.2 Photoelectronic detectorPMT with MCP微通道板（微通道板（MCP）：）：Microchannel Plate，中空的玻

13、璃纖維，中空的玻璃纖維通道束，通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)光子的全反射并倍增。通道束，通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)光子的全反射并倍增。用微通道板用微通道板代替打拿極代替打拿極 4.2 4.2 Photoelectronic detector 4.2 4.2 Photoelectronic detectorResponse CurvesAdvantages of PMT具有從紫外到近紅外區(qū)域的很高的具有從紫外到近紅外區(qū)域的很高的光譜響應(yīng)應(yīng)靈敏度光譜響應(yīng)應(yīng)靈敏度具有相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍（約為具有相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍（約為60dB)）高的響應(yīng)頻率高的響應(yīng)頻率(100MHz) 由于輸出電流在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)正比于由于輸出電流在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)正比于輸入到光

14、陰極的光通量，其內(nèi)部增輸入到光陰極的光通量，其內(nèi)部增益可達(dá)益可達(dá)108具有大光敏面積具有大光敏面積低噪聲等效功率。低噪聲等效功率。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 體積龐大體積龐大 量子效率低下量子效率低下 需要高壓電源（上千伏）需要高壓電源（上千伏） 為了降低熱噪聲，有些為了降低熱噪聲，有些PMT要加有制要加有制冷甚至磁屏蔽。冷甚至磁屏蔽。 4.2 4.2 Photoelectronic detector 1、單通道探測(cè)器、單通道探測(cè)器(2) (2) 光電二極管（光電二極管（photodiode, PD) photodiode, PD) （光伏探測(cè)器，利用（光伏探測(cè)器，利用PNPN結(jié)光伏效應(yīng)）結(jié)光伏效應(yīng)）硅光電管：

15、硅光電管：一般用于光通訊中，具有價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但其一般用于光通訊中，具有價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但其低增益低增益限制了限制了它們?cè)诟哽`敏度測(cè)量中的應(yīng)用。它們?cè)诟哽`敏度測(cè)量中的應(yīng)用。PIN PIN （在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導(dǎo)體層） 雪崩光電管（雪崩光電管（avalanche photo diode, avalanche photo diode, APD)是光電管的一種特殊形式，通過對(duì)是光電管的一種特殊形式，通過對(duì)p-n結(jié)施加反向（約為結(jié)施加反向（約為2500V）電壓產(chǎn)生）電壓產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)達(dá)到內(nèi)部光電流的的雪崩效應(yīng)達(dá)到內(nèi)部光電流的高增益高增益但相對(duì)而言，但相對(duì)

16、而言，APD的光接受面積較的光接受面積較PMT小。小。 4.2 4.2 Photoelectronic detector2. 2. 多通道探測(cè)器多通道探測(cè)器(1) Photodiode ArrayHighly integrated with readout circuitry; operating range from 180 to 1100 nm; Gating available.(2) Charge-Coupled Device (CCD)High quantum yield; two-dimensional high density imaging capacity; very low

17、 dark current; wide spectral range from UV to NIR; compact. (3) CMOS Sensor ArrayLow power consumption; capability of large scale production originates from low cost IC technology; high integration.(4) (4) 掃描相機(jī)掃描相機(jī) （Streak Camera）掃描相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有皮秒甚至飛秒的的時(shí)間分辨率（掃描相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有皮秒甚至飛秒的的時(shí)間分辨率（temporal resolution）并具

18、有較好的紫外到近紅外的響應(yīng)靈敏度，但其）并具有較好的紫外到近紅外的響應(yīng)靈敏度，但其動(dòng)態(tài)范圍率（動(dòng)態(tài)范圍率（dynamic ranges）低于低于PMT。 4.2 4.2 Photoelectronic detectorCCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文學(xué)

19、名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N 和 P級(jí)的半導(dǎo)體。 4.2 4.2 Photoelectronic detector4.2 Photoelectronic detector 4.2.1 光電檢測(cè)器種類光電檢測(cè)器種類 4.2.2 光電檢測(cè)器的性能參數(shù)和光電探光電檢測(cè)器的性能參數(shù)和光電探測(cè)器的選擇測(cè)器的選擇 4.2 4.2 Photoelectronic detector光電檢測(cè)器的性能參數(shù)光電檢測(cè)器的性能參數(shù)1、光譜響應(yīng)范圍、光譜響應(yīng)范圍 （Spectral response）2、量子效率（、量子效率（Quantum efficie

20、ncy）3、暗電流、暗電流 （dark current）4、響應(yīng)率（、響應(yīng)率（Responsivity）5、噪聲等效功率（、噪聲等效功率（Noise Equivalent Power， NEP）和探測(cè)度（）和探測(cè)度（Detectivity）6、響應(yīng)時(shí)間（、響應(yīng)時(shí)間（Detector response time）7、線性度（、線性度（Linearity） 4.2 4.2 Photoelectronic detector1、光譜響應(yīng)范圍、光譜響應(yīng)范圍 （Spectral response）光譜響應(yīng)范圍：保持入射光功率恒定，改變光波波長(zhǎng)，光電探測(cè)器輸出的光電流降低到峰值一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)入射激光波長(zhǎng)分別稱為光電探測(cè)器的短波限和長(zhǎng)波限。短波限和長(zhǎng)波限之間的波長(zhǎng)范圍即為光譜響應(yīng)范圍。 4.2 4.2 Photoelectronic detector2、量子效率（、量子效率（Quantum efficiency） 4.2 4.2