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 双积分球测量原理
积分球测反射与透射的方法 组织光学特性参数的计算 误差来源
典型积分球系统
主要内容
3
积分球反射与Lambertain
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。
4
积分球反射与透射测量原理
的探测器第一次探测到的光为
mP
A
δ
mP
α
，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。探测器、样品及球壁上反射出来的光功率mPF
mP =A
s
R d
一次一次反射在探测器上产生的辐射功率为
δ
……………. 1?n
mPF
A
无数次反射后探测器收集的光功率为P d
)
...
...1++?F ()()]
P
A r A s R m d δ
9
准直入射
规则反射
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P
R c P
R cd P
mR c
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()()]
P
A r A s R mR d cd c δ++
11
透射测量
P
T d cd T P
c m T P
′
当漫射光入射到样品上时，探测器上所探当准直光入射到样品上时，探测器上所探)()P
A r A δ′′′′+??
()()cd c
d T m T P
R s A r A δ′+′′′′+?
13
双积分球测量原理
漫入射
准直入射
s r A A δ?+?
?m
P
A F
=11
d s s m
T P P
A F A F A F
δδ′′=
=
′′
′′11s d s s P T P A F ′=′′
s P V
m
A P s =
1211
d d s sm P T P A F δδ′==
P
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V
T d
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P
T T m cd )
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P
T T V mR R T c cd c )
1(′?′++
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．
P T cd P
T m c ′)P T m V A c cd ′+′
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。可忽略来自样品的规则反射项
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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 样品测量前－－－校准
暗噪声的测量 杂散光的测量
标准样品的测量
样品测量
单积分球—分别测反射与透射
双积分球—同时测反射与透射
reflectance standard
detector
baffle
beam blocked
Vn
暗噪声
标准样品
生物医学光学探析 1会议概况 工业激光和生物医学光学国际学术会议于1999年10月25~27日在华中科技大学学术交流中心举行。教授和干福熹院士担任大会主席,来自14个国家和地区的221位代表(境外代表46人)出席了会议。会议得到美国SPIE的支持,正式出版了会议论文集SPIE(工业激光论文集卜3862和SPIE(生物医学光学论文集关3863.前者共收录论文121篇,其中,国外作者论文13篇;后者共收录论文95篇,其中国外作者论文31篇。大会特邀了世界激光和生物医学光学领域的着名学者作主题报告,全体大会4个特邀报告,工业激光分会8个邀请报告,生物医学光学分会4个邀请报告,这些特邀报告和邀请报告学术水平高,均反映了当前国内外研究的前沿课题。 2工业激光研究的最新热点 在工业激光器领域,由于半导体激光器迅速发展,准连续器件已达到 4kw.因此,在许多应用领域均有采用半导体激光器代替传统的气体激光器及固体激光器的发展趋势。但是,由于半导体激光器目前光束质量较差,作为过渡的发展阶段是大量采用半导体激光器泵浦的固体激光器,其激光输出功率也已达到4kw 级,光束质量获得明显改善。因此,在世界市场上,1998年固体激光器的销售金额,首次超过了CO:激光器。据估计,近期激光技术的应用在高功率激光器方面仍然会以COZ激光器和固体激光器为主。在激光应用领域,除了高功率激光应用以外,国外已经在激光精密加工领域开展了深入的研究工作,如法国利用准分子激光超精密打孔、划线,精度非常高,孔径圆整、光滑,在陶瓷如S13N;,A12O3等方面的精密处理方面已有深人的研究。本次会议涉及到准分子激光应用的文章有15篇,涉及领域有激光淀积超导薄膜,金刚石薄膜、非晶金刚石薄膜等,激光制备光栅,激光制备纳米颗粒。我国大陆学者主要把准分子激光用于制备薄膜,台湾大学是用准分子激光制备光栅,法国学者用激光制备纳米颗粒。可见国外用准分子激光加工开展面比我国广泛。从本次会议看,国外今后重点发展研究领域和前沿课题包括:高功率半导体激光器,近五年内千瓦级器件将会实现实用化;半导体激光泵浦固体激光器,特别是盘片固体激光器近五年内也将会突破千瓦级;半导体激光泵浦全固体化紫外激光器已突破3W,如果能提高一个量级,将会逐步取代紫外气体激光器;利用准分子激光对电子元器件处理作了很深入的研究,在这些方面已成为激光超精密加工应用的重要发展方向。国内外在激光制备薄膜方面的研究始
光学干涉测量技术 ——干涉原理及双频激光干涉 1、干涉测量技术 干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。 当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为： 122I I I πλ=++ 式中△是两束光到达某点的光程差。明暗干涉条纹出现的条件如下。 相长干涉（明）： min 12I I I I ==+ （ m λ=） 相消干涉（暗）： min 12I I I I ==+-， （12m λ? ?=+ ??? ） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。 按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。 下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。 图一 普通光源获得相干光的途径 与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索
光学测距原理 1.利用红外线测距或激光测距的原理是什么？ 测距原理基本可以归结为测量光往返目标所需要时间，然后通过光速c = 299792458m/s 和大气折射系数n 计算出距离D。由于直接测量时间比较困难，通常是测定连续波的相位，称为测相式测距仪。当然，也有脉冲式测距仪，典型的是WILD的DI-3000 需要注意，测相并不是测量红外或者激光的相位，而是测量调制在红外或者激光上面的信号相位。 建筑行业有一种手持式的测距仪，用于房屋测量，其工作原理与此相同。 2.被测物体平面必须与光线垂直么？ 通常精密测距需要全反射棱镜配合，而房屋量测用的测距仪，直接以光滑的墙面反射测量，主要是因为距离比较近，光反射回来的信号强度够大。与此可以知道，一定要垂直，否则返回信号过于微弱将无法得到精确距离。 3.若被测物体平面为漫反射是否可以？ 通常也是可以的，实际工程中会采用薄塑料板作为反射面以解决漫反射严重的问题。 4.若以超声波测距代替是否可以让物体延一墙壁运动并测出与对面墙的距离？ 此问题搞不懂你的意图，超声波测距精度比较低，现在很少使用。 激光测距（即电磁波，其速度为30万公里/秒），是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。 激光测距仪一般采用两种方式来测量距离:脉冲法和相位法。相位测距技术的测距精度高,但作用距离有限,主要用于高精度大地测量。众所周知，光在给定介质的传播速度是一定的，因此，通过测量光在参考点和被测点之间的往返传播时间，即可给出目标和参考点之间的距离。 相位测距法是通过强度调制的连续光波在往返传播过程中的相位变化来测量光束的往返传播时间，其计算公式如下： t=Φ/2πf 式中，t为光波往返传播时间（s）；Φ为调制光波的相位变化量（rad）; f为调制频率（Hz）。 光的往返传播时间得到后，目标至参考点的距离可由下式求得 R=(c/2)×(Φ/2πf)=(λ/2)×(Φ/2π) 式中，R为目标至参考点距离（m）；c为光波传播速度（m/s）；λ为调制光波波长（m）。 相位位移是以2π为周期变化的，因此有 Φ=（N+△n）.2π 式中，N为相位变化整周期数；△n为相位变化非整周期数。
实验一量块的使用 一、实验目的 1、能正确进行量块组合，并掌握量块的正确使用方法； 2、加深对量值传递系统的理解； 3、进一步理解不同等级量块的区别； 二、实验仪器设备 量块；千分表；测量平板；千分尺校正棒。 三、实验原理 1量块的测量平面十分光洁和平整，当用力推合两块量块使它们的测量平面互相紧密接触时，两块量块便能粘合在一起，量块的这种特性称为研合性。利用量块的研合性，就可以把各种尺寸不同的量块组合成量块组。 四、实验内容与步骤 （一）实验内容 采用合理的量块组合，测量千分尺校正棒。 （二）实验步骤 1 用千分表测量千分尺校正棒 2 据所需要的测量尺寸，自量块盒中挑选出最少块数的量块。（每一个尺寸所拼凑的量块数目不得超过 4~5 块，因为量块本身也具有一定程度的误差，量块的块数越多，便会积累成较大的误差。） 3量块使用时应研合，将量块沿着它的测量面的长度反向，先将端缘部分测量面接触，使初步产生粘合力，然后将任一量块沿着另一个量块的测量面按平行方向推滑前进，最后达到两测量面彼此全部
研合在一起。 4正常情况下，在研合过程中，手指能感到研合力，两量块不必用力就能贴附在一起。如研合立力不大，可在推进研合时稍加一些力使其研合。推合时用力要适当，不得使用强力特别在使用小尺寸的量块时更应该注意，以免使量块扭弯和变形。 5如果量块的研合性不好，以致研合有困难时，可以将任意一量块的测量面上滴一点汽油，使量块测量面上沾有一层油膜，来加强它的黏结力，但不可使用汗手擦拭量块测量面，量块使用完毕后应立即用煤油清洗。 6量块研合的顺序是：先将小尺寸量块研合，再将研合好的量块与中等尺寸量块研合，最后与大尺寸量块研合。 7. 记录数据； 六思考题 量块按“等”测量与按“级”测量哪个精度比较高？
光学测量技术详解(图文) 光学测量是生产制造过程中质量控制环节上重要的一步。它包括通过操作者的观察进行的快速、主观性的检测，也包括通过测量仪器进行的自动定量检测。光学测量既可以在线下进行，即将工件从生产线上取下送到检测台进行测量；还可以在线进行，即工件无须离开产线；此外，工件还可以在生产线旁接受检测，完成后可以迅速返回生产线。 人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。当物体靠近眼球时，物体的尺寸感觉上会增加，这是因为图像在视网膜上覆盖的“光感器”数量增加了。在某一个位置，图像达到最大，此时再将物体移近时，图像就会失焦而变得模糊。这个距离通常为10英寸（250毫米）。在这个位置上，图像分辨率大约为0.004英寸（100微米）。举例来说，当你看两根头发时，只有靠得很近时才能发现它们之间是有空隙的。如果想进一步分辨更加清楚的细节的话，则需要进行额外的放大处理。 本部分设定了隐藏，您已回复过了，以下是隐藏的内容 人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。本图显示了人眼成 像的原理图。 人眼之外的测量系统 光学测量是对肉眼直接观察获得的简单视觉检测的强化处理，因为通过光学透镜来改进或放大物体的图像，可以对物体的某些特征或属性做出准确的评估。大多数的光学测量都是定性的，也就是说操作者对放大的图像做出主观性的判断。光学测量也可以是定量的，这时图像通过成像仪器生成，所获取的图像数据再用于分析。在这种情况下，光学检测其实是一种测量技术，因为它提供了量化的图像测量方式。 无任何仪器辅助的肉眼测量通常称为视觉检测。当采用光学镜头或镜头系统时，视觉检测就变成了光学测量。光学测量系统和技术有许多不同的种类，但是基本原理和结构大致相同。
实验一直线度误差的测量 一、实验目的 掌握按“节距法”测量直线度误差的方法。 二、测量原理及数据处理 对于很小表面的直线度误差的测量常按“节距法”，应是将被测平面分为若干段，用小角度度量仪（水平仪、自准直仪）测出各段对水平线的倾斜角度，然后通过计算或图解来求得轮廓线的直线度误差。本实验用合像水平仪。 具体测量方法如下： 将被测表面全长分为n段，每段长l=L/N应是桥板的跨距。将桥板置于第一段，桥板的两支承点放在分段点处，并把水平仪放在桥板上，使两者相对固定（用橡皮泥粘住）记下读数a1（单位为格）。然后将桥板沿放测表面移动，逐段测量下去，直至最后一段（第n段）。如图1每次移l，并要使支承点首尾相接，记下每段读数（单位为格）a1、a2、……a n。最后按下列步骤（见例）列表计算出各测量点对两端点连线的直线度偏差Δh i，并取最大负偏差的绝对值之和作为所求之直线度误差。 [例]设有一机床导轨，长2米（L=2000mm），采用桥板跨距l=250mm，用分度值c=0.02mm/m的水平仪，按节距法测得各点的读数a i（格）如表1。 表1
也可用作图法求出直线度误差，如图2。 作图法是在坐标纸上，以导轨长度为微坐标，各点读数累积为纵坐标，将测量得到的各点读数累积后标在坐标上，并将这些坐标点连成折线，以两端点连线作为评定基准，取最大正偏差与最大负偏差的绝对值之和，再换算为线值（μ），即为所求之直线度误差。 测量导轨直线度误差时，数据处理的根据，可由下图看出：（图3） A i — 导轨实际轮廓上的被测量点（i =0、1、2、……、n ）； a i — 各段上水平仪的读数（格）； Y i — 前后两测量点（i -1，i ）的高度差； h i — 各测点（A i ）到水平线（通过首点A 0）的距离（μ），显然 1 'i n i i h y == ∑
第16卷第4期 1997年12月 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 CH I N ESE JOU RNAL O F B I OM ED I CAL EN G I N EER I N G V o l.16N o.4 D ecem ber1997 生物组织光学性质的测量原理与技术3 谢树森 李 晖 (福建师范大学物理学系,福州350007) Ch ia T eck Chee (Schoo l of Science,N anyang T echno logical U niversity,Singapo re1025)本文讨论了组织光学性质参数的测量原理和技术,提出了一种新的测量和计算方法,采用联合测定组织体表面漫反射率和体内光能流率分布,并利用漫射理论和M onte Carlo模型的部分结论,可求出组织的光穿透深度,吸收系数和有效散射系数,以4种猪组织为例,研究了哺乳动物组织的光学性质,这一原理和技术可适用于人体组织光学性质的测量。 关键词: 组织光学;吸收;散射;漫射;M onte Carlo;漫反射率;光能流率 分类号: R197.39;R318.6 0 前 言 激光医学的进展,尤其是光动力学疗法(PD T)在临床上的深入应用,需要精确了解在一定光照条件下人体组织内的光能分布,以便安排最佳的光治疗方案。其中最关键的问题可归结为如何确定组织体的光学性质基本参数,即吸收系数Λa,散射系数Λs和散射位相函数S(Η)或平均散射余弦g。一旦已知这些光与组织的相互作用参数,在给定的光照方式和边界条件下,光能流率5(r)或其它参量如全反射率R,全透过率T等分布可由有关的数学模型唯一地确定[1,2]。 本文所提出的新方法系采用联合测定组织体表面漫反射率和组织体内部的光能流率分布,并利用漫射理论和M on te Carlo模型的部分结论,可求出组织的光学性质基本参数。 1 组织光学性质参数测量的理论基础 作为电磁波的光在组织中传播行为属于光与组织相互作用问题,在不考虑吸收的情况下,理论上由麦克斯韦方程组及组织体的电磁性质Ε,Λ或折射率,加上边界条件唯一地确定:即在所给定的条件下求解麦克斯韦方程,以得到电矢量在空间中和时间上的分布。其中必然出现一般光学中所有的各种现象,诸如干涉、衍射、反射和偏振等纯粹的物理光学问题。当组织存在光吸收时,应当考虑组织中原子分子的能级结构性质。换言之,此时应采用半经典理论,最严格的处理应使用全量子理论,不难想到,仅由于生物组织折射率的不均匀性,我们就无望获得麦氏方程的数值解,更不用说解析解了。 其实,可以把光在组织体中的传播进而有光能分布的物理实在,用一种粒子的传输过程来 国家自然科学基金和国家教委回国留学人员资助项目 1995年11月27日收稿,1996年4月29日修回
互换性实验指导书 机械工程学院
实验一量块的使用 一、实验目的 1、能正确进行量块组合，并掌握量块的正确使用方法； 2、加深对量值传递系统的理解； 3、进一步理解不同等级量块的区别； 二、实验仪器设备 量块；千分表；测量平板；被测件。 三、实验原理 量块的测量平面十分光洁和平整，当用力推合两块量块使它们的测量平面互相紧密接触时，两块量块便能粘合在一起，量块的这种特性称为研合性。利用量块的研合性，就可以把各种尺寸不同的量块组合成量块组。 四、实验内容与步骤 （一）实验内容 采用合理的量块组合，测量被测零件尺寸高度。 （二）实验步骤 1.用游标卡尺测量被测件 2.据所需要的测量尺寸，自量块盒中挑选出最少块数的量块。（每一个尺寸所拼凑的量块数目不得超过 4块，因为量块本身也具有一定程度的误差，量块的块数越多，便会积累成较大的误差。） 3.量块使用时应研合，将量块沿着它的测量面的长度反向，先将端缘部分测量面接触，使初步产生粘合力，然后将任一量块沿着另一个量块的测量面按平行方向推滑前进，最后达到两测量面彼此全部研合在一起。
4.将研合后的量块与被测件同时放到测量平板上，在测量平板上移动指示表的测量架，使指示表的测头与量块上工作表面相接触，转动指示表的刻度盘，调整指示表示值零位。 5.抬起指示表测头，将被测件放在指示表测头下，取下量块，记录下指示表的读数。 6.量块的尺寸与指示表的读数之和就是被测件的尺寸。 7. 记录数据； 五、思考题 量块按“等”测量与按“级”测量哪个精度比较高？
实验二常用量具的使用 一、实验目的 1、正确掌握千分尺、内径百分表、游标卡尺的正确使用方法； 2、掌握对测量数据的处理方法； 3、对比不同量具之间测量精度的区别。 二、实验仪器设备 外径千分尺；内径百分表；游标卡尺；轴承等。 三、实验原理 分度值的大小反映仪器的精密程度。一般来说，分度值越小，仪器越精密，仪器本身的“允许误差”（尺寸偏差）相应也越小。学习使用这些仪器，要注意掌握它们的构造特点、规格性能、读数原理、使用方法以及维护知识等，并注意要以后的实验中恰当地选择使用。 四、实验内容及实验步骤 （一）实验内容 1、熟悉仪器的结构原理及操作使用方法。 2、用外径千分尺、内径百分表、游标卡尺测量轴承内、外径。 3、对所测数据进行误差处理，得出最终测量结果。 （二）实验步骤 1、用游标卡尺测量轴承外径的同一部位5次（等精度测量），将测量值记入下表中，并完成后面的计算： ⑴平均值：将5次测量值相加后除以5，作为该测量点的实际值。 ⑵变化量：测量值中的最大值与最小值之差。 入上表中，并完成后面的计算： ⑴平均值：将5次测量值相加后除以5，作为该测量点的实际值。 ⑵变化量：测量值中的最大值与最小值之差。 ⑶测量结果：按规范的测量结果表达式写出测量结果。 3、内径百分表测量步骤： （1）内径百分表在每次使用前，首先要用标准环规、夹持的量块或外径千分尺对零，环规、夹持的量块和外径千分尺的尺寸与被测工件的基本尺寸相等。 （2）内径百分表在对零时，用手拿着隔热手柄，使测头进入测量面内，摆动直管，测头在X方向和Y方向(仅在量块夹中使用)上下摆动。观察百分表的示
第34卷第12期自动化学报Vol.34,No.12 2008年12月ACTA AUTOMATICA SINICA December,2008 在体生物光学成像技术的研究进展 李慧1,2戴汝为2 摘要在体生物发光成像和在体荧光成像是近年来新兴的在体生物光学成像技术,能够无损实时动态监测被标记细胞在活体小动物体内的活动及反应,在肿瘤检测、基因表达、蛋白质分子检测、药物受体定位、药物筛选和药物疗效评价等方面具有很大的应用潜力.本文详细介绍了在体生物发光成像和在体荧光成像的特点、系统及应用,比较了它们的异同,综述了在体生物光学成像技术的基本原理和应用领域,讨论了将其应用于临床的进一步发展方向. 关键词在体生物光学成像,生物发光成像,荧光成像 中图分类号R319 Development of In Vivo Optical Imaging LI Hui1,2DAI Ru-Wei2 Abstract With the emergence of in vivo optical imaging,bioluminescence imaging and?uorescence imaging can be used to non-invasively monitor the activities and responses of cells marked with optical signals in real time,which are considered to be promising tools for tumor detection,gene expression pro?ling,protein molecular detection,drug receptor localization,drug screening,and therapeutic evaluation.In this paper,the features,imaging systems,and applications of in vivo bioluminescence imaging and in vivo?uorescence imaging have been introduced and compared in detail.The basic theories,application?elds,and development of in vivo optical imaging in future are reviewed. Key words In vivo optical imaging,bioluminescence imaging(BLI),?uorescence imaging(FI) 随着荧光标记技术和光学成像技术的发展,在体生物光学成像(In vivo optical imaging)已经发展为一项崭新的分子、基因表达的分析检测技术,在生命科学、医学研究及药物研发等领域得到广泛应用,主要分为在体生物发光成像(Biolumi-nescence imaging,BLI)和在体荧光成像(Fluores-cence imaging)两种成像方式[1?2].在体生物发光成像采用荧光素酶(Luciferase)基因标记细胞或DNA,在体荧光成像则采用荧光报告基团,如绿色荧光蛋白(Green?uorescent protein,GFP)、红色荧光蛋白(Red?uorescent protein,RFP)等进行标记[3].利用灵敏的光学检测仪器,如电荷耦合摄像机(Charge coupled device camera,CCD camera),观测活体动物体内疾病的发生发展、肿瘤的生长及 收稿日期2007-08-08收修改稿日期2007-11-19 Received August8,2007;in revised form November19,2007国家自然科学基金(30500131),北京市优秀人才资助项目(20061D0501600216),中国博士后科学基金(20070410146)和中国科学院王宽诚博士后工作奖励基金资助 Supported by National Natural Science Foundation of China (30500131),Research Fund for Beijing Distinguished Specialists (20061D0501600216),Chinese Postdoctoral Science Foundation (20070410146),and Chinese Academy of Sciences K.C.Wong Postdoctoral Fellowships 1.首都师范大学教育技术系北京100048 2.中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室北京100190 1.Department of Education Technology,Capital Normal Uni-versity,Beijing100048 2.Key Laboratory of Complex Sys-tems and Intelligence Science,Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190 DOI:10.3724/SP.J.1004.2008.01449转移、基因的表达及反应等生物学过程,从而监测活体生物体内的细胞活动和基因行为[4?8]. 相对于其他成像技术,如核磁共振成像(Mag-netic resonance imaging,MRI)、计算机层析成像(Computed tomography,CT)、超声成像(Ultra-sonic imaging)、正电子发射断层成像(Positron emission tomography,PET)、单光子发射断层成像(Single photon emission computed tomography, SPECT)等,在体生物光学成像具有巨大的优越性,堪称是分子基因检测领域的革命性技术.它具有如下优点:较高的时间/空间分辨率;在肿瘤和良性/正常疾患之间有高的软组织对比度;成像对比度直接与生物分子相关,适于重要疾病的基因表达、生理过程的在体成像;获得信息丰富、适于多参数复合测量;价格适中等.尽管其测量范围与测量深度有限,但适用于小动物的整体在体成像和在体基因表达成像.表1和表2(见下页)分别给出了几种主要成像技术的应用场合及参数比较[5,9],可以看出,基于分子光学标记的在体生物光学成像技术已经在活体动物体内基因表达规律方面展示了较大优势.近年来,随着生物光学成像设备的研制以及转基因动物的研究,国外发达国家已经将在体生物光学成像技术广泛应用于肿瘤免疫及治疗、基因治疗、药物研发等领域并取得了许多成果[4?8]. 本文分别介绍了在体生物发光成像和在体荧光成像的特点、系统及主要应用,比较二者在分子探
第一章、对准、调焦 ?对准、调焦的定义、目的； 1.对准又称横向对准，是指一个对准目标与比较标志在垂直瞄准轴方向像的重合或置 中。目的：瞄准目标（打靶）；精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。 2、调焦又称纵向对准，是指一个目标像与比较标志在瞄准轴方向的重合。 目的： --使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间深度； --使物体（目标）成像清晰； --确定物面或其共轭像面的位置——定焦。 人眼调焦的方法及其误差构成； 清晰度法：以目标和标志同样清晰为准则； 消视差法：眼睛在垂直视轴方向上左右摆动，以看不出目标和标志有相对横移为准则。可将纵向调焦转变为横向对准。 清晰度法误差源：几何焦深、物理焦深； 消视差法误差源：人眼对准误差； 几何焦深：人眼观察目标时，目标像不一定能准确落在视网膜上。但只要目标上一点在视网膜上生成的弥散斑直径小于眼睛的分辨极限，人眼仍会把该弥散斑认为是一个点，即认为成像清晰。由此所带来的调焦误差，称为几何焦深。 物理焦深：光波因眼瞳发生衍射，即使假定为理想成像，视网膜上的像点也不再是一个几何点，而是一个艾里斑。若物点沿轴向移动Δl后，眼瞳面上产生的波像差小于λ/K(常取K=6)，此时人眼仍分辨不出视网膜上的衍射图像有什么变化。 （清晰度）人眼调焦扩展不确定度： （消视差法）人眼调焦扩展不确定度： 人眼摆动距离为b ?对准误差、调焦误差的表示方法； 对准：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示； 调焦：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示 ?常用的对准方式； 22 22 122 8 e e e D KD αλ φφφ ???? ''' =+=+ ? ? ???? 121 11e e l l D α φ'=-= 22 21 118 e l l KD λ φ'=-= e b δ φ'=
农产品生物组织的光学参数测量方法研究 徐志龙,王忠义,黄 岚,侯瑞锋 (中国农业大学信息与电气工程学院北京100083) 提要:为解决当前近红外光谱分析技术应用于农产品品质分析时所出现的预测模型不稳定、适应性不好、预测精度难于进一步提高等问 题,我们认为,研究组织内部的光学性质及其光传输规律是其关键。为此,我们首先要对农产品生物组织的光学参数进行检测研究。本文通过对生物组织光学参数目前常用的一些测量方法进行了分析研究,其中着重介绍了基于空间分辨技术、时间分辨技术和积分球技术的光学参数测量方法,并对这些方法的优缺点做了比较,为选择一种适用于农产品生物组织光学参数的测量方法提供了依据。 关键词:光学参数;Monte Carl o 仿真;空间分辨技术;时间分辨技术;积分球技术中图分类号:S1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2005)06-0087-03Investigation of measurement methods for determining the optical properties of agricultural products tissue XU Zhi -long ,WANG Zhong -yi ,HU ANG Lan ,HOU R ui -feng (College of Information and Electrical Engineering ,China Agricult ural U niversit y ,Beij ing ,100083,China ) Abs tract :At present ,near infrared s pectroscopy technology is widel y applied to quantitative analysis of agricultural products ,but a lot of problems are in the way ,for instance ,the calculation model is not stable and suitable enough for predicted samples ,the prediction precisi on is difficult to be improved more .To re -solve these problems ,we have to study the optical properties and light propagation in tis sue ,and the optical properties measurement methods are studied firstly .In this paper ,a few optical properties meas urement met hods us ed today are presented and investigated ;es peciall y ,the measurement methods bas ed on spatiall y -resolved s pectroscopy ,ti me -resolved s pectroscopy ,and integrating -sphere system are descri bed in detail .Acc ordingl y ,the advantages and dis advantages of these meas urement methods are compared t o s elect a s uitable meas urement method to determine the optical properties of agricultural products tissue . K ey words :optical propert y ;Monte Carlo simulation ;s patiall y -res ol ved technology ;time -resolved technology ;integrating -sphere technol ogy 收稿日期:2005-04-05 基金项目:科技部“十五”攻关项目(02EFN216900720)资助;中国农业大学信息与电气工程学院创新基金(KY -06)资助通讯作者:王忠义,工学博士,副教授。作者简介:徐志龙,中国农业大学硕士研究生,研究方向为生物光子学。 1 引言 近红外光谱分析技术在农产品品质分析领域的应用已经十分广泛,考虑到农产品形态的多样性和结构的复杂性给定量分析带来的不便,目前它所采用的分析方法多为系统方法,即通过扫描大量样品光谱来建立样品浓度和吸光度之间的相关模型,进而预测未知样品的浓度信息〔1,2〕。这种分析方法通过对研究对象的封装有效地避开了组织内部原本十分复杂的光传输过程,简化了分析模型:然而,同时也使得光传输过程中吸收和散射变化的细节信息被丢失,结果导致了光和组织的相互作用机理无法解释,光从组织中携带的信息量变化情况不明确,物理意义不清楚等一系列问题,而这些问题恰恰是当前分析模型不稳定、适应性不好、分析精度难于进一步提高等问题的根源所在。为此,我们有必要从组织内部出发,通过对组织光学特性及其光和组织相互作用规律等问题的研究来挖掘原本被丢失的重要信息,从而为进一步提高分析精确性和稳定性寻找出新的有效途径。 当前,对于生物组织内部光传输规律的研究在生物医学光子学领域已经十分普遍,并且在医学光学诊断、光学治疗上有了一些成功的应用〔3-4〕。我们通过借鉴它们的研究方法应用到农产品品质分析领域对进一步提高农产品品质分析水平应该是一个契机。生物医学光子学的研究告诉我们,生物组织光学参数的检测研究对于组织中光传输规律的研究有着重要的基础意义,光在组织内部的光传输、光分布情况归根结底都依赖于组织的光学参数变化。另外,光学参数作为生物组织内部光学特性的反映,与组织内部生理、病理和代谢过程中的物质变化情况都有着密切联系,这也是生物组织光学参数检测研究的意义所在。Cheong 等人〔5〕在1990年总结了一份测量生物组织光学参数的清单,其中列举了大量的生物组织光学参数测量结果及其相应的测量方法,为后续的研究工作提供了丰富的参考;然而,这些研究的对象大多集中在人体组织或者动物组织,对于农产品生物组织来说目前还未见相应的报道。所以,我们对农产品生物组织光学参数的检测研究就显得十分重要。本文的目的就是希望通过对生物组织光学参数目前一些常用的测量方法进行分析研究,从而为选择一种适用于农产品生物组织的光学参数测量方法提供依据。 2 生物组织光学参数及其测量方法 用来描述生物组织光学特性的基本光学参数有三个:吸收 系数μa 、散射系数μs 和各向异性散射因子g 。吸收系数μa 和散射系数μs 描述的是光在单位距离内因为被组织吸收或散射而损失的光能变化,单位都是mm -1。吸收系数μa 反映了生物组织中分子的原子能级信息,散射系数μs 反映了组织结构的显微不均匀性。各向散射异性因子g 是平均散射余弦,无量纲,用来表征组织中光分布的不均匀性和前向散射的大小,g =1表示完全前向散射,g =0表示完全同向散射,g =-1则表示完全后向散 射。除了上述三个基本光学参数以外,为了研究的方便还定义了其他一些光学参数,如反照率α、穿透深度τ、扩散系数D 等,对于这些光学参数来说,一般都可以由上述三个基本光学参数组合得到,在此就不再赘述。 根据生物组织所处的状态,确定其光学参数的方法一般有两类:一类是离体测量,也称为切片测量法,即根据光学参数的定义将组织切片后置于光学系统中进行测量的方法;一类是活体测量,也称为无损测量法,即通过测量组织表面的漫射光分布再根据特定的光传输理论来反演光学参数的方法。对于离体生物组织和活体生物组织来说,因为它们所处的生理状态差异较大,所以它们的光学参数也会有所不同。 若观察组织表面的漫射光分布,可以发现,光进入组织后其组织表面的漫射率是随着观察点与入射光源的距离增加而减小的。根据漫射近似理论,若选择入射光源为连续变化、窄脉冲变化和正弦调制时可以发展出基于空间分辨技术〔6-8〕、时间分辨技术〔9〕和频率分辨技术〔10〕的光学参数测量方法。目前常用的一般是前两种方法,而基于频率分辨技术的光学参数测量方法是通过对入射光进行调制引起光穿过组织后的相位变化、幅度变化来确定光学参数的一种方法。2.1 基于连续光源的空间分辨技术 当连续光源准直入射到半无限介质表面时,可以认为组织体内的光分布是和时间无关的一种稳态分布,组织表面某观察点距入射光源ρ处的漫反射率也是一定的,如图1所示。Farrell 等人〔6〕基于稳态漫射方程的推导,采用外延边界条件和两点正负镜像光源的近似方法,得到了组织表面距离光源ρ处的漫反射率公式: R (ρ)= α′4π〔1μ′t (μeff +1r 1)exp (-μeff r 1)r 21+(1μ′t +4A 3μ′t )(μeff +1r 2)exp (-μeff r 2 r 22 〕图1 组织表面距入射光源ρ处的漫反射率R (ρ) 其中,传输反照率α′=μ′s /(μ′s +μa ),μ′s =μs ( 1-g )是传输散射系数;有效衰减系数μeff =〔3μa (μa +μ′s )〕1/2;总衰减系数μ′t =μa +μ′s ; r 1和r 2是观察点到组织表面附近的正负镜像同性散射点光源之间的几何距离, r 1=〔(1/μ′t )2+ρ2〕1/2,r 2=〔(1/μ′t +4A /3μ′t )2+ρ2〕1/2 ;A 是组织内部反射系数,若组织和周围介质边界匹配则取A =1,典型的,若组织的相对折射率n =1.4,那么根据 Groenhuis 等人〔11〕 的计算取A =3.23。根据上述Farrell 公式,若在适当的组织表面范围内通过光纤或CCD 检测器获取这种漫射光分布的变化情况,那么就可以通过非线性拟合算法推算出组织的光学参数了。 87 《激光杂志》2005年第26卷第6期 LASER J OURNAL (Vol .26.No .6.2005)
《互换性与技术测量实验》实验指导书 （2016-2017-1） 互换性与技术测量教研组编 机械工程学院 2016年08月 班级： 学号： 姓名：
目录 实验一长度测量 (3) 实验二表面粗糙度测量 (9) 实验三齿轮齿圈径向跳动的测量 (13)
实验一长度测量 一、实验目的 1.了解和掌握杠杆千分尺、和立式数显光学计的测量原理、主要结构及使用方法。 2.应用上述仪器检验光滑极限量规。 3.巩固尺寸公差的概念,学会由测得数据判断零件合格性的方法。 二、仪器结构及工作原理 1.杠杆千分尺 杠杆千分尺相当于外径千分尺与杠杆式卡规组合而成，其外形如图1-1（a）所示。它的工作原理与杠杆式卡规及千分尺相同。可以用作相对测量，也可以作绝对测量。杠杆式卡规的工作原理如图1-1（b）所示。 （a）（b） 图1-1杠杆式卡规的工作原理图 当测量杆1移动时，使杠杆2转动，在杠杆的另一端装有扇形齿轮，可使小齿轮3和装牢在小齿轮轴的指针4转动，在刻度盘5上便可读出示值。为了消除传动中的空程，装有游丝6。测量力由弹簧8产生。为了防止测量面磨损和测量方便，装有退让器9。 杠杆千分尺刻度值有0.001毫米和0.002毫米两种（现在使用的是前者），表盘的示值范围±0.02毫米，测量力是500-800克，测力变化不大于100克。 2.立式数显光学计 立式光学计又称光学比较仪，集光电、机电于一体，是我国最先进的数显式光学仪器。直接测量可以达到10毫米。测量结果可以根据需要选择工、英制在显示屏上显示，也可以在任意位置置零。当被测工件大于10毫米时，在测量前用量块（或标准件）对准零位，被测尺寸与量块尺寸的差值在屏幕上读得。 立式数显光学计对五等量块和一级精度的量块，球形和圆柱形工件得直径和不圆度，线型、板型、金属及非金属薄膜的厚度和平行度进行高精度测量。 仪器基本度量指标：
实验一 外螺纹中径的测量 一、实验目的 熟悉测量外螺纹中径的原理和方法。 二、 实验内容 1. 用螺纹千分尺测量外螺纹中径。 2. 用三针测量外螺纹中径。 三、测量原理及计量器具说明 1. 用螺纹千分尺测量外螺纹中径 图1为螺纹千分尺的外形图。它的构造与外径千分尺基本相同，只是在测量砧和测量头上装有特殊的测量头1和2，用它来直接测量外螺纹的中径。螺纹千分尺的分度值为0.01毫M 。测量前，用尺寸样板3来调整零位。每对测量头只能测量一定螺距范围内的螺纹，使用时根据被测螺纹的螺距大小，按螺纹千分尺附表来选择，测量时由螺纹千分尺直接读出螺纹中径的实际尺寸。 图 1 2. 用三针测量外螺纹中径 图2为用三针测量外螺纹中径的原理图，这是一种间接测量螺纹中径的方法。测量时，将三根精度很高、直径相同的量针放在被测螺纹的牙凹中，用测量外尺寸的计量器具如千分尺、机械比较仪、光较仪、测长仪等测量出尺寸M 。再根据被测螺纹的螺距p 、牙形半角 2 α 和量针直径m d ，计算出螺纹中径2d 。由图2可知： )(222CD AD M AC M d --=-= 而 2sin 22 αm m d d BD AB AD +=+== ????? ? ??+2sin 112αm d
4 2α Pctg CD = 将AD 和CD 值代入上式，得： 22 2sin 1 12ααctg P d M d m +????? ? ? ?+ -= 对于公制螺纹，0 60=α，则 P d M d 866.032+-= 图 2 为了减少螺纹牙形半角偏差对测量结果的影响，应选择 合适的量针直径，该量针与螺纹牙形的切点恰好位于螺纹中径处。此时所选择的量针直径m d 为最佳量针直径。由图3可知： 2 cos 2α P d m = 对于公制螺纹，0 60=α，则 P d m 577.0= 在实际工作中，如果成套的三针中没有所需的最佳量针直径时，可选择与最佳量针直径相近的三针来测量。 量针的精度分成0级和1级两种：0级用于测量中径公差为4—8μm 的螺纹塞规；1级用于测量中径公差大于8μm 的螺纹塞规或螺纹工件。 测量M 值所用的计量器具的种类很多，通常根据工件的精度要求来选择。本实验采用杠千分尺来测量（见图4）。杠杆千分尺的测量范围有0—25，25—50，50—75，75—100mm 图 3 图 4 四种，分度值为0.002mm 。它有一个活动量砧1，其移动量由指示表7读出。测量前将尺体5装在尺座上，然后校对千分尺的零位，使刻度套筒管3、微分筒4和指示表7的示值都分别对准零位。测量时，当被测螺纹放入或退出两个量砧之间时，必须按下右侧的按钮8 使量
光学三维测量技术及应用 摘要：随着现代科学技术的发展，光学三维测量已经在越来越广泛的领域起到了重要作用。本文主要对接触式三维测量和非接触式三维测量进行了介绍。着重介绍了光学三维测量技术的各种实现方法及原理。最后对目前光学三维测量的应用进行了简单介绍。 1 引言 随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM以及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。。 光学测量是光电技术与机械测量结合的高科技。光学测量主要应用在现代工业检测。借用计算机技术，可以实现快速，准确的测量。方便记录，存储，打印，查询等等功能。 光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着现代检测技术的进步，特别是随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，三维测量技术逐步成为人们的研究重点。光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用。 2 三维测量技术方法及分类 三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。如图1所示。 图1 三维测量技术分类
2.1 接触式测量 物体三维接触式测量的典型代表是坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一种大型精密的三坐标测量仪器[1]，它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。 三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：（1）灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；（2）测量精度高且可靠；（3）可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。 早期的坐标测量机大多使用固定刚性测头，它最为简单，缺点也很多[2]。主要为（1）测量时操作人员凭手的感觉来保证测头与工件的接触压力，这往往因人而异且与读数之间很难定量描述；（2）刚性测头为非反馈型测头，不能用于数控坐标测量机上；（3）必须对测头半径进行三维补偿才能得到真实的实物表面数据。针对上述缺陷，人们陆续开发出各种电感式、电容式反馈型微位移测头，解决了数控坐标测量机自动测量的难题，但测量时测头与被测物之间仍存在一定的接触压力，对柔软物体的测量必然导致测量误差。另外测头半径三维补偿问题依然存在。三维测头的出现可以相对容易地解决测头半径三维补偿的难题，但三维测头仍存在接触压力，对不可触及的表面（如软表面，精密的光滑表面等）无法测量，而且测头的扫描速度受到机械限制，测量效率很低，不适合大范围测量。 2.2 非接触式测量 非接触式测量技术是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。随着各种高性能器件如半导体激光器LD、电荷耦合器件CCD、CMOS图像传感器和位置敏感传感器PSD等的出现，新型三维传感器不断出现，其性能也大幅度提高，光学非接触测量技术得到迅猛的发展。 非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量。其中，光学非接触式测量是非接触式测量中主要采用的方法。 3 光学非接触式三维测量的概述 光学非接触式三维测量技术根据获取三维信息的基本方法可分为两大类：被动式与主动式。如图2所示[3]。 主动式是利用特殊的受控光源（称为主动光源）照射被测物，根据主动光源的已知结构信息（几何的、物体的、光学的）获取景物的三维信息。被动式是在自然光（包括室内可控照明光）条件下，通过摄像机等光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息。