[发明专利]用结构入射光测定混浊介质光学特征的方法与系统

说明书

相关申请

本发明申请的优先权基于2008年10月1日递交的序号为61/101，762的美国临时专利申请，该申请所公开的全部内容引用于本申请。

技术领域

本发明涉及可测定一个混浊介质样品的基于吸收系数，散射系数和/或各向异性参数的用结构入射光测定混浊介质光学特征的方法与系统。

背景技术

如何根据有限的反射光信号测定混浊介质光学特征是一个非常引人注意的问题(1，2)(该括号内的数字以及后面出现的括号内的数字与后面的参考文献相对应)。尽管反射光测量方法具有无创伤探测与状态判断的潜在功能，如何利用可包含上万个信号的反射率图像数据达到上述目标还是一个具有挑战性的问题(3)。测定混浊介质特征的光学方法可应用于包括工业材料分析、生命科学、生物与化学研究等很多领域，但需要可准确描述光与混浊介质相互作用的模型。例如公认的最准确的光学模型为辐射传输理论，该理论使用三个光学参数描述材料特征：μ_a(吸收系数)，μ_s(散射系数)和g(各向异性参数)。但一般情况下基于辐射传输理论所表述的问题只有在引入各种近似条件下才能求得解析形式的解。

辐射传输理论的一种近似为光子传输的扩散模型。扩散模型是辐射传输理论的一种近似，其假设为所测量的散射光信号分布满足扩散条件。扩散模型虽然不如辐射传输模型准确，但可以用于测定μ_a和μ_s′(约化散射系数＝μ_s(1-g))。扩散模型的一个潜在优点为在μ_s′相同的条件下其计算结果与μ_s和g值无关。此关系称为相似性原理。如果反射光信号主要为经过多次散射的光，则扩散模型比较准确。因此，扩散模型与相似性原理在下述情况下具有较好的准确性：光源-探测器距离较大以及具有较大的μ_s与μ_a比值或g值较小的材料。

一个基于扩散模型的空间分辨漫反射率的(SRDR)方法广泛应用于μ_a和μ_s′的测定，其所使用的反射率信号可用连续(cw)或调频光测量。此方法将入射光束作为光散射的点光源，利用与样品接触的光纤或聚焦在样品表面上一小点的方式导入样品之内。反射光信号则在与光源距离不同的多点处测量(2，16)。SRDR方法也可通过成像方式以非接触和合并像素的方式而非单传感器方式测量多点反射光信号(17-19)。最近报道的一种方法对基于成像方式的SRDR方法作了进一步的改进，先根据扩散模型测定μ_s′，然后再通过蒙特卡罗方法完成在倾斜聚焦入射光束照射下的第二幅反射率图像的仿真并将μ_s和g自μ_s′分开(20)。尽管SRDR方法有了这些改进，当光源-探测器距离较小和/或样品的a(＝μ_s/(μ_a+μ_s))值小和/或样品的g值大时光信号并不以经过多次散射的光为主，SRDR方法所依据的扩散模型还是会在通过逆运算获得光学参数时引入误差。其次，SRDR方法无法充分利用成像方法相对于单传感器的特点，即具有许多像素但每个像素的动态测量范围有限。最后，现有的包括SRDR方法在内的反射率测量方法一般无法测定其光学参数随区域变化而变化的非均匀混浊介质，包括一种介质包埋在另一种介质之内的情况。

光纤可在SRDR方法中用于探测来自于样品介质的反射信号。例如，在序号为20060247532的美国专利申请中，Ramanujam提出了一种根据光纤探测反射光信号和紫外-红外谱段的光学光谱仪测量漫反射率的迭代计算过程测定生物组织的吸收与散射系数。自所测量的漫反射率获得吸收与散射系数的计算是通过一种蒙特卡罗模型进行的，该模型基于相似性原理以提高计算速度。但这种方法只能测定μ_a和μ_s′，而不是μ_a，μ_s和g。

此外，使用光纤进行光探测时一般需要将光纤探头与样品介质接触，容易产生测量误差。更进一步地，上述讨论的光纤探测技术可能只限于测量均匀的或具有均匀层结构的样品。所以光纤方法探测反射光信号会在一些应用中特别是在测定非均匀样品时受到限制。

发明内容

本发明提供一种用结构入射光测定混浊介质光学特征的方法。