生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)光子測試技術(shù)

生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)光子測試技術(shù)第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一4.1Lightsource4.2Photoelectronicdetector

4.3Technologiesformeasuringweaklight

4.4Directmethodsformeasuringopticalpropertiesoftissue

Chapter4MeasurementtechnologiesinBiomedicalphotonics第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一Chapter4MeasurementtechnologiesinBiomedicalphotonics§4.1Lightsources§4.1.1光源的分類ContinuouswavelengthMonochromaticlightsource§4.1.2生物醫(yī)學(xué)檢測、臨床診斷和治療中的激光器第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一Continuouswavelength§4.1Lightsource(1)白熾燈鎢絲加熱。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0.5%

在整個光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差也不過2%。§

4.1.1光源的分類第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.1Lightsource(2)鹵鎢燈（Halogenlamp）通過上述的鹵鎢循環(huán)過程延長了燈泡的壽命，提高燈的色溫并可提高發(fā)光效率。第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.1Lightsource(3)氘燈（Deuteriumlamp）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)層電子躍遷到高能級，處于激發(fā)態(tài)的氘原子返回到低能級時將發(fā)射光子第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.1Lightsource優(yōu)點缺點應(yīng)用白熾燈價格低、壽命也較長鎢的熔點只有3680K，增加鎢的工作溫度導(dǎo)致鎢的蒸發(fā)，使壽命降低光電測量中最常用的光源之一鹵鎢燈（Halogenlamp）控制了溫度，則鹵鎢燈的波長和能量均穩(wěn)定，價格較低，能量低，尺寸也較大。適用波長范圍是320～1100nm。氘燈（Deuteriumlamp）連續(xù)和穩(wěn)定的紫外輻射壽命有限，例如國產(chǎn)氘燈的壽命僅五百小時左右。波長范圍是195～400nm。§4.1.1光源的分類第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.1Lightsource材料GaInNInGaAIP/GaAsGaAlPGaAlAs/GaAsGaP/GaPGaAlAsGaAs波長（nm）370，450，525562，574644660700880940表4-1發(fā)光二極管材料和發(fā)射波長準(zhǔn)單色和單色光源：LEDLED：發(fā)光二極管由一個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)出的光的波長越短。能量約等于禁帶寬度強度可以通過調(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10萬小時。第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.1LightsourceLED材料材料化學(xué)式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)AlGaAsGaAsPAlGaInPGaP: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/GaNGaPAlGaInPAlGaP綠色磷化鋁銦鎵砷化鎵磷化物磷化銦鎵鋁磷化鎵GaAsPAlGaInPAlGaInPGaP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GaPZnSeInGaNSiC紅色，黃色，綠色氮化鎵(GaN)

綠色，翠綠色，藍色銦氮化鎵InGaN近紫外線，藍綠色，藍色碳化硅(用作襯底)SiC藍色硅(用作襯底)Si藍色藍寶石(用作襯底)Al2O3藍色硒化鋅ZnSe藍色鉆石C

紫外線氮化鋁,氮化鋁鎵AlNAlGaN波長為遠至近的紫外線準(zhǔn)單色和單色光源：LED第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.1Lightsource準(zhǔn)單色和單色光源：LASER各類激光器氣體激光器氦氖：0.6328um，1.15um，3.39um；CO2:10.6um；氬離子：0.488um，0.514um液體激光器有機溶劑：一些染料無機溶劑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，摻釹釔鋁石榴石半導(dǎo)體激光器PN結(jié)并采用電泵浦第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一

單色性方向性功率體積成本其他固體激光器好好高小較高儲能能力強氣體激光器最好最好較高大高輸出頻率很穩(wěn)定液體激光器好發(fā)散角較大較小較小低廉某些溶液有毒性與腐蝕性半導(dǎo)體激光器差發(fā)散角大小最小最低輸出特性受到溫度影響明顯各類激光器的性能比較§4.1Lightsource可調(diào)諧激光器tunablelaser是指在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器。

連續(xù)激光器相對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)，脈沖就類似照相機閃光燈的開關(guān)狀態(tài)，一閃一閃的。準(zhǔn)單色和單色光源：LASER第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一Chapter4MeasurementtechnologiesinBiomedicalphotonics§4.1Lightsources§4.1.1光源的分類ContinuouswavelengthMonochromaticlightsource§4.1.2生物醫(yī)學(xué)檢測、臨床診斷和治療中的激光器第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.1Lightsource氫燈：195~400nm紫外波段；氘燈光譜分布與氫燈相似，強度比氫燈強3~5倍；

鎢燈和鹵鎢燈320~2500nm連續(xù)光譜，可見近紅外光源；金屬陶瓷光源2500nm~25um；高壓汞燈100um-1mm遠紅外。第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.2Photoelectronicdetector§4.2Photoelectronicdetector§4.2.1光電檢測器種類§4.2.2光電檢測器的性能參數(shù)和光電探測器的選擇第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一光電檢測器種類§4.2Photoelectronicdetector第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一1、單通道探測器（1）光電倍增管（photomultipliertube,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轉(zhuǎn)換為電子并獲得倍增的電真空器件。主要由光電陰極（photocathode）和打拿極（倍增極，dynode）和陽極（anode）構(gòu)成。光電倍增管§4.2Photoelectronicdetector第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一PMTwithMCP微通道板（MCP）：MicrochannelPlate，中空的玻璃纖維通道束，通道內(nèi)實現(xiàn)光子的全反射并倍增。用微通道板代替打拿極§4.2Photoelectronicdetector第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.2Photoelectronicdetector第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一ResponseCurvesAdvantagesofPMT具有從紫外到近紅外區(qū)域的很高的光譜響應(yīng)應(yīng)靈敏度具有相當(dāng)大的動態(tài)范圍（約為60dB)）高的響應(yīng)頻率(100MHz)由于輸出電流在動態(tài)范圍內(nèi)正比于輸入到光陰極的光通量，其內(nèi)部增益可達108具有大光敏面積低噪聲等效功率。缺點體積龐大量子效率低下需要高壓電源（上千伏）為了降低熱噪聲，有些PMT要加有制冷甚至磁屏蔽。

§4.2Photoelectronicdetector第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一

1、單通道探測器(2)光電二極管（photodiode,PD)（光伏探測器，利用PN結(jié)光伏效應(yīng)）硅光電管：一般用于光通訊中，具有價格低的優(yōu)點，但其低增益限制了它們在高靈敏度測量中的應(yīng)用。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（avalanchephotodiode,APD)是光電管的一種特殊形式，通過對p-n結(jié)施加反向（約為2500V）電壓產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)達到內(nèi)部光電流的高增益但相對而言，APD的光接受面積較PMT小。

§4.2Photoelectronicdetector第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.多通道探測器(1)PhotodiodeArrayHighlyintegratedwithreadoutcircuitry;operatingrangefrom180to1100nm;Gatingavailable.(2)Charge-CoupledDevice(CCD)Highquantumyield;two-dimensionalhighdensityimagingcapacity;verylowdarkcurrent;widespectralrangefromUVtoNIR;compact.(3)CMOSSensorArrayLowpowerconsumption;capabilityoflargescaleproductionoriginatesfromlowcostICtechnology;highintegration.(4)掃描相機（StreakCamera）掃描相機的優(yōu)點是具有皮秒甚至飛秒的的時間分辨率（temporalresolution）并具有較好的紫外到近紅外的響應(yīng)靈敏度，但其動態(tài)范圍率（dynamicranges）低于PMT。§4.2PhotoelectronicdetectorCCD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。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，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。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)，中文學(xué)名為互補金屬氧化物半導(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級的半導(dǎo)體。第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.2Photoelectronicdetector§4.2Photoelectronicdetector§4.2.1光電檢測器種類§4.2.2光電檢測器的性能參數(shù)和光電探測器的選擇第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一§4.2Photoelectronicdetector光電檢測器的性能參數(shù)1、光譜響應(yīng)范圍（Spectralresponse）2、量子效率（Quantumefficiency）3、暗電流（darkcurrent）4、響應(yīng)率（Responsivity）5、噪聲等效功率（NoiseEquivalentPower，