生物医学光子学-scy-3-光子测试技术-20151125.ppt

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 Biomedical photonics4.1 Light sources 4.1.1 光源的分类光源的分类Continuous wavelengthMonochromatic light source 4.1.2 生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器Continuous wavelength4.1 Light source(1)白白炽炽灯灯钨丝钨丝加加热热。发发射的是射的是连续连续光光谱谱在可在可见见光光谱谱段中部和黑体段中部和黑体辐辐射曲射曲线仅线仅相差相差0.5%在整个光在整个光谱谱段内和黑体段内和黑体辐辐射曲射曲线线平均相差也不平均相差也不过过2%。4.1.1 光源的分类光源的分类4.1 Light source(2)卤钨卤钨灯（灯（Halogen lamp）通通过过上上述述的的卤卤钨钨循循环环过过程程延延长长了了灯灯泡泡的的寿寿命命，提提高高灯灯的的色温并可提高色温并可提高发发光效率光效率。4.1 Light source(3)氘氘灯（灯（Deuterium lamp）阴阴极极被被加加热热后后发发射射电电子子，电电子子由由于于受受阳阳极极电电压压的的加加速速作作用用不不断断与与气气体体高高速速碰碰撞撞，氘氘原原子子获获得得能能量量，从从而而使使氘氘原原子子内内层层电电子子跃跃迁到高能迁到高能级级，处处于激于激发态发态的的氘氘原子返回到低能原子返回到低能级时级时将将发发射光子射光子4.1 Light source优优点点缺点缺点应应用用白白炽炽灯灯价价格格低低、寿寿命命也也较长较长钨钨的的熔熔点点只只有有3680K，增增加加钨钨的的工工作作温温度度导导致致钨钨的的蒸蒸发发，使寿命降低，使寿命降低光光电电测测量量中中最最常常用用的的光光源源之之一一卤钨卤钨灯灯（Halogen lamp）控控制制了了温温度度，则则卤卤钨钨灯灯的的波波长长和和能能量量均均稳稳定定，价价格格较较低，低，能量低，尺寸也能量低，尺寸也较较大。大。适适用用波波长长范范围围是是3201100nm。氘氘灯灯（Deuterium lamp）连连续续和和稳稳定定的的紫紫外外辐辐射射寿寿命命有有限限，例例如如国国产产氘氘灯灯的寿命的寿命仅仅五百小五百小时时左右。左右。波波 长长 范范 围围 是是195 400nm。4.1.1 光源的分类光源的分类4.1 Light source材料材料GaInNGaInNInGaAIPInGaAIP/GaAs/GaAsGaAlPGaAlPGaAlAs/GGaAlAs/GaAsaAsGaP/GaPGaP/GaPGaAlAsGaAlAsGaAsGaAs波长波长（nm）370370，450，525562562，574644644660660700700880880940940表表4-1 4-1 发光二极管材料和发射波长发光二极管材料和发射波长准单色和单色光源：准单色和单色光源：LEDLED：发光二极管由一个PN结组成。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。能量约等于禁带宽度强度可以通过调控电压（所加电流）调节。一般工作电压2-3.6V，工作电流0.02-0.03A，使用寿命可达10万小时。4.1 Light sourceLED材料材料材料化学式材料化学式颜色颜色铝砷化镓 砷化镓 砷化镓磷化物磷化铟镓 铝磷化镓（掺杂氧化锌)AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO红色及红外线铝磷化镓 铟氮化镓/氮化镓 磷化镓 磷化铟镓铝 铝磷化镓InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP绿色磷化铝铟 镓砷化镓 磷化物 磷化铟镓铝 磷化镓GaAsPAlGaInP AlGaInP GaP高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色磷砷化镓GaAsP红色，橘红色，黄色磷化镓 硒化锌 铟氮化镓 碳化硅GaP ZnSe InGaN SiC红色，黄色，绿色氮化镓(GaN)绿色，翠绿色，蓝色铟氮化镓InGaN近紫外线，蓝绿色，蓝色碳化硅(用作衬底)SiC蓝色硅(用作衬底)Si蓝色蓝宝石(用作衬底)Al2O3蓝色硒化锌ZnSe蓝色钻石C紫外线氮化铝,氮化铝镓AlN AlGaN波长为远至近的紫外线准单色和单色光源：准单色和单色光源：LED4.1 Light source准单色和单色光源：准单色和单色光源：LASER各类激光器各类激光器气体激光器气体激光器氦氖：0.6328 um，1.15 um，3.39 um；CO2:10.6 um；氩离子：0.488 um，0.514 um液体激光器液体激光器有机溶剂：一些染料无机溶剂固体激光器固体激光器掺入不同离子的晶体或者玻璃：红宝石激光器，钛宝石激光器，掺钕钇铝石榴石半导体激光器半导体激光器PN结并采用电泵浦单色单色性性方向性方向性功功率率体体积积成成本本其他其他固体激光固体激光器器好好好好高高小小较较高高储能能力强储能能力强气体激光气体激光器器最好最好最好最好较较高高大大高高输出频率很稳定输出频率很稳定液体激光液体激光器器好好发散角发散角较大较大较较小小较较小小低低廉廉某些溶液有毒性与腐某些溶液有毒性与腐蚀性蚀性半导体激半导体激光器光器差差发散角发散角大大小小最最小小最最低低输出特性受到温度影输出特性受到温度影响明显响明显各类激光器的性能比较各类激光器的性能比较4.1 Light source可调谐激光器tunable laser 是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。连续激光器相对于脉冲激光器来说的，连续的就是输出激光是连续的一直开着的状态，脉冲就类似照相机闪光灯的开关状态，一闪一闪的。准单色和单色光源：准单色和单色光源：LASERChapter 4 Measurement technologies in Biomedical photonics4.1 Light sources 4.1.1 光源的分类光源的分类Continuous wavelengthMonochromatic light source 4.1.2 生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器4.1 Light source氢灯：195400 nm紫外波段；氘灯光谱分布与氢灯相似，强度比氢灯强35倍；钨灯和卤钨灯3202500 nm连续光谱，可见近红外光源；金属陶瓷光源2500 nm25 um；高压汞灯100 um-1 mm远红外。4.2 4.2 Photoelectronic detector4.2 Photoelectronic detector 4.2.1 光光电检测电检测器种器种类类 4.2.2 光电检测器的性能参数和光电探测光电检测器的性能参数和光电探测器的选择器的选择光光电检测电检测器种器种类类 4.2 4.2 Photoelectronic detector1、单通道探测器、单通道探测器（1）光电倍增管（）光电倍增管（photomultiplier tube,PMT）利用外光电效应的一种光电器件，把微弱的输入光信号转换为电子并利用外光电效应的一种光电器件，把微弱的输入光信号转换为电子并获得倍增的电真空器件。获得倍增的电真空器件。主要由光电阴极（主要由光电阴极（photocathode）和打拿极（倍增极，）和打拿极（倍增极，dynode）和阳极）和阳极（anode）构成。）构成。光电倍增管光电倍增管 4.2 4.2 Photoelectronic detectorPMT with MCP微通道板（微通道板（MCP）：）：Microchannel Plate，中空的玻璃纤维，中空的玻璃纤维通道束，通道内实现光子的全反射并倍增。通道束，通道内实现光子的全反射并倍增。用微通道板用微通道板代替打拿极代替打拿极 4.2 4.2 Photoelectronic detector 4.2 4.2 Photoelectronic detectorResponse CurvesAdvantages of PMT具有从紫外到近具有从紫外到近红红外区域的很高的外区域的很高的光光谱谱响响应应应应灵敏度灵敏度具有相当大的具有相当大的动态动态范范围围（约为约为60dB)）高的响高的响应频应频率率(100MHz)由于输出电流在动态范围内正比于由于输出电流在动态范围内正比于输入到光阴极的光通量，其内部增输入到光阴极的光通量，其内部增益可达益可达108具有大光敏面积具有大光敏面积低噪声等效功率。低噪声等效功率。缺点缺点体体积庞积庞大大量子效率低下量子效率低下需要高需要高压电压电源（上千伏）源（上千伏）为为了降低了降低热热噪声，有些噪声，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、单通道探测器、单通道探测器(2)(2)光电二极管（光电二极管（photodiode,PD)photodiode,PD)（光伏探测器，利用（光伏探测器，利用PNPN结光伏效应）结光伏效应）硅光电管：硅光电管：一般用于光通讯中，具有价格低的优点，但其一般用于光通讯中，具有价格低的优点，但其低增益低增益限制了限制了它们在高灵敏度测量中的应用。它们在高灵敏度测量中的应用。PIN PIN（在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层）雪崩光电管（雪崩光电管（avalanche photo diode,avalanche photo diode,APD)是光电管的一种特殊形式，通过对是光电管的一种特殊形式，通过对p-n结施加反向（约为结施加反向（约为2500V）电压产生）电压产生的雪崩效应达到内部光电流的的雪崩效应达到内部光电流的高增益高增益但相对而言，但相对而言，APD的光接受面积较的光接受面积较PMT小。小。4.2 4.2 Photoelectronic detector2.2.多通道探测器多通道探测器(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 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)扫描相机扫描相机 （Streak Camera）扫描相机的优点是具有皮秒甚至飞秒的的时间分辨率（扫描相机的优点是具有皮秒甚至飞秒的的时间分辨率（temporal resolution）并具有较好的紫外到近红外的响应灵敏度，但其）并具有较好的紫外到近红外的响应灵敏度，但其动态范围率（动态范围率（dynamic ranges）低于低于PMT。4.2 4.2 Photoelectronic detectorCCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N 和 P级的半导体。4.2 4.2 Photoelectronic detector4.2 Photoelectronic detector 4.2.1 光光电检测电检测器种器种类类 4.2.2 光电检测器的性能参数和光电探测光电检测器的性能参数和光电探测器的选择器的选择 4.2 4.2 Photoelectronic detector光电检测器的性能参数光电检测器的性能参数1、光谱响应范围、光谱响应范围（Spectral response）2、量子效率（、量子效率（Quantum efficiency）3、暗电流、暗电流（dark current）4、响应率（、响应率（Responsivity）5、噪声等效功率（、噪声等效功率（Noise Equivalent Power，NEP）和探测度（）和探测度（Detectivity）6、响应时间（、响应时间（Detector response time）7、线性度（、线性度（Linearity）4.2 4.2 Photoelectronic detector1、光谱响应范围、光谱响应范围（Spectral response）光谱响应范围：保持入射光功率恒定，改变光波波长，光电探测器输出的光电流降低到峰值一半时所对应的两个入射激光波长分别称为光电探测器的短波限和长波限。短波限和长波限之间的波长范围即为光谱响应范围。4.2 4.2 Photoelectronic detector2、量子效率（、量子效率（Quantum efficiency）4.2 4.2 Photoelectronic detector3、暗电流、暗电流（dark current）定义：定义：光电探测器在无光照下的输出电流，是一个噪声源光电探测器在无光照下的输出电流，是一个噪声源4、响应率（、响应率（Responsivity）或称灵敏度）或称灵敏度定义：定义：探测器在一定偏置电压下，输出电流（电压）和入射光功率之比探测器在一定偏置电压下，输出电流（电压）和入射光功率之比响应率就是该曲线的斜率响应率就是该曲线的斜率Input powerOutput current 4.2 4.2 Photoelectronic detector5、噪声等效功率（、噪声等效功率（Noise Equivalent Power，NEP）和探测度（）和探测度（Detectivity）NEP的的值值越小，越小，D或或D*越大，探越大，探测测器在噪声情况下可探器在噪声情况下可探测测的最的最小小辐辐照度就越低，照度就越低，对对小信号的探小信号的探测测能量越能量越强强。Vs/Vn又叫做信噪比 4.2 4.2 Photoelectronic detector6、响应时间（、响应时间（Detector response time）：）：探测器对光强变化探测器对光强变化的响应速度的响应速度7、线性度（、线性度（Linearity）：）：探测器的输出与输入光辐通量成探测器的输出与输入光辐通量成比例的程度和范围比例的程度和范围Imax0.9Imax0.1Imaxrise timefall timedetectorsourceEnd