[发明专利]重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法

权利要求书

1.一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量方法，其特征是，借助于基于单光子计数混浊介质光学参数测量装置实现，包括下列步骤：

(1)根据测量要求，利用多选一光开关，选择皮秒半导体激光器；

(2)稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强，再对时间相关单光子计数模块TCSPC系统进行系统响应测量，即指将入射光纤及接收光纤准直对接，测得的时间扩展函数即为系统脉冲响应函数；

(3)根据具体介质的尺寸和光学参数选择反射测量模式、透射测量模式或反透射相结合测量模式；利用时间相关单光子计数模块TCSPC系统测得通过介质后出射光的时间扩展曲线；

(4)根据测量方式选取扩散光模型解，并与之前测得的系统脉冲响应函数进行卷积，实现与测量过程中时间相关单光子计数模块TCSPC系统对理想时间扩展函数相同的作用；

(5)将卷积结果与实际介质表面出射光的时间扩展曲线进行拟合，此为一最小二乘问题，当达到测量所得时间扩展函数与卷积后的扩散方程之差最小时的吸收系数与约化散射系数即为混浊介质的光学参数。

2.根据权利要求1所述的一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量方法，其特征是，所述的选择反射测量模式时，相关步骤细化为：

(1)通过切换光开关选定一个波长的皮秒半导体激光器，稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强对时间相关单光子计数模块TCSPC系统进行空测，即将入射光纤及接收光纤准直对接，测得的时间扩展函数作为系统脉冲响应函数Γ_R^(h)，下标R表示反射模式；

(2)置入混浊介质样品，并再次调节可变衰减器得到适合光强，由接收光纤接收与入射光纤同一表面上一定距离d_R处的出射光，从而得到实际测量所得的时间扩散曲线Γ_R^(M)；

(3)求出理想的时间扩展函数，即半无限空间外推边界条件下的时域扩散方程解析解Γ_R^(δ)，当样品厚度d_T与d_R的比值超过2.5倍，并采用三对正负像源时，所得光子密度的相对误差可减少至10^-5，则其解析解为：

其中，μ_a为吸收系数，μ_s′为约化散射系数，假定各向同性点光源位于组织体表面 下z＝z₀＝1/μ_s′处，采用外推边界其数值实验所得到真实和虚拟边界的距离近似为 选用了三对正负像源位置分别是：第一个正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，第一个负像源的位置在-z₀-2z_b处，第二个正像源位置在2d_T+4z_b+z₀处，第二个负像源位置在2d_T+2z_b-z₀处，第三个正像源位置在-(2d_T+4z_b-z₀)处，第三个负像源位置在-(2d_T+6z_b+z₀)处，D为扩散系数，c为光子组织体中的传播速度，R_eff为光子在界面发生内反射的概率，当折射率为1.4时，经验值为0.493，z₀＝1/μ_s′，r₁＝z₀，r₂＝-z₀-2z_b，r₃＝2d_T+4z_b+z₀，r₄＝2d_T+2z_b-z₀，r₅＝-(2d_T+4z_b-z₀)，r₆＝-(2d_T+6z_b+z₀)， 时间相关单光子计数模块TCSPC模块设置4096个时间通道time-bin，门宽为17.1ps，即测量值为Γ^(M)＝[Γ^(M)(1)，Γ^(M)(2)，…，Γ^(M)(4096)]，对上述解析解以0.1ps为间距进行相应的离散化，再以每171个值进行平均作为该段的光流率，共取4096段即Γ^(δ)＝[Γ^(δ)(1)，Γ^(δ)(2)，…，Γ^(δ)(4096)]，然后与空测所得到时间扩展函数Γ^(h)＝[Γ^(h)(1)，Γ^(h)(2)，…，Γ^(h)(4096)]进行卷积： 

(4)将上述所得的卷积结果Г_R与实际测量所得的时间扩散曲线Г_R^(M)进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数，其中 求使f最小时的μ_a，μ_s′值，

s.t.0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ_s′≤5