生物医学光子学光子测试技术

生物医学光子学光子测试技术第一页，共二十六页，编辑于2023年，星期日4.1Lightsource4.2Photoelectronicdetector

4.3Technologiesformeasuringweaklight

4.4Directmethodsformeasuringopticalpropertiesoftissue

Chapter4MeasurementtechnologiesinBiomedicalphotonics第二页，共二十六页，编辑于2023年，星期日Chapter4MeasurementtechnologiesinBiomedicalphotonics§4.1Lightsources§4.1.1光源的分类ContinuouswavelengthMonochromaticlightsource§4.1.2生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器第三页，共二十六页，编辑于2023年，星期日Continuouswavelength§4.1Lightsource(1)白炽灯钨丝加热。发射的是连续光谱在可见光谱段中部和黑体辐射曲线仅相差0.5%

在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差也不过2%。§

4.1.1光源的分类第四页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.1Lightsource(2)卤钨灯（Halogenlamp）通过上述的卤钨循环过程延长了灯泡的寿命，提高灯的色温并可提高发光效率。第五页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.1Lightsource(3)氘灯（Deuteriumlamp）阴极被加热后发射电子，电子由于受阳极电压的加速作用不断与气体高速碰撞，氘原子获得能量，从而使氘原子内层电子跃迁到高能级，处于激发态的氘原子返回到低能级时将发射光子第六页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.1Lightsource优点缺点应用白炽灯价格低、寿命也较长钨的熔点只有3680K，增加钨的工作温度导致钨的蒸发，使寿命降低光电测量中最常用的光源之一卤钨灯（Halogenlamp）控制了温度，则卤钨灯的波长和能量均稳定，价格较低，能量低，尺寸也较大。适用波长范围是320～1100nm。氘灯（Deuteriumlamp）连续和稳定的紫外辐射寿命有限，例如国产氘灯的寿命仅五百小时左右。波长范围是195～400nm。§4.1.1光源的分类第七页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.1Lightsource材料GaInNInGaAIP/GaAsGaAlPGaAlAs/GaAsGaP/GaPGaAlAsGaAs波长（nm）370，450，525562，574644660700880940表4-1发光二极管材料和发射波长准单色和单色光源：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。第八页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.1LightsourceLED材料材料化学式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)AlGaAsGaAsPAlGaInPGaP: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/GaNGaPAlGaInPAlGaP绿色磷化铝铟镓砷化镓磷化物磷化铟镓铝磷化镓GaAsPAlGaInPAlGaInPGaP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GaPZnSeInGaNSiC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AlNAlGaN波长为远至近的紫外线准单色和单色光源：LED第九页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.1Lightsource准单色和单色光源：LASER各类激光器气体激光器氦氖：0.6328um，1.15um，3.39um；CO2:10.6um；氩离子：0.488um，0.514um液体激光器有机溶剂：一些染料无机溶剂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PN结并采用电泵浦第十页，共二十六页，编辑于2023年，星期日

单色性方向性功率体积成本其他固体激光器好好高小较高储能能力强气体激光器最好最好较高大高输出频率很稳定液体激光器好发散角较大较小较小低廉某些溶液有毒性与腐蚀性半导体激光器差发散角大小最小最低输出特性受到温度影响明显各类激光器的性能比较§4.1Lightsource可调谐激光器tunablelaser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：LASER第十一页，共二十六页，编辑于2023年，星期日Chapter4MeasurementtechnologiesinBiomedicalphotonics§4.1Lightsources§4.1.1光源的分类ContinuouswavelengthMonochromaticlightsource§4.1.2生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器第十二页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.1Lightsource氢灯：195~400nm紫外波段；氘灯光谱分布与氢灯相似，强度比氢灯强3~5倍；

钨灯和卤钨灯320~2500nm连续光谱，可见近红外光源；金属陶瓷光源2500nm~25um；高压汞灯100um-1mm远红外。第十三页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.2Photoelectronicdetector§4.2Photoelectronicdetector§4.2.1光电检测器种类§4.2.2光电检测器的性能参数和光电探测器的选择第十四页，共二十六页，编辑于2023年，星期日光电检测器种类§4.2Photoelectronicdetector第十五页，共二十六页，编辑于2023年，星期日1、单通道探测器（1）光电倍增管（photomultipliertube,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获得倍增的电真空器件。主要由光电阴极（photocathode）和打拿极（倍增极，dynode）和阳极（anode）构成。光电倍增管§4.2Photoelectronicdetector第十六页，共二十六页，编辑于2023年，星期日PMTwithMCP微通道板（MCP）：MicrochannelPlate，中空的玻璃纤维通道束，通道内实现光子的全反射并倍增。用微通道板代替打拿极§4.2Photoelectronicdetector第十七页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.2Photoelectronicdetector第十八页，共二十六页，编辑于2023年，星期日ResponseCurvesAdvantagesofPMT具有从紫外到近红外区域的很高的光谱响应应灵敏度具有相当大的动态范围（约为60dB)）高的响应频率(100MHz)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，其内部增益可达108具有大光敏面积低噪声等效功率。缺点体积庞大量子效率低下需要高压电源（上千伏）为了降低热噪声，有些PMT要加有制冷甚至磁屏蔽。

§4.2Photoelectronicdetector第十九页，共二十六页，编辑于2023年，星期日

1、单通道探测器(2)光电二极管（photodiode,PD)（光伏探测器，利用PN结光伏效应）硅光电管：一般用于光通讯中，具有价格低的优点，但其低增益限制了它们在高灵敏度测量中的应用。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（avalanchephotodiode,APD)是光电管的一种特殊形式，通过对p-n结施加反向（约为2500V）电压产生的雪崩效应达到内部光电流的高增益但相对而言，APD的光接受面积较PMT小。

§4.2Photoelectronicdetector第二十页，共二十六页，编辑于2023年，星期日2.多通道探测器(1)PhotodiodeArrayHighlyintegratedwithreadoutcircuitry;operatingrangefrom180to1100nm;Gatingavailable.(2)Charge-CoupledDevice(CCD)Highquantumyield;two-dimensionalhighdensityimagingcapacity;verylowdarkcurrent;widespectralrangefromUVtoNIR;compact.(3)CMOSSensorArrayLowpowerconsumption;capabilityoflargescaleproductionoriginatesfromlowcostICtechnology;highintegration.(4)扫描相机（StreakCamera）扫描相机的优点是具有皮秒甚至飞秒的的时间分辨率（temporalresolution）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（dynamicranges）低于PMT。§4.2PhotoelectronicdetectorCCD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(ComplementaryMetal-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。第二十一页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.2Photoelectronicdetector§4.2Photoelectronicdetector§4.2.1光电检测器种类§4.2.2光电检测器的性能参数和光电探测器的选择第二十二页，共二十六页，编辑于2023年，星期日§4.2Photoelectronicdetector光电检测器的性能参数1、光谱响应范围（Spectralresponse）2、量子效率（Quantumefficiency）3、暗电流（darkcurrent）4、响应率（Responsivity）5、噪声等效功率（NoiseEquivalentPower，