專利名稱：物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于光學(xué)方法對(duì)物質(zhì)濃度的無損檢測(cè)的方法以及裝置，尤 其適用對(duì)生物體中的眼房水糖濃度等進(jìn)行無損檢測(cè)等用途。
背景技術(shù)：
對(duì)含有多種成份的物質(zhì)中某種特定成份含量的測(cè)量具有廣闊的應(yīng)用 前景。
雖然現(xiàn)有技術(shù)中已發(fā)展出多種多樣的檢測(cè)方法，但在特定場(chǎng)合下的檢 測(cè)仍可能具有一定困難。比如，在復(fù)雜的環(huán)境下無法取得樣品或不便取得 樣品時(shí)，就需要無損檢測(cè)。典型的例子是糖尿病人對(duì)血糖濃度進(jìn)行自我監(jiān) 測(cè)，以及，當(dāng)不能打開瓶子對(duì)瓶子里溶液的濃度的檢測(cè)，等等。
糖尿病是由于人體體內(nèi)胰島素的相對(duì)或絕對(duì)不足而引起的糖、脂肪和 蛋白質(zhì)代謝紊亂性疾病。隨著人們生活水平的逐漸提高，人們的體力勞動(dòng) 量明顯下降，同時(shí)伴隨飲食結(jié)構(gòu)的不合理，糖尿病越來越成為影響人們身 體健康的一大疾病。糖尿病的危害在于人體血液中葡萄糖濃度的波動(dòng)過大，
從而引發(fā)各種并發(fā)疾病，如心血管、眼科等疾病。WHO推薦糖尿病患者 對(duì)血糖濃度進(jìn)行自我監(jiān)測(cè)，并以此為依據(jù)，精確、及時(shí)地調(diào)整降糖藥物和 胰島素的用量，將血糖濃度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。
現(xiàn)有的通過美國(guó)FDA認(rèn)證的血糖檢測(cè)方法，都是有損或者微損檢測(cè) 方式，如美國(guó)強(qiáng)生公司的Onetouch血糖儀，這些儀器需要在人體采集一定 量的血液樣本，來測(cè)試人體的血液中葡萄糖濃度。即使是微小的采血液量， 對(duì)于每天要測(cè)試數(shù)次的病人來說也已經(jīng)是非常痛苦了。相對(duì)于有損檢測(cè)， 無損檢測(cè)方式有明顯的優(yōu)勢(shì):(l)減少患者每天采血測(cè)量的痛苦，提高病人的 生活質(zhì)量;(2)可方便地增加血糖測(cè)試次數(shù)，提高血糖控制精確度，降低糖 尿病并發(fā)癥發(fā)生的危險(xiǎn);(3)降低每次測(cè)量的成本。鑒于全世界龐大的糖尿病 人數(shù)，無損血糖檢測(cè)儀有著很大的市場(chǎng)空間，國(guó)外很多大公司和研究機(jī)構(gòu) 都投入了大量的精力來研究人體血糖的無損檢測(cè)問題。國(guó)外研究比較多的 方法有近紅外光譜分析法、旋光偏振法、喇曼光譜分析法、光聲法等，然而這些方法普遍存在信噪比低、精度和靈敏度不夠高等缺點(diǎn)，到目前為止， 都還無法得到臨床應(yīng)用。
紅外光譜法的理論,據(jù)是郎伯-比爾(Lambert-Beer)定律。當(dāng)吸光樣品 厚度為d時(shí)，如射入出射光強(qiáng)滿足/ = 6-式中，I。、 I分別為入射和出 射光強(qiáng)，a為樣品的吸光系數(shù)，c為被測(cè)組分濃度，ac(以下記為A， A=ac) 為被測(cè)組分吸光度。由于組織中存在多種對(duì)紅外光有吸收作用的成分，而 且它們的吸收譜段互相重疊，因而給其中單一成分糖濃度的定量分析帶來 較大困難。
設(shè)組織中含有n種組分，其濃度分別為C1， C2，…Cn，并且每一組 分對(duì)光的吸收作用均符合郎伯-比爾定律，第i個(gè)波長(zhǎng)時(shí)第j個(gè)組分的吸光 系數(shù)為aij，則可建立組織在各波長(zhǎng)的吸光度方程組為
<formula>complex formula see original document page 5</formula>
即
各組分吸光系數(shù)a,j已知，可以在現(xiàn)有技術(shù)中查表得到，或者用一系列的標(biāo) 準(zhǔn)濃度糖溶液來標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)中測(cè)出吸光度Ai，即可解算出各組分的濃度 d， C2， ...Cn。在數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)用化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)法分析譜數(shù)據(jù)可以利用特 定波長(zhǎng)上光吸收量與糖濃度間的定標(biāo)模型來估算糖溶液的濃度。
但傳統(tǒng)的近紅外光譜法測(cè)量血糖采用將光線射入人體皮膚后接收來 自真皮層的漫反射光子的方式，由于人體皮膚的散射系數(shù)很大，若加大光 程長(zhǎng)度會(huì)使得信噪比急劇下降，所以典型的平均光程長(zhǎng)度僅為1.5mm左 右。而在其他條件不變的前提下，此類方法的探測(cè)靈敏度與紅外光所經(jīng)過 吸收物質(zhì)的光程成正比，短光程就顯著影響了其探測(cè)靈敏度。
另外，此類方法的探測(cè)靈敏度與系統(tǒng)的信噪比成正比關(guān)系，若采用將 光線射入人體皮膚后接收來自真皮層的漫反射光子的方法系統(tǒng)的典型信噪 比在104量級(jí)，有待進(jìn)一步提高。
現(xiàn)有技術(shù)在血糖濃度的檢測(cè)方面所存在的上述缺點(diǎn)也存在于其他場(chǎng) 合各種物質(zhì)濃度的無損檢測(cè)。比如，當(dāng)需要檢測(cè)瓶子里溶液的濃度而又不 能打開瓶子時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種物質(zhì)濃度的無損檢測(cè)方法及裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)裝置，包 括光源、麥克爾遜干涉儀、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算裝置，所述麥克 爾遜干涉儀中的分光器將來自光源的光線分別反射或透射到參考臂和測(cè)量 臂，并將來自參考臂和測(cè)量臂的光線混合干涉后出射到光電檢測(cè)器，光電 檢測(cè)器的信號(hào)則輸出到數(shù)據(jù)處理及計(jì)算裝置；其特征是還包括光耦合裝
置、分光裝置，所述光源的出射光包括兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光，不 同波長(zhǎng)的光經(jīng)耦合后再入射到所述麥克爾遜干涉儀，從而所述麥克爾遜干 涉儀出射的干涉光也包括兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)，出射光經(jīng)分光裝置分 光后，各波長(zhǎng)的光分別出射到各自對(duì)應(yīng)的光電檢測(cè)器。
在優(yōu)選實(shí)施例中，還包括如下特征
所述兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光中至少有一個(gè)相對(duì)于被測(cè)物質(zhì)的吸 收率高于其他波長(zhǎng)的光的吸收率。
在所述計(jì)算裝置中，特定物質(zhì)濃度的計(jì)算公式為<formula>complex formula see original document page 6</formula>
其中^ = 4、 A = A，可經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，au和a21為被測(cè)物質(zhì)在兩波長(zhǎng)
下的吸光系數(shù)，為已知的物理常數(shù)，d光線在被測(cè)物載體中的單程光程， 可通過儀器精確測(cè)量且長(zhǎng)期穩(wěn)定不變。
所述裝置采用光纖光路系統(tǒng)，其中所述耦合裝置和分光裝置分別采用 波分復(fù)用器和解波分復(fù)用器，麥克爾遜干涉儀中的分光器則采用2X2雙波
長(zhǎng)稱合器o
還包括準(zhǔn)直鏡、XY方向掃描組件和聚焦鏡，測(cè)量臂側(cè)的光線依次經(jīng) 準(zhǔn)直鏡、XY方向掃描組件和聚焦鏡進(jìn)入人眼。
本發(fā)明還提出一種物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)方法，其特征是包括以下 步驟
A、應(yīng)用光學(xué)干涉法檢測(cè)光線經(jīng)過被測(cè)物及其載體后的背向散射光強(qiáng); B、分析不同波長(zhǎng)下光線經(jīng)被測(cè)物及其載體吸收后信號(hào)的變化，并據(jù)此計(jì)算被測(cè)物濃度。
所述步驟A的實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)一步包括將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的低相干光源經(jīng) 波分復(fù)用器耦合入射到麥克爾遜干涉儀中的分光器，經(jīng)分光后分別進(jìn)入?yún)?考臂和測(cè)量臂，進(jìn)入?yún)⒖急鄣囊宦饭饨?jīng)準(zhǔn)直后照射到一個(gè)位置前后移動(dòng)的 反射鏡上并沿原路返回分光器；進(jìn)入測(cè)量臂的一路投射入被測(cè)物載體，其
反射光原路返回分光器;兩路反射光經(jīng)分光器匯合時(shí)發(fā)生干涉后，射入光 探測(cè)器；在所述步驟B中，光探測(cè)器輸出的電信號(hào)接入后續(xù)處理及計(jì)算裝 置，進(jìn)行特定物質(zhì)濃度的計(jì)算。
在優(yōu)選實(shí)施例中，還包括如下特征
所述兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光中至少有一個(gè)相對(duì)于被測(cè)物質(zhì)的吸 收率高于其他波長(zhǎng)的光的吸收率。
在所述步驟B中，特定物質(zhì)濃度的計(jì)算公式為
其中^ = 4、 1 = ^1，可經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，an和a2i為被測(cè)物質(zhì)在兩波長(zhǎng)
下的吸光系數(shù)，為已知的物理常數(shù)，d光線在被測(cè)物載體中的單程光程， 可通過儀器精確測(cè)量且長(zhǎng)期穩(wěn)定不變。
被測(cè)對(duì)象為人眼房水葡萄糖濃度，測(cè)量臂側(cè)的光線依次經(jīng)準(zhǔn)直鏡、XY 方向掃描組件和聚焦鏡進(jìn)入人眼。
本發(fā)明應(yīng)用光學(xué)干涉方法探測(cè)反射光強(qiáng)信息，通過分析不同波長(zhǎng)下光 線經(jīng)吸收后信號(hào)的變化來間接測(cè)量物質(zhì)濃度。與背景技術(shù)相比具有的有益
效果是
(一) 由于本裝置的結(jié)構(gòu)為非接觸測(cè)量，易于操作和應(yīng)用比如當(dāng)用于 眼房水葡萄糖濃度檢測(cè)時(shí)，只類似于眼科檢查，因此容易被接受，使用操 作亦比較方便。(而原有的探測(cè)真皮層血液中葡萄糖濃度的方法不僅要求探 頭直接與皮膚接觸，且測(cè)量結(jié)果與接觸時(shí)的壓力直接相關(guān)，增加了測(cè)量的 復(fù)雜程度及不確定因素。)
(二) 采用光學(xué)干涉方法，利用探測(cè)光子的干涉信息的辦法，可以做到 只采集返回自特定深度的光子，使得系統(tǒng)具有高信噪比，而此類方法的探測(cè)靈敏度與系統(tǒng)的信噪比成正比關(guān)系，因此高信噪比意味著高靈敏度。比 如，當(dāng)本方法用于眼房水葡萄糖濃度檢測(cè)時(shí)，若采用將光線射入人體皮膚
后接收來自真皮層的漫反射光子的方法系統(tǒng)的典型信噪比在104量級(jí)，而 采用本發(fā)明所用的方法信噪比至少可達(dá)105量級(jí)。
(三)經(jīng)過的光程更長(zhǎng)，使得靈敏度更高在其他條件不變的前提下， 光譜法的探測(cè)靈敏度與光所經(jīng)過吸收物質(zhì)的光程成正比。本發(fā)明采用光學(xué) 干涉方法，可選擇采集返回自深度較大的位置處的光子，從而提高光程。 比如，當(dāng)本方法用于眼房水葡萄糖濃度檢測(cè)時(shí)，可以選擇采集反射光線，
光線兩次經(jīng)過人眼房水，按正常人眼前房長(zhǎng)度3.5mm計(jì)算，光程長(zhǎng)度可達(dá) 7mm左右，比傳統(tǒng)方法提高了數(shù)倍(如上所述，傳統(tǒng)方法典型的平均光程 長(zhǎng)度為1.5mm左右)。


圖1是本發(fā)明檢測(cè)裝置具體實(shí)施方式
一示意圖2是本發(fā)明檢測(cè)裝置具體實(shí)施方式
二示意圖。
具體實(shí)施例方式
下述實(shí)施例的描述是以檢測(cè)眼房水葡萄糖濃度為例進(jìn)行說明的，但本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以知道，本方法和裝置同樣可以用于其他混合物體 中某一組分含量的測(cè)量。
一、基于近紅外吸收與光學(xué)相干層析成像的血糖無損檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)施例眼房水葡萄糖濃度的無損光學(xué)檢測(cè)方法是這樣實(shí)現(xiàn)的 應(yīng)用光學(xué)千涉法檢測(cè)人眼虹膜的背向散射光強(qiáng)，通過分析不同波長(zhǎng)下光線 經(jīng)眼內(nèi)房水吸收后信號(hào)的變化來間接檢測(cè)人體眼房水的葡萄糖濃度。以雙 波長(zhǎng)系統(tǒng)為例，其方法的具體步驟如下
a、 首先對(duì)一個(gè)與人眼虹膜有著相同的散射和吸收系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn) 行背向散射光強(qiáng)監(jiān)測(cè)，得到未經(jīng)房水吸收時(shí)兩個(gè)波長(zhǎng)下的信號(hào)強(qiáng)度，設(shè)其
分別為A10與A20，因系統(tǒng)的信號(hào)可以認(rèn)為與光強(qiáng)成正比，因此有，A10/A20=I10/I20,其中11()與12()分別為兩種波長(zhǎng)下的入射光強(qiáng)。
b、 如圖1所示將第一光源1和第二光源2發(fā)出的光通過雙向色鏡3 (該鏡對(duì)光源l所發(fā)出波長(zhǎng)的光透射，對(duì)光源2所發(fā)出波長(zhǎng)的光反射)耦
合成一束，通過麥克爾遜干涉儀中的分光器分為兩束， 一束射向振動(dòng)式參
考反射鏡5，另一束射向人眼前房6，透過角膜、房水后到達(dá)虹膜，由虹膜 產(chǎn)生的背向散射光和來自振動(dòng)式參考反射鏡的反射光返回到分光器4處疊
加發(fā)生干涉，從兩個(gè)光源發(fā)出的兩個(gè)波長(zhǎng)的光都產(chǎn)生干涉光信號(hào)；
c、 所述的干涉光信號(hào)從分光器4射出后再次經(jīng)第二雙向色鏡7將兩 個(gè)波長(zhǎng)的光分開，分別由兩個(gè)光電探測(cè)器8、 9接收，并轉(zhuǎn)換成干涉光電信 號(hào)；
d、 信號(hào)處理分析器接收所述的干涉光電信號(hào)，經(jīng)放大、處理、解調(diào)， 得到虹膜對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)光的反射信號(hào)強(qiáng)度A與A2，同樣有4 = #，其中I,
與l2分別為兩種波長(zhǎng)下的出射光強(qiáng)。此時(shí)的光會(huì)有兩次經(jīng)過人眼，經(jīng)過眼 前房時(shí)，房水中的水、葡萄糖等物質(zhì)會(huì)對(duì)紅外光產(chǎn)生吸收，根據(jù)背景介紹
中的郎伯-比爾(Lambert-Beer)定律，假設(shè)房水中有n種組分，其中第一種 組分為葡萄糖，即葡萄糖水溶液的濃度為Cp在兩個(gè)波長(zhǎng)下的吸光系數(shù)分 別為a 和a21，此時(shí)的出射光強(qiáng)Ii與12分別為
<formula>complex formula see original document page 9</formula>20
將兩式相除可得:
<formula>complex formula see original document page 9</formula>兩邊取對(duì)數(shù)可得 [(flu -a21)q +"2 _a22)c2 +.. + " -^)c"]"ln^"-
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
可選取適當(dāng)?shù)募t外光波長(zhǎng)，使得除第一種組分葡萄糖外，其他組分在
兩個(gè)波長(zhǎng)下的吸光系數(shù)均差別很小，事實(shí)上除了水以外其他組分的濃度c
也都很小，可以忽略不計(jì)，于是上式近似為
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
其中如前所述^ = ,、 1 =手，已分別在步驟1、 2中測(cè)得。葡萄糖 溶液在兩波長(zhǎng)下的吸光系數(shù)au禾n 321為已知的物理常數(shù)，d為人眼的前房
軸長(zhǎng)，可通過儀器精確測(cè)量且長(zhǎng)期穩(wěn)定不變。于是人眼房水中的葡糖濃度 可由上式求得。
上述方法在計(jì)算中是假定眼房水的主要成分只有水和葡萄糖，而假定 其他成份可以忽略不計(jì)。但也還可以形成結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的三波長(zhǎng)系統(tǒng)或多 波長(zhǎng)系統(tǒng)從而不必忽略或較少忽略其他成分。根據(jù)上述分析可知，多波長(zhǎng) 系統(tǒng)由于可以建立多個(gè)吸光度方程，因此可以測(cè)出多個(gè)組分的含量，被忽 略不計(jì)的組分就會(huì)較少，從而測(cè)量就會(huì)更精確。但系統(tǒng)也更復(fù)雜。
上述步驟b、 C中均提到"干涉光信號(hào)"，可見本方法中采用了光學(xué)干 涉方法。
光學(xué)干涉方法是一種用來探測(cè)從特定深度反射回光子的技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)
方法可以類比于光學(xué)相干層析術(shù)(Optical Coherence Tomography,簡(jiǎn)稱 OCT)。將光源發(fā)出的光投射入麥克爾遜干涉儀，通過掃描改變參考臂的 光程，來探測(cè)測(cè)量臂返回自樣品特定深度的光強(qiáng)信息。該方法的特點(diǎn)是， 可以只探測(cè)來自特定深度的光子，探測(cè)精度高，抗干擾性強(qiáng)，靈敏度、信 噪比高。
光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)包括相干長(zhǎng)度非常短的光源、 一個(gè)邁克爾遜干 涉儀(這個(gè)干涉儀通常是光纖做的)、一個(gè)測(cè)量臂(光照射到待測(cè)的樣品上)、 一個(gè)參考臂(光照射到反射鏡上)、 一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器以及后面電信號(hào)的處理 系統(tǒng)。由于光源相干長(zhǎng)度非常短，只有參考臂光程同測(cè)量臂光程(指物理光 程)差在相干長(zhǎng)度以內(nèi)的光才能發(fā)生干涉。OCT系統(tǒng)只對(duì)干涉的信號(hào)進(jìn)行 測(cè)量。由于光有一定的穿透能力，從樣品不同深度反向散射的光是不等光 程的，只有非常薄的一部分樣品散射的光才能同參考光路返回來的光干涉。 也就是說，OCT只測(cè)量非常薄的一部分樣品反向散射的光。當(dāng)改變參考臂 光程時(shí)，同參考光相干涉的樣品散射光的部分也就不一樣，這相當(dāng)于測(cè)不 同深度的樣品。參考臂光程的改變是用光學(xué)延遲線或振動(dòng)式參考反射鏡(簡(jiǎn) 稱振鏡)實(shí)現(xiàn)。更多關(guān)于OCT系統(tǒng)的介紹可參見CN01134849.6號(hào)、 CN02121331.3號(hào)、CN02121333.X號(hào)、CN200710065397.2號(hào)專利或?qū)＠?請(qǐng)。
其中，光源可采用激光光源、或發(fā)光二極管光源、或超輻射發(fā)光二極 管光源、或紫外光源、或可見光源、或紅外光源等。振動(dòng)式參考反射鏡是 通過一壓電陶瓷器件或電動(dòng)平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)的，也可以是電磁螺線圈驅(qū)動(dòng)的。
探測(cè)反射光的部位可以是虹膜、晶狀體前表面、晶狀體后表面、眼底 視網(wǎng)膜表面，也可以是眼視網(wǎng)膜毛細(xì)血管層等其它部位，只要透過眼前房 房水即可。
二、眼房水葡萄糖濃度的無損光學(xué)檢測(cè)裝置
實(shí)施例一
圖1所示，實(shí)現(xiàn)上述方法的第一種眼房水葡萄糖濃度的無損光學(xué)檢測(cè) 裝置包括第一光源組件l、第二光源組件2、第一雙向色鏡3、分光器4、
振動(dòng)式參考反射鏡5、第二雙向色鏡7、第一光電探測(cè)器8、第二光電探測(cè) 器9、第一干涉信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)器10、第二干涉信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)器ll、信號(hào)處 理分析器12。其中，圖1所示的虛線均采用光學(xué)連接，而實(shí)線則為電連接。 此實(shí)施例為自由空間光路系統(tǒng)。其中與數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)電氣連接部分 圖1中未示出。
其中，第一光源組件1為1250nm超輻射發(fā)光二極管(SLD)光源，第二 光源組件2為1610nm超輻射發(fā)光二極管(SLD)光源，第一雙向色鏡3對(duì)第 一光源組件1所發(fā)出波長(zhǎng)的光透射，對(duì)第二光源組件2所發(fā)出波長(zhǎng)的光反 射，使二者耦合成一束，通過寬帶分光鏡4分為兩束， 一束射向振動(dòng)式參 考反射鏡5，另一束射向人眼前房6，透過角膜、房水后到達(dá)虹膜，由虹膜 產(chǎn)生的背向散射光和來自振動(dòng)式參考反射鏡的反射光返回到寬帶分光鏡4 處疊加發(fā)生干涉，從兩個(gè)光源發(fā)出的兩個(gè)波長(zhǎng)的光都產(chǎn)生干涉光信號(hào)，干 涉光信號(hào)從寬帶分光鏡4射出后再經(jīng)第二雙向色鏡7將兩個(gè)波長(zhǎng)的光分開， 分別由兩個(gè)光電探測(cè)器8、 9接收，并轉(zhuǎn)換成干涉光電信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)處理 分析器IO、 ll分別接收所述的兩路干涉光電信號(hào)(一個(gè)針對(duì)1250nm光， 一個(gè)針對(duì)1610nm光)，經(jīng)強(qiáng)度信號(hào)處理器12放大、處理、解調(diào)，得到虹 膜對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)光的反射信號(hào)強(qiáng)度A與A2。然后根據(jù)郎伯一比爾 (Lambert-Beer)定律，即可計(jì)算出人眼房水中的葡糖糖濃度。本例中選用 1610nm光是因?yàn)槠咸窃诖瞬ㄩL(zhǎng)下的吸光系數(shù)前者很高。相反，葡糖在 1250nm光下的吸光系數(shù)很低，述樣對(duì)比強(qiáng)烈，可顯著提高測(cè)量精度。當(dāng) 然，采用其他波長(zhǎng)的光也是可能的。
其中，寬帶分光鏡4、振動(dòng)式參考反射鏡5和人眼前房6所在光路構(gòu) 成麥克爾遜干涉儀。其中，參考臂光程的改變是用振動(dòng)式參考反射鏡4實(shí) 現(xiàn)的，但也可以采用光學(xué)延遲線等來實(shí)現(xiàn)，采用光學(xué)延遲線可以快速改變 光程，實(shí)現(xiàn)視頻測(cè)量。
實(shí)現(xiàn)上述方法的第二種裝置也可以是如圖2的光纖光路系統(tǒng)，將兩個(gè)
不同波長(zhǎng)的低相干光源1、 2經(jīng)波分復(fù)用器耦合入射到2X2雙波長(zhǎng)光纖耦
合器，經(jīng)分光后分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜏y(cè)量臂，進(jìn)入?yún)⒖急鄣囊宦饭饨?jīng)準(zhǔn)直后
照射到一個(gè)位置前后移動(dòng)的反射鏡上并沿原路返回；進(jìn)入測(cè)量臂的一路依 次經(jīng)過準(zhǔn)直鏡、XY方向掃描組件和聚焦鏡投于入人眼；兩路反射光經(jīng)2X2
光纖耦合器匯合時(shí)發(fā)生干涉后，接入探測(cè)器和前置放大器，依次與數(shù)據(jù)采 集卡、計(jì)算機(jī)電氣連接。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說 明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若 干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。比如，上述實(shí)施 例中是以近紅外光譜法為例進(jìn)行說明的，但也可能采用其他波長(zhǎng)范圍的光。 等等，不再一一列舉。
權(quán)利要求
1、一種物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)裝置，包括光源、麥克爾遜干涉儀、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算裝置，所述麥克爾遜干涉儀中的分光器將來自光源的光線分別反射或透射到參考臂和測(cè)量臂，并將來自參考臂和測(cè)量臂的光線混合干涉后出射到光電檢測(cè)器，光電檢測(cè)器的信號(hào)則輸出到數(shù)據(jù)處理及計(jì)算裝置；其特征是還包括光耦合裝置、分光裝置，所述光源的出射光包括兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光，不同波長(zhǎng)的光經(jīng)耦合后再入射到所述麥克爾遜干涉儀，從而所述麥克爾遜干涉儀出射的干涉光也包括兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)，出射光經(jīng)分光裝置分光后，各波長(zhǎng)的光分別出射到各自對(duì)應(yīng)的光電檢測(cè)器。
2、 如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是所 述兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光中至少有一個(gè)相對(duì)于被測(cè)物質(zhì)的吸 收率高于其他波長(zhǎng)的光的吸收率。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是 在所述計(jì)算裝置中，特定物質(zhì)濃度的計(jì)算公式為其中^ = 4、 iL = A,可經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，a 和a21為被測(cè)物質(zhì)在兩波長(zhǎng)下的吸光系數(shù)，為已知的物理常數(shù)，d光線在被測(cè)物載體中的單程光程， 可通過儀器精確測(cè)量且長(zhǎng)期穩(wěn)定不變。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是:所述裝置采用光纖光路系統(tǒng)，其中所述耦合裝置和分光裝置分別采 用波分復(fù)用器和解波分復(fù)用器，麥克爾遜干涉儀中的分光器則采用2X2雙波長(zhǎng)耦合器。
5、 如權(quán)利要求4所述的物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)裝置，其特征是還包括準(zhǔn)直鏡、XY方向掃描組件和聚焦鏡，測(cè)量臂側(cè)的光線依次經(jīng)準(zhǔn) 直鏡、XY方向掃描組件和聚焦鏡進(jìn)入人眼。
6、 一種物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)方法，其特征是包括以下步驟A、應(yīng)用光學(xué)干涉法檢測(cè)光線經(jīng)過被測(cè)物及其載體后的背向散射光強(qiáng)；B、 分析不同波長(zhǎng)下光線經(jīng)被測(cè)物及其載體吸收后信號(hào)的變化，并據(jù)此 計(jì)算被測(cè)物濃度。
7、 如權(quán)利要求6所述的無損光學(xué)檢測(cè)方法，其特征是所述步驟A的實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)一步包括將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的低相干光源經(jīng)波分復(fù)用器耦合入射到麥克爾遜干涉儀中的分光器，經(jīng)分光后分別進(jìn)入?yún)⒖急?和測(cè)量臂，進(jìn)入?yún)⒖急鄣囊宦饭饨?jīng)準(zhǔn)直后照射到一個(gè)位置前后移動(dòng)的反射鏡上并沿原路返回分光器；進(jìn)入測(cè)量臂的一路投射入被測(cè)物 載體，其反射光原路返回分光器；兩路反射光經(jīng)分光器匯合時(shí)發(fā)生 干涉后，射入光探測(cè)器；在所述步驟B中，將光探測(cè)器輸出的電信 號(hào)接入后續(xù)處理及計(jì)算裝置，進(jìn)行特定物質(zhì)濃度的計(jì)算。
8、 如權(quán)利要求6或7所述的物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)方法，其特征是 所述兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光中至少有一個(gè)相對(duì)于被測(cè)物質(zhì)的 吸收率高于其他波長(zhǎng)的光的吸收率。
9、 如權(quán)利要求6或7所述的物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)方法，其特征是在所述步驟B中，特定物質(zhì)濃度的計(jì)算公式為其中^ = ，、 ii =，，可經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，au和321為被測(cè)物質(zhì)在兩波長(zhǎng)下的吸光系數(shù)，為已知的物理常數(shù)，d光線在被測(cè)物載體中的單程光程， 可通過儀器精確測(cè)量且長(zhǎng)期穩(wěn)定不變。
10、如權(quán)利要求6或7所述的物質(zhì)濃度的無損光學(xué)檢測(cè)方法，其特征是:被測(cè)對(duì)象為人眼房水葡萄糖濃度，測(cè)量臂側(cè)的光線依次經(jīng)準(zhǔn)直鏡、XY方向掃描組件和聚焦鏡進(jìn)入人眼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用光學(xué)干涉法來測(cè)量反射光強(qiáng)的光譜吸收法來無損檢測(cè)物質(zhì)濃度的方法及裝置。應(yīng)用光學(xué)干涉法探測(cè)光線射入物質(zhì)載體后的反射信號(hào)，通過分析不同波長(zhǎng)下光線經(jīng)被測(cè)物質(zhì)及其載體吸收后信號(hào)的變化來間接檢測(cè)該物質(zhì)的濃度，最終達(dá)到無損監(jiān)測(cè)的目的。實(shí)現(xiàn)該檢測(cè)方法的裝置采用多個(gè)不同波長(zhǎng)的寬帶光源、麥克爾遜干涉儀、光探測(cè)器和信號(hào)處理及計(jì)算裝置。本發(fā)明具有無損、簡(jiǎn)便以及高靈敏度的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101194828SQ20071012546
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2007年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月24日
發(fā)明者何永紅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院