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积分球原理及其在现代测量中的应用研究_人人文库网 首页 全部分类 免费文档 搜文档 上传文档 登录 注册 积分球原理及其在现代测量中的应用研究 上传人：今*** IP属地：浙江 上传时间：2018-04-07 格式：PDF 页数：36 大小：1.45MB 积分：9.6 举报 版权申诉 已阅读5页，还剩31页未读 ， 继续免费阅读 付费下载 下载本文档 版权说明：本文档由用户提供并上传，收益归属内容提供方，若内容存在侵权，请进行举报或认领 文档简介 编号本科生毕业论文积分球原理及其在现代测量中的应用研究PRINCIPLEOFTHEINTEGRATINGSPHEREANDITSAPPLIEDRESEARCHINMODERNMEASUREMENT学生姓名张建成专业测控技术与仪器学号080211603指导教师王春艳学院光电工程学院二一二年六月长春理工大学本科毕业论文毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺所呈交的毕业设计（论文）积分球原理及其在现代测量中的应用研究，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担作者签名年月日长春理工大学本科毕业论文I摘要积分球是用于光度测量的中空球体，在球的内表面涂有无波长选择性的漫反射白色涂层,在球内任一方向上的照度均相等。是一种在测量光通量、色度等方面广泛使用的仪器。本文论述了积分球的种类及其原理，并结合双积分球的特点，提出了一种基于蒙特卡洛模拟算法，对组织体结构进行分析测量、以及误差分析校核的方法。首先本文对光在组织体内传输模型做了分析。其次根据搭建的双积分球系统的实际情况，对影响测量精度的因素进行了分析。研究发现，双积分球系统中收集窗口直径的大小、光源特性会对光损失产生一定的影响，且两个积分球之间的“串扰”现象也会给测量带来一定的误差，以及组织体的结构也会影响测量精度。关键词积分球组织光学误差分析蒙特卡洛算法长春理工大学本科毕业论文IIABSTRACTINTEGRATINGSPHEREISAKINDOFHOLLOWSPHEREFORPHOTOMETRIC,THEINNERSURFACEOFTHEBALLISCOATEDWITHADIFFUSEREFLECTANCEWHITECOATINGWHICHHASNOWAVELENGTHSELECTIVEILLUMINATIONISEQUALINEVERYDIRECTIONINTHEBALLTHEINTEGRATINGSPHEREISAWIDELYUSEDINSTRUMENTINTHEMEASUREMENTOFLUMINOUSFLUXANDCHROMATICITYTHISARTICLEDISCUSSESTHETYPESOFINTEGRATINGSPHEREANDITSPRINCIPLE,ACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHEDOUBLEINTEGRATINGSPHERE,BASEDONMONTECARLOSIMULATIONALGORITHM,PROPOSESAMETHODTOMEASUREORGANIZATIONALSTRUCTUREANDANALYSESITSERRORFIRST，THISARTICLEANALYSESTHEMODELOFLIGHTTRANSFERINTISSUEINTHEISSUESECOND,ACCORDINGTOTHEACTUALSITUATIONOFTHEDOUBLEINTEGRATINGSPHERESYSTEM,ITANALYSESTHEFACTORSTHATAFFECTTHEMEASUREMENTACCURACYSTUDYFOUNDTHATTHERADIUSOFCOLLECTIONWINDOWANDLIGHTCHARACTERISTICSWILLHAVESOMEIMPACTONLIGHTLOSSCROSSTALKHAPPENSBETWEENTHETWOINTEGRATINGSPHERESANDORGANIZATIONALSTRUCTUREWILLTAKESOMEERROROFMEASUREMENTRESULTSKEYWORDSINTEGRATINGSPHERE；TISSUEOPTICSMONTECARLOSIMULATIONALGORITHM；ERRORANALYSIS长春理工大学本科毕业论文I目录摘要IABSTRACTII目录I第1章绪论111研究目的及意义112国内外发展现状213本文研究的主要内容及结构安排4第2章积分球原理521积分球的基本构成522积分球的基本工作原理523积分球反射测量原理624积分球透射测量原理725双积分球测量原理8第3章双积分球在组织体结构分析测量中的应用1031光与组织体的相互作用10312组织光学参数定义和意义10313光在生物组织中的传输模型13314辐射传输方程1432双积分球对在组织体光学参数测量中的应用14第4章双积分球系统影响因素和分析1841样品状态对测量结果的影响18411样品的物理状态18412样品表面积大小18413样品表面不完全反射对测量结果的影响1942双积分球系统对测量结果的影响21421积分球侧漏对光学参数测量的影响21422光源对光学参数测量的影响23423样品池及其附件光学参数测量的影响23424双积分球中串扰对光学参数测量的影响24425积分球制造误差对测量结果的影响2443蒙特卡洛模拟在组织体结构分析测量中的应用25第5章总结与展望2851本文工作总结28长春理工大学本科毕业论文II52未来工作展望28参考文献29致谢30长春理工大学本科毕业论文1第1章绪论11研究目的及意义光和人们的生活是密切相关的，它是能量和信息的载体，也是科学研究的工具。随着光学研究的不断深入，光学相关学科也不断进行着发展和创新。积分球是具有高反射性内表面的空心球体。它主要用来对处于球内或放在球外并靠近某个窗口处的试样对光的散射或发射，或是光源本身发出的光进行收集的一种高效率器件。能够用来对材料的光学反射、透射性能，光源的辐射度、亮度或色度等做一些精确的测量。积分球是辐射度、色度、光度测量中必不可少的仪器。本文从积分球的原理和应用现状两方面做了详尽的讨论。一方面，本文总结了积分球的发展，从积分球的尺寸，涂层材料等方面简述了积分球的发展现状，国内现有积分球的主要尺寸规格及其相应的应用。另一方面，本次研究了积分球的基本原理，积分球的测量误差和产生误差的主要原因，并给出了计算积分球误差的具体可行的算法（蒙特卡洛算法）。在生命科学领域，光与生命现象早已结下不解之缘，自伦琴发现X射线起，便开启了光学在医疗诊断方面的应用历程。生物、医学技术的不断革新，以及激光技术、微电子技术和纳米技术的不断发展，也为光学在医疗方面应用奠定了雄厚的基础。随着人们生活习惯的改变，癌症等疑难病症的发病率也逐年上升。早期诊断疾病的发生并竭力减小诊断过程给患者带来的痛苦和影响，对于医疗具有十分重要的意义，并已成为了医疗研究的重要方向。各种光学成像技术可以实现功能性检测1，对肿瘤和正常组织有较高的成像对比度，因此日益广泛应用于临床医疗诊断中光学相关的诊断、医疗技术可以实现微创甚至无创治疗，具备较高的分辨率、多参数和高时空分辨率等优点，也不断走进人们的视线，为科学研究者所重视。生物医学光子学主要研究光在生物医学中的应用，是光学和生命科学相交叉、相互渗透而产生的边缘学科2。它涉及从医学诊断、医疗到疾病预防的广泛应用范围。了解光在组织中空间分布，光与组织的相互作用，以及组织体的光谱特性，将极大促进医学成像、激光外科手术、激光动力学治疗和辐射剂量定制变化等临床应用的发展。由于光学诊断方法的诸多优点，发达国家也对生物医学光子的研究给予了高度重视并不断地加大科研投入。新一代的光学成像技术也正从试验室转向癌症临床应用。组织光学是研究光学在生物组织体中的传播特点和规律的学科3。目前，组长春理工大学本科毕业论文2织光学的研究内容4主要包括组织中的传输理论，组织光学特性参数的测定，光计量学，光动力学疗法中的光子学技术，生物组织的实体光学模型，人体光学成像技术等。组织光学参数是一系列描述光学在组织体中传播特性的参量。通过对组织光学参数（吸收系数、散射系数、各向异性因子）的测量，可以相应的了解到光在组织体内的分布情况，并可以根据光学参数的变化确定组织体的生理病理变化，为疾病临床诊断提供依据。综上所述，积分球在现代测量中有着重要的应用，已成为组织光学、光学诊疗手段的必不可少的一部分。12国内外发展现状积分球是具有高反射性内表面的空心球体。它主要是对处于球内或放在球外并靠近某个窗口处的试样对光的散射或发射，或是光源本身发出的光进行收集的一种高效率器件。能够用来对材料的光学反射、透射性能，光源的辐射度、亮度或色度等做一些精确地测量。现在国内外生产的积分球在结构、外形、大小等大部分参数上相差无几，基本上国外能做到的国内也能生产。唯一有差别的就在于涂层。下面从结构、涂层、直径大小等几个方面来介绍国内外的积分球。在结构方面国内外相差无几。积分球外表一般由金属或者硬塑料覆盖，表面开有一个或者多个孔，可以作为入射窗或者出射窗。积分球一般还有遮蔽屏、光陷阱等。一个完整的积分球测量系统还有载物台、辅助光源、光源转换器、光纤接口等。图11为德国INSTRUMENTSYSTEM生产，台湾方全公司代理的ISP150100型积分球。图11ISP150100型积分球在涂层方面国内低端的主要为氧化镁MGO，硫酸钡BASO4，较高端的则有国产聚四氟乙烯悬浮树脂F4。F4代替常用的氧化镁MGO、硫酸钡BASO4作积分球涂层，在0225微米波长范围内，光谱反射比都高于MGO和BASO4，长春理工大学本科毕业论文3且反射比中性好有利于减小它对积分球非中性的影响。另外，涂层粘性好，不易破裂与起皱，灰尘可以用清洁的毛刷清除，不会损伤涂层。F4涂层不怕潮湿，暴露在紫外光下也不会变黄。根据测光积分球的基本原理，使用F4涂层的积分球可以大大提高积分球的效率，通常为MGO和BASO4的23倍。这有利于低透射、弱反射光信号测量，不仅可以提高测量的灵敏度，而且也大大改善了测量的信噪比。中国计量院、中科院上海技物所等数十家科研、生产等单位已建立了F4测光积分球系统，并显示出新型测光积分球的许多优点。而在国外，则针对不同情况有各式各样的涂层。如需防水、防潮、耐腐蚀则有DURAFLECT；工作于近、中红外波段可以使用INFRAGOLD；同时工作于紫外、可见光、近红外波段则有SPECTRALON，并且具有很高的反射率。图12为杭州远方公司出产的稳流温控积分球。图12稳流温控积分球在大小方面，国内外差距不大。国内积分球可达到的大小有直径80、100、150MM的积分球适用于LED、激光、LED（LCD）发光模块、发光屏等的光色测试；直径300MM积分球专用于LED的光色测试，可配合LED专用测试夹具；直径500MM积分球，适合于大功率LED、迷你泡、珠泡等光源的光色测试；直径1000MM的积分球，用于节能灯、环形灯、白炽灯、冷阴极灯、卤钨灯等光源光色测试；直径1500、1750MM积分球，用于大功率节能灯、环形灯、白炽灯、卤钨灯、冷阴极灯、直管荧光灯、HID灯等光源光色测试；直径2000MM、2500MM的积分球，用于大功率节能灯、直管荧光灯、HID灯、无极灯等光源光色测试；直径3000MM的积分球用于大功率直管荧光灯，HID灯等光源光色测试。图13为德国INSTRUMENTSYSTEM生产，台湾方全公司代理的直径为1900MM的ISP200010型积分球，图14则是杭州远方公司生产的直径为3000MM的积分球。从图13可以看出，国内外积分球的差距主要在于积分球内涂层所使用的材料，而积分球的材料在很大程度上决定了积分球的好坏。面对中国最近在光学测量行业的高投入，要成为世界积分球行业的领先其企业，拥有一个完整的设计、长春理工大学本科毕业论文4制造系统显得尤为重要。图13ISP200010型积分球图14直径3000MM的积分球13本文研究的主要内容及结构安排本文首先对积分球的基本原理以及研究背景做以简单介绍，其次介绍了组织光学参数的测量意义及方法。再次介绍了实验室所搭建的双积分球系统，并根据系统特点对测量准确性以及测量范围进行了研究。双积分球系统主要通过测量样品的反射率，透射率以及准直透射率来测得样品的光学参数。本文采用蒙特卡洛算法对双积分球测量系统中的侧漏和“串扰”现象进行分析。本文的结构安排如下（1）第一章绪论本章主要对积分球以及组织光学的研究背景做以简单介绍，并介绍了积分球在国内外发展的现状。（2）第二章积分球的基本原理本章主要讲述反射积分球、透射积分球、双积分球的基本原理（3）第三章双积分球在组织体机构分析测量中的应用研究介绍了光和组织体的相互作用方式，组织光学的定义及其测量意义。介绍了目前常用的光传输模型。搭建了可以应用于组织体结构测量的双积分球测量系统。（4）第四章双积分球系统测量系统影响因素分析双积分球检测系统在测量过程中会产生光损失以及“串扰”现象，使系统的测量值偏离样品真实的反射和透射值。本章主要分析了影响双积分球检测精度的各种因素。采用蒙特卡洛算法对样品池的侧漏情况进行模拟计算，并在考虑“串扰”影响的基础上对双积分球测量进行分析。（5）第五章总结与展望对目前已经完成的研究进行总结，并提出下一步的研究方向。长春理工大学本科毕业论文5第2章积分球原理21积分球的基本构成理想积分球要保证积分球内表面为一个完整的几何球面，半径处处相等，球内壁是均匀漫反射面，对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比，球内没有任何物体，光源也只看作发光而没有实物的抽象光源。其基本构成如下1）内部…