ФОТОМЕТР

Изобретение относится к области измерения оптических характеристик рассеивающих, например биологических, сред. Изобретение может найти применение как в медицине, так и в промышленности, в процедурах определения свойств рассеивающих свет образцов, в первую очередь, жидких, по значениям измеренных оптических характеристик, а именно коэффициентов поглощения и рассеяния. Область использования изобретения включает в себя нефтяную и газовую промышленность, производство материалов, включая биоматериалы, пищевую промышленность, включая пивоварение, изготовление лекарств и медикаментов, медицинскую диагностику и др.

Принцип действия существующих фотометров заключается в следующем (фиг.1) [1]. Источник (1) испускает направленное оптическое излучение (2). Проходя через образец (3), свет взаимодействует с веществом образца. При этом существуют два основных вида взаимодействия: поглощение и рассеяние света. После прохождения образца свет разделяется на две части: баллистическую часть (4), сохраняющую исходное направление, и рассеянную часть (5) с направлениями, отличными от исходного. В детектор (8) попадают как баллистические, так и рассеянные фотоны. При дальнейшей обработке результатов измерений обычно предполагают, что рассеянных фотонов нет. Иногда применяют дополнительные устройства, уменьшающие вклад рассеянного излучения в результаты измерений, например диафрагмы (9) и линзы (6), оставляющие только фотоны с направлениями движения, близкими к исходному.

Основным недостатком существующих фотометров и способов измерения оптических характеристик с их помощью является то, что в них измеряется сумма баллистических и рассеянных фотонов, к которой необоснованно применяется закон Бугера-Ламберта-Бэра. Поэтому необходимо создать устройство, в котором доля рассеянных фотонов в результатах измерений была бы уменьшена, что привело бы к большему соответствию модифицированному закону Бугера-Ламберта-Бэра и, следовательно, к повышению точности полученных данных для дальнейшего использования во всех областях, в которых применяются фотометры при анализе рассеивающих образцов.

Известен способ определения концентрации частиц в образце, основанный на использовании фокусирующих линз в комбинации с оптическими диафрагмами для выделения фотонов, движущихся в направлении исходного луча источника оптического излучения [2, 3] (аналоги) и [4] (прототип для способа). Однако такой способ не отсеивает фотоны, испытавшие многократное рассеяние в объеме образца и приобретшие это направление только на выходе из образца.

За основу для устройства, реализующего предлагаемый способ, берется так же патент [4] (прототип для устройства). Прототип сложен и не обеспечивает достаточное приближение к закону Бугера-Ламберта-Бэра.

Задача изобретения - повышение точности определения коэффициента экстинкции в фотометре.

Это достигается тем, что образец помещается в узкую трубку, с осью, ориентированной вдоль исходного луча источника оптического излучения, и внутренней поверхностью, поглощающей свет. При этом (фиг.2а) источник (1) испускает направленное оптическое излучение (2). Прошедший через образец в трубке (3) свет состоит только из баллистических фотонов (4), которые регистрируются детектором (5). В трубке с образцом (фиг.2б) свет разделяется на две части: баллистическую часть, сохраняющую исходное направление, и рассеянную часть с направлениями, отличными от исходного. Однако рассеянные фотоны, изменяя направление движения, встречают на своем пути стенки трубки и поглощаются ими. Большинство зарегистрированных фотонов будут представлять из себя баллистические фотоны и будут удовлетворять модифицированному закону Бугера-Ламберта-Бэра:

где I₀ - интенсивность света, падающего на образец, I(d) - интенсивность света, прошедшего через образец толщины d, µ - коэффициент экстинкции образца.

Далее в качестве результатов измерения можно взять следующие величины: ослабление , оптическую плотность , коэффициент экстинкции .

Предлагаемый способ реализуется с помощью фотометра, состоящего из источника направленного оптического излучения, узкой трубки для размещения образца с осью, ориентированной вдоль исходного луча источника оптического излучения, и внутренней поверхностью, поглощающей свет источника, приемника излучения и системы регистрации и обработки измеренных данных.

При этом трубка должна быть либо выполнена из материала, поглощающего излучение, либо ее внутренняя поверхность покрывается материалом (краской), поглощающим излучение, либо ее внутренняя поверхность подвергается обработке (чернению, воронению), усиливающей ее поглощающие свойства.

Далее трубка должна быть достаточно узкой, чтобы доля рассеянных фотонов в выходящем излучении была мала. В качестве критерия узости трубки можно взять телесный угол, под которым видно выходное отверстие трубки из точки, находящейся на оси трубки во входном отверстии. Как известно [5], для гауссова пучка справедливо выражение

где l - длина трубки, w₀ - радиус пучка в перетяжке, λ - длина волны направленного излучения, w₁ - радиус пучка на расстоянии l от перетяжки. За радиус пучка в перетяжке можно принять радиус пучка направленного излучения на входе в трубку. Тогда телесный угол Ω, под которым видно выходное отверстие трубки из точки, находящейся на оси трубки во входном отверстии, должен быть равен .

Например, для λ=1000 нм, w₀=20 мкм, l=20 мм, получим w₁=0,32 мм и Ω=0,0008 стерадиан.

Трубку можно выполнять также в виде канала в сплошном материале с внешней формой, удобной для закрепления кюветы.

Источник излучения, используемый в фотометре, может быть источником непрерывного, модулированного и импульсного излучения. В качестве такого источника могут быть использованы как лампы, так и лазеры. При этом приемник излучения должен быть соответственно приемником непрерывного, модулированного и импульсного излучения.

Обычно для определения оптических характеристик образцов по результатам прохождения через них света используется закон Бугера-Ламберта-Бэра для непрерывного излучения [1]

где I₀ - интенсивность света, падающего на образец, a I(d) - интенсивность света, прошедшего через образец толщины d (фиг.3а). При этом предполагается, что образец представляет собой чисто поглощающую среду, в которой возможно только поглощение оптического излучения, характеризующееся коэффициентом поглощения µ_a. Результатом работы фотометров, в основу которых положено это представление о взаимодействии излучения с веществом, является либо ослабление излучения , либо оптическая плотность , либо, наконец, сам коэффициент поглощения . Далее, в зависимости от цели, в конкретных методиках используется полученное значение коэффициента поглощения.

Однако реально в качестве образцов используют среды, в которых, кроме поглощения, присутствует значительно более сложный процесс рассеяния излучения. Например, в медицине такой средой является кровь и другие жидкости организма человека, в промышленности - это задымленный воздух и аэрозоли, нефть и нефтепродукты и т.д.

Для пояснения отличия рассеивающей среды от чисто поглощающей среды рассмотрим поведение импульсного излучения при прохождении через такую среду. Например, если тонкий луч импульсного источника света (лазера) с интенсивностью I₀(t), где t - время, падает на однородный слой чисто поглощающего вещества, ничего принципиально не меняется (фиг.3б), и закон Бугера-Ламберта-Бэра можно записать в виде

где ν - скорость света в среде. При этом луч не меняет своей формы во времени и остается лучом в пространстве.

В рассеивающей среде часть фотонов вследствие процессов многократного рассеяния меняет направление своего движения , что приводит к расплыванию луча и к невыполнению закона Бугера-Ламберта-Бэра (фиг.3в).

Если рассмотреть временное распределение короткого импульса света (фиг.4а) после прохождения однородного слоя чисто поглощающей среды (фиг.4б), то можно видеть, что его форма во времени не меняется, а амплитуда уменьшается в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бэра. В рассеивающей среде временное распределение существенно более сложное (фиг.4в), и можно видеть, что существует начальная часть временного распределения, повторяющая форму исходного импульса, так называемые баллистические фотоны, и часть временного распределения, образованная рассеянными фотонами, которые из-за большего оптического пути приобрели задержку во времени.

Основным методом описания прохождения излучения через рассеивающую среду является нестационарное уравнение переноса излучения (УПИ):

где - плотность потока фотонов в точке , в момент времени t, движущихся в направлении ; - дифференциальный по углам коэффициент рассеяния излучения (индикатриса рассеяния); µ=µ_a+µ_s - коэффициент экстинкции; µ_a - коэффициент поглощения излучения; - коэффициент рассеяния излучения; - плотность источников фотонов в точке , в момент времени t, движущихся в направлении ; ν - модуль скорости распространения излучения в среде [6, 7, 8, 9]. Таким образом, основной характеристикой рассеивающей среды является, наряду с коэффициентом поглощения, индикатриса рассеяния, зависящая от угла рассеяния .

Уравнение (5) в общем случае не имеет аналитического решения. Однако для баллистических фотонов справедливо выражение, аналогичное закону Бугера-Ламберта-Бэра, с заменой коэффициента поглощения µ_a на коэффициент экстинкции µ=µ_a+µ_s [9], которое можно назвать модифицированным законом Бугера-Ламберта-Бэра.

Для оценки степени влияния процесса рассеяния можно использовать выражение для относительной доли баллистических фотонов в общем излучении, прошедшем через рассеивающую среду [9]:

где I_b - интенсивность баллистических фотонов, I_s - интенсивность рассеянных фотонов, µ - коэффициент экстинкции, µ_а - коэффициент поглощения, d - длина образца. Для неразбавленной крови [10] µ~50 мм^-1, µ_a~50 мм^-1. То есть уже при длине образца d=0,04 мм количество рассеянных фотонов в общем излучении, прошедшем через рассеивающую среду, будет более половины.

Графические изображения

На фиг.1 показан общий принцип функционирования фотометра: источник (1) испускает направленное оптическое излучение (2); проходя через образец (3), свет разделяется на баллистическую часть (4), сохраняющую исходное направление, и рассеянную часть (5) с направлениями, отличными от исходного; дполнительные устройства могут отсекать часть рассеянных фотонов, например линза (6) собирает свет с различными направлениями в разных точках фокальной плоскости, или через диафрагму (9) в детектор (8) попадают только фотоны с направлениями движения, близкими к исходному.

На фиг.2а показано предлагаемое устройство: источник (1) испускает направленное оптическое излучение (2); прошедший через образец в трубке (3) свет состоит только из баллистических фотонов (4), которые регистрируются детектором (5).

На фиг.2б показано поведение света в трубке с образцом: свет разделяется на баллистическую часть, сохраняющую исходное направление, и рассеянную часть с направлениями, отличными от исходного; рассеянные фотоны, изменяя направление движения, встречают на своем пути стенки трубки и поглощаются ими.

На фиг.3а показан тонкий луч непрерывного источника света с интенсивностью I₀, падающий на однородный слой чисто поглощающего вещества.

На фиг.3б показан тонкий луч импульсного источника света с интенсивностью I₀(t), где t - время, падающий на однородный слой чисто поглощающего вещества.

На фиг.3в показан тонкий луч импульсного источника света с интенсивностью I₀(t), где t - время, падающий на однородный слой рассеивающего вещества. В рассеивающей среде часть фотонов вследствие процессов многократного рассеяния меняет направление своего движения .

На фиг.4а показано исходное (до прохождения образца) временное распределение короткого импульса света.

На фиг.4б показано временное распределение короткого импульса света после прохождения однородного слоя чисто поглощающей среды. Форма импульса во времени не меняется, а амплитуда уменьшается в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бэра.

На фиг.4в показано временное распределение короткого импульса света после прохождения однородного слоя рассеивающей среды. Форма импульса во времени меняется. Существует начальная часть временного распределения, повторяющая форму исходного импульса, так называемые баллистические фотоны, и часть временного распределения, образованная рассеянными фотонами, которые из-за большего оптического пути приобрели задержку во времени.

Источники информации

1. Медицинские приборы. Разработка и применение. М., Медицина, 2004.

2. M.J.Block, L.Sodickson. Methods of minimizing scattering and improving tissue sampling in non-invasive testing and imaging. US Patent 5,672,875, Sep.30, 1997.

3. M.J.Block, L.Sodickson. Methods of minimizing scattering and improving tissue sampling in non-invasive testing and imaging. US Patent 6,064,065, May 16, 2000.

4. M.J.Block, L.Sodickson. Methods of minimizing scattering and improving tissue sampling in non-invasive testing and imaging. US Patent 6,420,709, Jul. 16, 2002.

5. Янг M. Оптика и лазеры, включая волоконную оптику и оптические волноводы. - М., Мир, 2005.

6. Кольчужкин A.M., Учайкин В.В. Введение в теорию прохождения частиц через вещество. - М., Атомиздат, 1978.

7. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. - М., Мир, 1981. - Т.1.

8. Кейз К., Цвайфель П. Линейная теория переноса. - М., Мир, 1972.

9. Терещенко С.А. Методы вычислительной томографии. - М., Физматлит, 2004.

10. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. - Саратов, изд-во Саратовского университета, 1998.