專利名稱：單頻光子探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電探測系統(tǒng)，特別涉及一種用于測量微弱光信號的 單頻光子探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在工程應(yīng)用中，通常使用光信號或者射線的方式進行探測以便對 逆向問題進行求解，逆向問題又被稱作重建問題。重建的過程類似于 黑盒子的反向問題，當(dāng)盒子的輸入信號和輸出信號已知時，就可以通 過重建的過程了解到盒子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和參數(shù)分布狀況。這種探測和重建的 一個典型應(yīng)用是在醫(yī)療成像領(lǐng)域，其用于無損 地獲得組織內(nèi)部的生理參數(shù)信息和空間分布信息。其他的應(yīng)用還有通 過入射光信號，并對出射光子進行探測，從而完成對被測物體內(nèi)部的 光學(xué)特性參數(shù)的探測。在上述這類應(yīng)用中需要解決的問題有兩個首先，由于光信號在 被測量物體內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中，其光子的數(shù)量會被極大地衰減，這就 要求光探測器具有較高的光子敏感度；其次，由于需要獲取物體內(nèi)部 參數(shù)的三維分布信息，就要求能夠探測到系統(tǒng)的時間信息，從而知道 系統(tǒng)參數(shù)的空間距離信息，這樣就有可能獲得三維分布信息。目前，在醫(yī)療成像等領(lǐng)域，對人體組織的血液參數(shù)空間分布等進 行測量的探測系統(tǒng)一般是采用連續(xù)波激光光源通過一個探測單元獲取 組織內(nèi)部的幅值信號，該系統(tǒng)對微弱光信號敏感度較低，丟失了光在200610113414.0說明書第2/8頁組織內(nèi)部的時間信息，不能獲得實時性能的三維空間信號，不便于對 組織內(nèi)部的病灶等情況進行實時處理。發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提出 一種 單頻光子探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能探測微弱光信號的強度，并能實現(xiàn)強度 信號和時間信號的同步采集從而實現(xiàn)實時三維空間信息的重建。本發(fā)明提出的一種單頻光子探測系統(tǒng)，包括高頻調(diào)制激光源單元，用于提供系統(tǒng)的輸入光源，以及用于產(chǎn)生 同步信號；多個探頭，包括光導(dǎo)纖維，用于使用激光信號對被測物體內(nèi)部的不同空間位置進行數(shù)據(jù)采集；多個探測單元，分別與所述各個探頭連接，用于接收各個探頭采 集到的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機；并行通道數(shù)字采集接口 ，用于在所述高頻調(diào)制激光源單元所產(chǎn)生 的同步信號的同步作用下，將各個探測單元的數(shù)據(jù)同步采集到計算機中。所述并行通道數(shù)字采集接口包括同步接口卡。所述的探測單元包括光耦合模塊、光電管、光電轉(zhuǎn)換與解調(diào)器、 射頻解調(diào)模塊以及變頻模塊；所述探測單元由屏蔽裝置進行電磁屏蔽。所述探測單元的電路中采用多級濾波與放大結(jié)構(gòu)以及差分結(jié)構(gòu)。
所述光耦合才莫塊包括光耦合器，用于將探頭的光導(dǎo)纖維與所述光 電管進行同軸固定。所速單頻光子探測系統(tǒng)還包括半導(dǎo)體制冷循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)，用于對所述光電管的溫度進行控制。所述的半導(dǎo)體制冷循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)包括 溫度傳感器，用于探測光電管的溫度；溫度控制器，與所述溫度傳感 器連接，用于根據(jù)所述溫度傳感器的感應(yīng)信號發(fā)出控制信號；電壓控 制模塊，與所述溫度控制器連接，用于根據(jù)所述溫度控制器發(fā)出的控 制信號，發(fā)出電壓控制信號；半導(dǎo)體制冷片，與所述電壓控制模塊連 接，用于根據(jù)所述電壓控制模塊的電壓控制信號，調(diào)整制冷功率；制 冷傳導(dǎo)單元，其包括制冷箱、風(fēng)扇、風(fēng)導(dǎo)管，將所述半導(dǎo)體制冷片與 光電管相連接，用于根據(jù)所述半導(dǎo)體制冷片的制冷量控制光電管的溫 度。本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的有益效果在于優(yōu)化了探測單元的 電路結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能探測微弱光信號的強度；探測單元具有良好的屏 蔽；所使用的冷卻系統(tǒng)維持了探測單元的穩(wěn)定工作狀態(tài)；實現(xiàn)了強度 信號和時間信號的同步采集，實現(xiàn)了實時的三維空間信息的重建。本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)可廣泛用于利用光語對物質(zhì)成分進行 測定、對物質(zhì)的吸收系數(shù)和散射吸收等性質(zhì)進行測定以及對血液成分 的分析等等。


圖1為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為圖1中的^1測單元的結(jié)構(gòu)及連接圖3為圖2中光耦合沖莫塊所4吏用的耦合器的結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的同步接口框架圖；圖6為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的采集系統(tǒng)軟件流程圖；圖7為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的探測單元的屏蔽盒的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明。其中同 一部 件采用相同的數(shù)字進行標記。圖1為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，高頻調(diào)制激光源單元2產(chǎn)生的激光信號發(fā)送到探頭3 以及生成同步信號6。探頭3使用激光信號對被測物體內(nèi)部組織1進行 測量并采集從被測物體內(nèi)部組織1散射的光信號，該散射的光信號通 過光導(dǎo)纖維4傳送到探測單元5，隨后又通過并行通道數(shù)字采集接口 7 傳送到計算機8中。所述的并行通道數(shù)字采集接口 7在同步信號6的 同步作用下對探測單元5探測到的光信號進行同步采集。所述探測單元5為所述探測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，探測單元5的 性能直接影響到該探測系統(tǒng)的整體性能，以及所采集到的數(shù)據(jù)的精確 程度。本發(fā)明中的探測單元具有較高的敏感度。圖2為圖1中的探測單元5的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及連接圖。如圖2所示，探測單元5由模塊化電路構(gòu)成，包括依次連接的光 耦合模塊9、光電管10、光電轉(zhuǎn)換與解調(diào)器ll、射頻解調(diào)模塊12和變
頻模塊13。其中，所述光耦合模塊9與探頭3連接，以便接收探頭3采 集到的光信號數(shù)據(jù)。本實施例中的光電管10采用的是高敏感度的APD 管(雪崩光電二極管)。由于所述探測單元5包括多個探測單元a-n，為了防止各個探測單 元之間通過電源發(fā)生射頻信號串?dāng)_，故在電源上加有多級高頻濾波器； 另外，采用多級濾波與放大電路以消減變頻后信號的帶寬，同時采用 差分電路以消減所述探測系統(tǒng)的共模噪聲干擾。上述各個電路結(jié)構(gòu)使 得所述探測單元5具有較高的靈敏度，從而提高了系統(tǒng)的信號靈敏度。本發(fā)明中多個探測單元的同時使用可以使系統(tǒng)獲取實時的三維空 間信息。這些探測單元可以有不同的排列方式，各連接有探頭，進行 并行的數(shù)據(jù)采集。上述APD能夠感應(yīng)到微弱的光信號，但如果光子較為分散，APD也 無法探測到有效的光信號，故所述探測系統(tǒng)使用光導(dǎo)纖維對光子進行 收集，從而能夠得到較集中的信號，這就需要APD的光敏窗口能夠和 光導(dǎo)纖維有很好的耦合，另外由于所述探測系統(tǒng)在使用過程中要對光 導(dǎo)纖維和APD進行拆卸，所以同時還需要光導(dǎo)纖維和APD兩者為同軸 的位置關(guān)系，為此，本發(fā)明設(shè)計了光導(dǎo)纖維和APD的耦合器。圖3為圖2中光耦合模塊所使用的耦合器的結(jié)構(gòu)圖。如圖3所示，該耦合器可對光導(dǎo)和光電管進行固定和同軸校準。 使用該耦合器可使得APD的光敏窗口能夠和光導(dǎo)較好的耦合，同時保 證了二者為同軸。
由于系統(tǒng)中采用高每文感的APD，其增益隨溫度的變化十分敏感，為 了對APD的工作溫度進行控制，本實施例的探測系統(tǒng)中設(shè)計了循環(huán)冷 卻系統(tǒng)。圖4為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖4所示，該循環(huán)冷卻系統(tǒng)采用大功率的半導(dǎo)體制冷片對被控 對象(即APD)進行溫度的控制。被控對象上連接有溫度傳感器，該傳 感器與溫度控制器相連接，該控制器將溫度傳感器檢測到的溫度變化 信號傳輸?shù)桨雽?dǎo)體制冷片的電壓控制模塊，該電壓控制模塊根據(jù)該溫 度變化信號調(diào)整半導(dǎo)體制冷片的電壓，從而控制半導(dǎo)體制冷片的功率。 該半導(dǎo)體制冷片所連接的制冷箱將低溫的空氣通過風(fēng)扇和風(fēng)導(dǎo)管15傳送到被控對象，以對被控對象進行冷卻。半導(dǎo)體制冷片上還連接有散 熱板14和風(fēng)扇用以自身的散熱。上述冷卻電路系統(tǒng)使用"壓調(diào)功率控制，，方法實現(xiàn)了對半導(dǎo)體制 冷片的制冷量的控制，從而達到對APD的溫度進行準確控制的目的， 使得APD具備穩(wěn)定的增益。圖1中，為了實現(xiàn)光信號的同步并行采集，本實施例的探測系統(tǒng) 采用了并行通道數(shù)字采集接口將探測單元的數(shù)據(jù)采集到計算機。圖5為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的同步接口框架圖。如圖5所示，多通道輸入為多個探測單元所傳送的光信號輸入， 同步系統(tǒng)輸入同步光信號，并通過并行通道數(shù)字采集接口 7的多通道 切換將多路光信號輸入計算機同步采集系統(tǒng)。
所述并4亍通道凄t字采集4妻口 7采用同步采集卡。該采集卡實現(xiàn)了 光信號的同步平行采集，縮短了系統(tǒng)信號的采集時間，從而數(shù)據(jù)處理和圖像顯示的時間充足，實現(xiàn)了圖像的實時顯示；同步系統(tǒng)使用同步 信號對每個通道的光信號進行同步，保證了系統(tǒng)相位具有時間上的一 致性。本實施例的探測系統(tǒng)還為所述同步采集卡設(shè)計了采集系統(tǒng)軟件， 以使得所述同步采集卡與計算機之間進行順利的數(shù)據(jù)通信。圖6為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的采集系統(tǒng)軟件流程圖。如圖所示，首先是S1步驟的觸發(fā)采集卡啟動多通道采集，其送出 觸發(fā)信號，以便進行S2步驟的識別當(dāng)前通道信號；之后同時進行S3 步驟的啟動同步信號以及S4步驟的切換多路開關(guān)動作；S3步驟之后是 S5步驟的識別同步信號，隨后將同步信號送往S7步驟的通過HILBERT 提取各個通道的相位；上述S4步驟之后是S6步驟的根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重 組多通道信號，該步驟將原始數(shù)據(jù)分別送往S7步驟的通過HILBERT提由于系統(tǒng)中采用了多個相同的探測單元5，而每一個探測單元都需 要有良好的電磁屏蔽性能，另外為了批量生產(chǎn)以及保證產(chǎn)品質(zhì)量的需 要，本實施例的探測單元5采用屏蔽盒進行了屏蔽。圖7為本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)的探測單元的屏蔽盒的結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，該屏蔽盒采用"導(dǎo)軌式滑裝"結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以大大 節(jié)省探測單元的裝配時間，并使得每個探測單元具有良好的電磁屏蔽 性能，使其質(zhì)量得到保證。本發(fā)明并不局限于上述特定實施例，在不 背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)
明的實施例，^f故出各種斗目應(yīng)？支變禾口變形，而這些沖目應(yīng)？文變和變形都應(yīng) 屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種單頻光子探測系統(tǒng)，其特征在于，包括高頻調(diào)制激光源單元，用于提供系統(tǒng)的輸入光源，以及用于產(chǎn)生同步信號；多個探頭，包括光導(dǎo)纖維，用于使用激光信號對被測物體內(nèi)部的不同空間位置進行數(shù)據(jù)采集；多個探測單元，分別與所述各個探頭連接，用于接收各個探頭采集到的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機；并行通道數(shù)字采集接口，用于在所述高頻調(diào)制激光源單元所產(chǎn)生的同步信號的同步作用下，將各個探測單元的數(shù)據(jù)同步采集到計算機中。
2、 如權(quán)利要求1所述的單頻光子探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的 探測單元包括光耦合模塊、光電管、光電轉(zhuǎn)換與解調(diào)器、射頻解調(diào)模 塊以及變頻模塊。
3、 如權(quán)利要求2所述的單頻光子探測系統(tǒng)，其特征在于，所述探 測單元的電路中采用多級濾波與放大結(jié)構(gòu)以及差分結(jié)構(gòu)。
4、 如權(quán)利要求2所述的單頻光子探測系統(tǒng)，其特征在于，所述光 耦合^^莫塊包括光耦合器，用于將探頭的光導(dǎo)纖維與所述光電管進行同 軸固定。
5、 如權(quán)利要求1所述的單頻光子探測系統(tǒng)，其特征在于，所述探 測單元由屏蔽裝置進行電磁屏蔽。
6、 如權(quán)利要求1所述的單頻光子探測系統(tǒng)，其特征在于，還包括 半導(dǎo)體制冷循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)，用于對所述光電管的溫度進行控制。
7、 如權(quán)利要求6所述的單頻光子探測系統(tǒng)，其特征在于，所述半 導(dǎo)體制冷循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)包括溫度傳感器，用于探測光電管的溫度；溫度控制器，與所述溫度傳感器連接，用于根據(jù)所述溫度傳感器 的感應(yīng)信號發(fā)出控制信號；電壓控制模塊，與所述溫度控制器連接，用于根據(jù)所述溫度控制 器發(fā)出的控制信號，發(fā)出電壓控制信號；半導(dǎo)體制冷片，與所述電壓控制模塊連接，用于根據(jù)所述電壓控 制模塊的電壓控制信號，調(diào)整制冷功率；制冷傳導(dǎo)單元，其包括制冷箱、風(fēng)扇、風(fēng)導(dǎo)管，將所述半導(dǎo)體制 冷片與所述光電管相連接，用于根據(jù)所述半導(dǎo)體制冷片的制冷量控制 光電管的溫度。
8、 如權(quán)利要求1所述的單頻光子探測系統(tǒng)，其特征在于，所述并 行通道數(shù)字采集接口包括同步接口卡。
全文摘要
本發(fā)明提出一種單頻光子探測系統(tǒng)，其包括高頻調(diào)制激光源單元，用于提供系統(tǒng)的輸入光源，以及用于產(chǎn)生同步信號；多個探頭，包括光導(dǎo)纖維，用于使用激光信號對被測物體內(nèi)部的不同空間位置進行數(shù)據(jù)采集；多個探測單元，分別與所述各個探頭連接，用于接收各個探頭采集到的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機；并行通道數(shù)字采集接口，用于在所述同步信號的同步作用下，將各個探測單元的數(shù)據(jù)同步采集到計算機中。本發(fā)明的單頻光子探測系統(tǒng)能探測微弱光信號的強度，并實現(xiàn)了強度信號和時間信號的同步采集，實現(xiàn)了實時的三維空間信息的重建，可廣泛用于利用光譜對物質(zhì)成分進行測定、對物質(zhì)的吸收系數(shù)和散射吸收等性質(zhì)進行測定以及對血液成分的分析等等。
文檔編號A61B5/00GK101152076SQ20061011341
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者宛田賓, 王維平 申請人:新奧博為技術(shù)有限公司