非接触式光学成像中自由空间光传输问题的研究

论文摘要

近年来,由于可观的时间／空间分辨率和相对低廉的价格,光学分子影像已经得到了越来越多的关注。特别地,其非接触式测量方式由于在检测灵敏度、成像质量和系统简单性方面的优势,已经成为非侵入式检测领域的一种极为有用的工具。然而,在非接触式成像领域,仍然有一些挑战性的问题亟待解决。理论上,自由空间中的光子传输仿真是一个困难的问题,它不同于生物组织中的光子传输仿真。在自由空间中,光学成像系统的复杂性,特别是光学成像镜头的存在复杂了光子传输问题的仿真。因此,开发一种准确有效的自由空间光子传输仿真算法就成为亟待解决的问题。基于上述问题,本文主要研究光子在自由空间中的传输过程,并提出了两个自由空间光子传输模型：基于Monte Carlo方法的自由空间光子传输模型和基于混合辐射度-辐射亮度学定理的自由空间光子传输模型。在描述光子在生物组织中的传输过程时,Monte Carlo方法是验证其他数值方法或解析方法的金标准；但是,目前Monte Carlo方法还没有有效地扩展到自由空间中光子传输过程的仿真。本文结合光学成像系统的简化理论对Monte Carlo方法进行扩展,将其应用于自由空间中的光子传输过程的仿真；并与MOSE平台中的生物组织中光子传输过程仿真相结合,实现非接触式光学分子影像前向问题的建模与求解。但是,Monte Carlo方法具有随机统计性,需要仿真大量的光子才能得到相对准确的仿真结果；而且,Monte Carlo方法仿真的探测结果非常离散,很难满足实际仿真问题的需要。因此,本文又在朗伯源理论基础上提出了一个解析模型。该模型基于混合辐射度-辐射亮度学定理描述光子在自由空间中传输时的能量变化,同时结合复杂光学成像系统的简化模型,实现了光子在自由空间中传输过程的仿真,并可以得到相对平滑的仿真结果。数值仿真实验和真实物理实验表明了这两个模型的准确性和有效性。此外,定量的误差对比表明了这两个模型在仿真光子在自由空间中传输时的灵活性和应用潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 分子影像和光学分子影像
• 1.1.2 非接触式光学分子影像
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 生物组织中光传输理论研究现状
• 1.2.2 自由空间中光传输理论研究现状
• 1.2.3 光学仿真平台研究现状
• 1.3 本文主要工作和章节安排
• 1.3.1 本文主要工作
• 1.3.2 章节安排
• 第二章 理论基础概述
• 2.1 Monte Carlo方法
• 2.2 镜头简化理论
• 2.3 红外辐射的基本特征
• 2.3.1 辐射度学和光度学基础
• 2.3.2 朗伯辐射体的特征
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于Monte Carlo方法的非接触式光学分子影像前向模型设计与实现
• 3.1 基于Monte Carlo的生物组织中光子传输模型
• 3.1.1 光子包的产生
• 3.1.2 光子包的传输自由程
• 3.1.3 光子包的吸收和散射
• 3.1.4 光子包的边界效应
• 3.1.5 光子包传输的终止
• 3.2 基于Monte Carlo的自由空间光子传输模型的设计与实现
• 3.2.1 光学成像系统的简化
• 3.2.2 基于MC方法的自由空间光子传输模型的设计与实现
• 3.3 实验设计及结果分析
• 3.3.1 不存在镜头情况下的实验验证
• 3.3.2 存在镜头情况下的实验验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于朗伯源理论的自由空间光子传输模型的设计与实现
• 4.1 逃逸光子的朗伯源理论
• 4.2 辐射亮度定理
• 4.3 基于辐射度-辐射亮度学的自由空间光子传输模型的实现
• 4.4 实验设计及结果分析
• 4.4.1 数值仿真实验
• 4.4.2 物理仿体实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在硕士期间发表的论文和参加的课题