专利名称：单频光子探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电探测系统，特别涉及一种用于测量微弱光信号的 单频光子探测系统。
背景技术：
在工程应用中，通常使用光信号或者射线的方式进行探测以便对 逆向问题进行求解，逆向问题又被称作重建问题。重建的过程类似于 黑盒子的反向问题，当盒子的输入信号和输出信号已知时，就可以通 过重建的过程了解到盒子内部的结构和参数分布状况。这种探测和重建的 一个典型应用是在医疗成像领域，其用于无损 地获得组织内部的生理参数信息和空间分布信息。其他的应用还有通 过入射光信号，并对出射光子进行探测，从而完成对被测物体内部的 光学特性参数的探测。在上述这类应用中需要解决的问题有两个首先，由于光信号在 被测量物体内部传输的过程中，其光子的数量会被极大地衰减，这就 要求光探测器具有较高的光子敏感度；其次，由于需要获取物体内部 参数的三维分布信息，就要求能够探测到系统的时间信息，从而知道 系统参数的空间距离信息，这样就有可能获得三维分布信息。目前，在医疗成像等领域，对人体组织的血液参数空间分布等进 行测量的探测系统一般是采用连续波激光光源通过一个探测单元获取 组织内部的幅值信号，该系统对微弱光信号敏感度较低，丢失了光在200610113414.0说明书第2/8页组织内部的时间信息，不能获得实时性能的三维空间信号，不便于对 组织内部的病灶等情况进行实时处理。发明内容为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提出 一种 单频光子探测系统，该系统能探测微弱光信号的强度，并能实现强度 信号和时间信号的同步采集从而实现实时三维空间信息的重建。本发明提出的一种单频光子探测系统，包括高频调制激光源单元，用于提供系统的输入光源，以及用于产生 同步信号；多个探头，包括光导纤维，用于使用激光信号对被测物体内部的不同空间位置进行数据采集；多个探测单元，分别与所述各个探头连接，用于接收各个探头采 集到的数据并将这些数据发送到计算机；并行通道数字采集接口 ，用于在所述高频调制激光源单元所产生 的同步信号的同步作用下，将各个探测单元的数据同步采集到计算机中。所述并行通道数字采集接口包括同步接口卡。所述的探测单元包括光耦合模块、光电管、光电转换与解调器、 射频解调模块以及变频模块；所述探测单元由屏蔽装置进行电磁屏蔽。所述探测单元的电路中采用多级滤波与放大结构以及差分结构。
所述光耦合才莫块包括光耦合器，用于将探头的光导纤维与所述光 电管进行同轴固定。所速单频光子探测系统还包括半导体制冷循环风冷系统，用于对所述光电管的温度进行控制。所述的半导体制冷循环风冷系统包括 温度传感器，用于探测光电管的温度；温度控制器，与所述温度传感 器连接，用于根据所述温度传感器的感应信号发出控制信号；电压控 制模块，与所述温度控制器连接，用于根据所述温度控制器发出的控 制信号，发出电压控制信号；半导体制冷片，与所述电压控制模块连 接，用于根据所述电压控制模块的电压控制信号，调整制冷功率；制 冷传导单元，其包括制冷箱、风扇、风导管，将所述半导体制冷片与 光电管相连接，用于根据所述半导体制冷片的制冷量控制光电管的温 度。本发明的单频光子探测系统的有益效果在于优化了探测单元的 电路结构，使系统能探测微弱光信号的强度；探测单元具有良好的屏 蔽；所使用的冷却系统维持了探测单元的稳定工作状态；实现了强度 信号和时间信号的同步采集，实现了实时的三维空间信息的重建。本发明的单频光子探测系统可广泛用于利用光语对物质成分进行 测定、对物质的吸收系数和散射吸收等性质进行测定以及对血液成分 的分析等等。
图1为本发明的单频光子探测系统的总体结构框图； 图2为图1中的^1测单元的结构及连接图3为图2中光耦合冲莫块所4吏用的耦合器的结构图；图4为本发明的单频光子探测系统的循环冷却系统结构图；图5为本发明的单频光子探测系统的同步接口框架图；图6为本发明的单频光子探测系统的采集系统软件流程图；图7为本发明的单频光子探测系统的探测单元的屏蔽盒的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。其中同 一部 件采用相同的数字进行标记。图1为本发明的单频光子探测系统的总体结构框图。如图1所示，高频调制激光源单元2产生的激光信号发送到探头3 以及生成同步信号6。探头3使用激光信号对被测物体内部组织1进行 测量并采集从被测物体内部组织1散射的光信号，该散射的光信号通 过光导纤维4传送到探测单元5，随后又通过并行通道数字采集接口 7 传送到计算机8中。所述的并行通道数字采集接口 7在同步信号6的 同步作用下对探测单元5探测到的光信号进行同步采集。所述探测单元5为所述探测系统中最关键的部分，探测单元5的 性能直接影响到该探测系统的整体性能，以及所采集到的数据的精确 程度。本发明中的探测单元具有较高的敏感度。图2为图1中的探测单元5的内部结构及连接图。如图2所示，探测单元5由模块化电路构成，包括依次连接的光 耦合模块9、光电管10、光电转换与解调器ll、射频解调模块12和变
频模块13。其中，所述光耦合模块9与探头3连接，以便接收探头3采 集到的光信号数据。本实施例中的光电管10采用的是高敏感度的APD 管(雪崩光电二极管)。由于所述探测单元5包括多个探测单元a-n，为了防止各个探测单 元之间通过电源发生射频信号串扰，故在电源上加有多级高频滤波器； 另外，采用多级滤波与放大电路以消减变频后信号的带宽，同时采用 差分电路以消减所述探测系统的共模噪声干扰。上述各个电路结构使 得所述探测单元5具有较高的灵敏度，从而提高了系统的信号灵敏度。本发明中多个探测单元的同时使用可以使系统获取实时的三维空 间信息。这些探测单元可以有不同的排列方式，各连接有探头，进行 并行的数据采集。上述APD能够感应到微弱的光信号，但如果光子较为分散，APD也 无法探测到有效的光信号，故所述探测系统使用光导纤维对光子进行 收集，从而能够得到较集中的信号，这就需要APD的光敏窗口能够和 光导纤维有很好的耦合，另外由于所述探测系统在使用过程中要对光 导纤维和APD进行拆卸，所以同时还需要光导纤维和APD两者为同轴 的位置关系，为此，本发明设计了光导纤维和APD的耦合器。图3为图2中光耦合模块所使用的耦合器的结构图。如图3所示，该耦合器可对光导和光电管进行固定和同轴校准。 使用该耦合器可使得APD的光敏窗口能够和光导较好的耦合，同时保 证了二者为同轴。
由于系统中采用高每文感的APD，其增益随温度的变化十分敏感，为 了对APD的工作温度进行控制，本实施例的探测系统中设计了循环冷 却系统。图4为本发明的单频光子探测系统的循环冷却系统结构图。如图4所示，该循环冷却系统采用大功率的半导体制冷片对被控 对象(即APD)进行温度的控制。被控对象上连接有温度传感器，该传 感器与温度控制器相连接，该控制器将温度传感器检测到的温度变化 信号传输到半导体制冷片的电压控制模块，该电压控制模块根据该温 度变化信号调整半导体制冷片的电压，从而控制半导体制冷片的功率。 该半导体制冷片所连接的制冷箱将低温的空气通过风扇和风导管15传送到被控对象，以对被控对象进行冷却。半导体制冷片上还连接有散 热板14和风扇用以自身的散热。上述冷却电路系统使用"压调功率控制，，方法实现了对半导体制 冷片的制冷量的控制，从而达到对APD的温度进行准确控制的目的， 使得APD具备稳定的增益。图1中，为了实现光信号的同步并行采集，本实施例的探测系统 采用了并行通道数字采集接口将探测单元的数据采集到计算机。图5为本发明的单频光子探测系统的同步接口框架图。如图5所示，多通道输入为多个探测单元所传送的光信号输入， 同步系统输入同步光信号，并通过并行通道数字采集接口 7的多通道 切换将多路光信号输入计算机同步采集系统。
所述并4亍通道凄t字采集4妻口 7采用同步采集卡。该采集卡实现了 光信号的同步平行采集，缩短了系统信号的采集时间，从而数据处理和图像显示的时间充足，实现了图像的实时显示；同步系统使用同步 信号对每个通道的光信号进行同步，保证了系统相位具有时间上的一 致性。本实施例的探测系统还为所述同步采集卡设计了采集系统软件， 以使得所述同步采集卡与计算机之间进行顺利的数据通信。图6为本发明的单频光子探测系统的采集系统软件流程图。如图所示，首先是S1步骤的触发采集卡启动多通道采集，其送出 触发信号，以便进行S2步骤的识别当前通道信号；之后同时进行S3 步骤的启动同步信号以及S4步骤的切换多路开关动作；S3步骤之后是 S5步骤的识别同步信号，随后将同步信号送往S7步骤的通过HILBERT 提取各个通道的相位；上述S4步骤之后是S6步骤的根据数据结构重 组多通道信号，该步骤将原始数据分别送往S7步骤的通过HILBERT提由于系统中采用了多个相同的探测单元5，而每一个探测单元都需 要有良好的电磁屏蔽性能，另外为了批量生产以及保证产品质量的需 要，本实施例的探测单元5采用屏蔽盒进行了屏蔽。图7为本发明的单频光子探测系统的探测单元的屏蔽盒的结构图。如图所示，该屏蔽盒采用"导轨式滑装"结构，该结构可以大大 节省探测单元的装配时间，并使得每个探测单元具有良好的电磁屏蔽 性能，使其质量得到保证。本发明并不局限于上述特定实施例，在不 背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域技术人员可根据本发
明的实施例，^f故出各种斗目应？支变禾口变形，而这些冲目应？文变和变形都应 属于本发明所附权利要求保护范围之内。
权利要求
1、一种单频光子探测系统，其特征在于，包括高频调制激光源单元，用于提供系统的输入光源，以及用于产生同步信号；多个探头，包括光导纤维，用于使用激光信号对被测物体内部的不同空间位置进行数据采集；多个探测单元，分别与所述各个探头连接，用于接收各个探头采集到的数据并将这些数据发送到计算机；并行通道数字采集接口，用于在所述高频调制激光源单元所产生的同步信号的同步作用下，将各个探测单元的数据同步采集到计算机中。
2、 如权利要求1所述的单频光子探测系统，其特征在于，所述的 探测单元包括光耦合模块、光电管、光电转换与解调器、射频解调模 块以及变频模块。
3、 如权利要求2所述的单频光子探测系统，其特征在于，所述探 测单元的电路中采用多级滤波与放大结构以及差分结构。
4、 如权利要求2所述的单频光子探测系统，其特征在于，所述光 耦合^^莫块包括光耦合器，用于将探头的光导纤维与所述光电管进行同 轴固定。
5、 如权利要求1所述的单频光子探测系统，其特征在于，所述探 测单元由屏蔽装置进行电磁屏蔽。
6、 如权利要求1所述的单频光子探测系统，其特征在于，还包括 半导体制冷循环风冷系统，用于对所述光电管的温度进行控制。
7、 如权利要求6所述的单频光子探测系统，其特征在于，所述半 导体制冷循环风冷系统包括温度传感器，用于探测光电管的温度；温度控制器，与所述温度传感器连接，用于根据所述温度传感器 的感应信号发出控制信号；电压控制模块，与所述温度控制器连接，用于根据所述温度控制 器发出的控制信号，发出电压控制信号；半导体制冷片，与所述电压控制模块连接，用于根据所述电压控 制模块的电压控制信号，调整制冷功率；制冷传导单元，其包括制冷箱、风扇、风导管，将所述半导体制 冷片与所述光电管相连接，用于根据所述半导体制冷片的制冷量控制 光电管的温度。
8、 如权利要求1所述的单频光子探测系统，其特征在于，所述并 行通道数字采集接口包括同步接口卡。
全文摘要
本发明提出一种单频光子探测系统，其包括高频调制激光源单元，用于提供系统的输入光源，以及用于产生同步信号；多个探头，包括光导纤维，用于使用激光信号对被测物体内部的不同空间位置进行数据采集；多个探测单元，分别与所述各个探头连接，用于接收各个探头采集到的数据并将这些数据发送到计算机；并行通道数字采集接口，用于在所述同步信号的同步作用下，将各个探测单元的数据同步采集到计算机中。本发明的单频光子探测系统能探测微弱光信号的强度，并实现了强度信号和时间信号的同步采集，实现了实时的三维空间信息的重建，可广泛用于利用光谱对物质成分进行测定、对物质的吸收系数和散射吸收等性质进行测定以及对血液成分的分析等等。
文档编号A61B5/00GK101152076SQ20061011341
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月27日 优先权日2006年9月27日
发明者宛田宾, 王维平 申请人:新奥博为技术有限公司