近红外无创生化分析中高效双复合抛物面聚光系统设计

21世纪的医学以促进降”为目标，而血液生化分析是降诊断最基本的手段之-。基于近红外光谱分析的测量方法以无痛、无创、简单、快速等特点，有望改善常规检验方法出现的问题，是血液无创生化分析能够获得应用的最具潜力的方法之-1 ]。人体皮肤组织真皮层中含有丰富的血管，当光束入射到皮肤组织后产生漫反射光，这种漫射光携带着人体血液光谱信息。但是，由于人体皮肤组织中含有大量的水分，而水对光的吸收非常强，导致光 的衰减严重。此外 ，血液中各种化学成分的含量较少，致使它们引起的吸收光谱信号微弱，给无创生化分析带来了困难[5。]。因此，精确、可靠地检测血液生化成分信息需要信噪比非常高的仪器。

本文通过增大聚光系统光能利用率的方法来提高系统信噪比。首先根据复合抛物面聚光器(compound parabolic con-centrator，CPC )的聚光原理，设计人体漫反射光收集系统。

然后采用光线追迹方法研究双复合抛物面聚光(double com-pound parabolic concentration，DCPC)系统，优化得到光能利用率较高的非球面结构。最后结合皮肤组织光学性能影响，将 IX：PC系统、CPC-聚焦反射镜系统以及无光学收集系统分析比较♂果表明，本文设计的 DCPC系统对人体漫反射光具有高效的收集作用。

1 聚光系统光学设计1.1 聚光原理CPC是-种根据边缘光线原理设计而成的非成像光学聚光器，它的最终要求是在单位面积上获得最大强度 的光 ，剖面结构如图 1所示 ，抛物线 A和抛物线B关于Y轴对称，二者焦点分别为F2和F 。NF 和MFz分别与抛物、 y D ，，M . ，7 N -，，、 、、CPCR对物线西，，，、、 抛物线 、、， ，，， ，L 、、 、、、 !，，d，， 、 ”Fig.1 Structure drawing ofCPC收稿日期：2012-10-15，修订日期：2012-12-26基金项目：国家自然科学基金项 目(60938002)，中国科学院知识创新工程领域前沿项 目(YOO232Q1O0)和应用光学国家重点实验室开放课题(Y1Q03FQll3)资助作者简介：高 静，女，1986年生，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所硕士研究生 e-mail：ga###ng986###126.eom通讯联系人 e-mail：luqipeng###126.corn第 5期 光谱学与光谱分析 1407线 A和抛物线B的主轴平行 ，二者夹角为 2 ，其中 为最大聚光角。若入射角 ≤ ，光线被反射后全部由汹端出射；若入射角 > ，光线在第-次反射后到达焦点上方，经过多次反射最终返回到CPC的大口端。

在图 l所示的直角坐标系中，抛物线 A和抛物线B的方程如下抛物线 A[厮 -(，-詈) ] -d(厂 d)G-D-Z-yy (1)抛物线 B[ (厂-詈) ]。 。 -(， d)孵 y- (2)式中，d表示小 口端直径，，表示抛物线焦距。设抛物线 B延长线与其主轴的交点为Q，则f-I QF1 l - (1si ) (3)若最大聚光角和汹端直径确定 ，那么 CPC的形状也随之固定，大口端直径和长度分别为D-d/sin ，z- ÷ (Dd)cotO. (4)则 CPC可达到的最大理论聚光比为G- - 1/sin (5)根据以上公式，得到 ‰ 越雄光性能越好 ，但同时 D和l也逐渐变大，从而导致 CPC的体积过大 ，不利于装置小型化。

1.2 设计方案CPC可将-定倾角入射的光线聚焦至汹端处，但是对发散角度较大的漫反射光收集效果较差。为此，设计-种IX：PC系统，该系统主要由-级 CPC、平面镜、二级 CPC和探测器等组成，如图2(a)所示。系统中，平面镜倾斜45。，在- 级 CPC和二级CPC连接的上表面有-圆孔。光束穿过圆孔入射到平面镜上，然后被反射至人体测量部位上，产生的漫反射光经-级 CPC反射后发散角减小，最后由二级 CPC聚焦收集至探测器内。作为对比，若采用CPC-聚焦反射镜系统，系统光路图如图2(b)所示，平行光束先经平面镜反射，再入射到CPC上并被聚焦到人体测量部位上，由皮肤组织表面发出的漫反射光通过CPC和平面镜后反射至凹面镜上，最后由探测器接收被凹面镜会聚的光束。

测器Fig.2 Optical path of system(a)：DCPC system；(b)：CPC-focusing mirror system1.3 -级 CPC模型建立设-级CPC和二级CPC的汹端直径分别为dt和dz，最大聚光角分别为 -和 ～～人体测量部位设为直径1Omil的圆形朗伯辐射面光源，则d 为10 Film。在IX；PC系统中，-级 CPC结构设计原则是使漫射光经-级 CPC反射后的倾角较小；同时兼顾 IX：PC长度不宜过大。

按照图2(a)，计算漫射光经-级CPC反射后，倾斜角度不大于 -时的光功率值。令 刁-光线倾角不大于01 时的光功率/总出射光功率，得到 刁随 变化曲线如图3(a)所示，并计算出不同 -时的长度 z如图 3(b)所示。

n晷 3 Relation curve between some parameters and maximum focusing angle(a)Rate of ray inclination angle in maximum focusing angle；(b)Length1408 光谱学与光谱分析 第 33卷若要求 ≥70 ，由图 3(a)得到 01-≤25。；考虑到IX；PC总体长度不宜过大 ，令-级 CPC长度为 z≤65 mm，由图3(b)得到此时 -≥18。。因此，确定出 选择范围为 18。～25。。设计二级 CPC结构时，令二级 CPC与-级CPC的大口端直径基本保持-致，以避免光线逸出。

1.4 DCPC结构设计与优化以光能利用率大小作为衡量系统聚光强弱的标准，当-级CPC和二级 CPC均为标准型结构时，得到不同参数下的计算结果如表 1所示。

Table 1 Light utilization efi ciency of standard DCPC标准型-级CPC结构参数汹端直径 最大聚光角dl/mm l /(。)标准型二级CPC结构参数 总体长度 光能利用率汹端直径 最大聚光角 L/mm /d2/mm 如 /(。)130.37 6.77137.81 6.33107.81 6.34112.57 6.O39O.83 6.1493.92 5.7577.69 5.5279.71 5.6O表 I中，标准型-级 CPC汹端直径均为 10 mm；而标准型二级 CPC汹端直径选择两种，分别为 1O和 9 mm。由表 1得出：(1)最大聚光角越小，IX；PC光能利用率越大，即聚光性能增强，但同时系统总体长度逐渐变大；(2)若 01仃m<24。，当二级 CPC汹端直径增大时光能利用率均变大，且 DCPC总体长度随之减校12 l4 16 18 2O 22 24)l2 14 16 l8 20 22m /(。)本文以系统总体长度不大于 110 mm为宜，针对标准型DCPC，当d-和d2均为 10 mm， 仃m 和 均为 2O。时的聚光效果较好，并得出系统光能利用率为 6.34 。

虽然 - 和 较小的 DCPC系统聚光能力强，但是DCPC总体长度较大。为解决此问题 ，采用截顶法[II-13 分别对 IX；PC系统中-级 CPC和二级 CPC的大 口端进行截短 ，从而使其长度有所减校在DCPC中，截短型～级CPC与标准型二级CPC的大口端直径相等；同理，截短型二级 CPC与标准型-级 CPC的大 口端直径相等，计算得到光能利用率变化如图 4所示。

与前面-致，设 DCPC系统中截短型或标准型-级 CPC汹端直径 d 均为 10 rnnl。图 4(a)中，四条曲线对应的标准型二级CPC汹端直径 dz均为 9 mm， ～分别为 16。，18。，2O。和 22。；图 4(b)中，四条曲线对应的标准型二级 CPC汹端直径 d2均为 10 mm， 分别为 18。，2O。，22。和 24。。

图4(c)-(d)中，四条曲线对应的标准型-级 CPC最大聚光角 ～分别为18。，20。，22。和24。，但截短型二级CPC汹端直径 z不同。

由图 4得出，DCPC最优结构参数如下：截短型-级CPC的d 为 10 ITI1TI， 为 15。，标准型二级 CPC的 d2为10 ITLvn、 -为 18。，此时光能利用率为7.53 ，总体长度约为 100 rnln。

2 系统计算结果分析为了更准确地分析光学系统对人体漫反射光的收集效果 ，构建皮肤组织模型，比较 DCPC系统、CPC-聚焦反射镜系统、无光学收集系统三种情况下的集光效率。当入射光波长为 1 000 nlTl时，皮肤组织的光学特性参数 如表 2所示。

12 l4 l6 l8 2O 22 24。)12 14 16 18 20 22 24√(。)Fig.4 Light utilization eficiencyof truncatedDCPC system(a)：The first stage CPC is truncated and d2-9 mm；(b)：The first stage CPC is truncated and dz-i0 mm；(c)：The second stage CPC is truncated and dz-9 mFl!(d)：The second stage CPC is truncated and dz-10 mm加 ∞ 孔m 0 9 0 0墟 毖 丛mO 5 O 5 O 5 O 5 8 7 7 7 6 5 5 4 8I。铝o g 暑苔蛋10 5 O 5 O 5 O 5 8 7 7 7 6 5 5 4 ugl。蹬u g口量 -号 最I1O 5 O 5 O 5 O 5 8 7 7 7 6 5 5 4 ugI。蛭∞暑-目趸 三最l1O 5 O 5 0 5 O 5 8 7 7 7 6 5 5 4 o/o/ glQ暑 N-I1nI岳I1第 5期 光谱学与光谱分析 1409Table 2 Optical property parmneterof skin tissue(-1 000 nm)折射率 各富季性由于皮肤组织对入射光的吸收和散射作用较强，致使漫反射光能量较弱。因此，与本文 1.4节计算结果相比，加入皮肤组织的影响后会使系统光能利用率减校根据 1.2节提出的CPC-聚焦反射镜系统结构，优化得到CPC最佳结构参数‰ 和d分别为14。、10 mm，此时长度为 103 lT1rn。利用 zemax对聚焦反射镜进行优化设计，得到聚焦反射镜最优结构为左倾斜 15。，曲率半径和通光孔径分别为-80 nrn和 70 rnrn，接收面左倾斜 35。。

当无光学收集系统时，由探测器直接接收人体漫反射光，探测器倾斜45。，与人体测量部位距离为 10 mrfl。最后，计算DCPC系统、CPC-聚焦反射镜系统、无光学收集系统的光能利用率分别为 1.46 ，0.84%和 0.26%。此外，DCPC系统的光照度基本成圆形均匀分布，能量较集中，而CPC-聚焦反射镜系统的光照度图发生变形，近似为椭 圆状。因此，本文设计的DCPC系统可高效收集人体漫反射光，并使光均匀地入射到探测器上。

3 结 论对高效双复合抛物面聚光(DCPC)系统进行了设计。根据CPc聚光特性，优化出DCPC系统最佳结构参数♂合人体皮肤组织模型，计算出入射波长为 1 000 nm时，DCPC系统光能利用率为 1.46%，总体长度约为 100 mm；若光学收集系统由CPC与聚焦反射镜构成，得到此系统光能利用率为 0.84 ，且装置占用空间较大；而采用探测器直接接收时的利用率仅为 0.26%∩见 ，本文设计的 DCPC系统具有较强的聚光能力且益于实现光谱仪器小型化，可有效提高系统信噪比，为准确分析血液生化成分信息提供支持。

CHEN Xing-dan(陈星旦).Optics and Precision Engineering(光学 精密工程)，2008，16(5)：759。

LI Ya-ping，ZHANG Guang-jun，LI Qing-bo(李亚萍，张广军，李庆波).Acta Optica Sinica(光学学报)，2010，30(3)：854。

Huang Zhenhao，Hao Changning，Zhang Linlin，et a1.Proc.of SPIE，2012，81931：81931O-1。

Jaspreet Kaur，Jagdish Kumar，Sardana H K，et a1.International Conference on Optics and Photonics，2009。

Ya唱 Yue，Chen Wenliang，Shi Zhenhi，et a1.Chinese Optics Letters，2010，8(4)：421。

M iguel Pleitez，Hermann yon Lilienfeld-Toal，W erner Mintele.Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2012，85：61。

Welford W T，Winston R The Optics of Nonimaging Concentrators.New York：Academic Press，1978。

Kara A Shel，Scott A Brown，Mark A Schuetz，et a1.Proc.of SPIE，2011，8108：81080A1。

Roland Winston.Journal of Photonies for Energy，2012，2：025501-1。

LI Qu，YU Xiu-qin，QU Gang，et al(李 劬，虞秀琴，屈 刚，等).Acta Optica Sinica(光学学报)，1998，18(8)：1097。

Segal A，Epstein M Proc.of SPIE，2009，7423：74230H-1。

MA Ming，ZHENG Hong-fei，LI Jia-chun(马 鸣，郑宏飞，李家春).Solar Energy(太阳能)，2011，7：33。

Kenji Iino，Katsuhiko Maruo，Hidenobu Arimoto，et a1.Optieal Review，2003，10(6)：600。

Design of High--Efficiency Double Compound Parabolic ConcentratorSystem in Near Infrared Noninvasive Biochemical AnalysisGAO Jing ，LU Qbpengh ，PENG Zhong-qi ，DING Hai-quanI，GAO Hong-zhi1.State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy ofSciences，Changchun 130033，China2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，ChinaAbstract High signal-to-noise ratio(SNR)of system is necessary to obtain accurate blood components in near infrared noninva-sive biochemical analysis.In order to improve SNR of analytical system，high-efficiency double compound parabolic concentrator(DCPC)system was researched，which was aimed at increasing light utilization efficiency.Firstly，with the request of collectionefficiency in near infrared noninvasive biochemical analysis，the characteristic of emergent rays through compound parabolic COD-3 2 0 0 l 3 9 9 9 O 0 O 5 5 ∞0 卵 盯1 l 1 皮 皮 下表真皮 ]]]]]]] ]]]]]]] fI 钉阳刀 阳 蜘三I 蜘三1[[[[[[[ [[[[[[[1410 光谱学与光谱分析 第 33卷centrator(CPC)was analyzed.Then the maximum focusing angle range of the first stage CPC was determined.Secondly，thelight utilization efficiency of truncated type was compared with standard DCPC，thus the best structure parameters of DCPC sys-tem were optimized.Lastly，combined with optical parameters of skin tissue。calculations were operated when incident wave-length is 1 000 nn'L The light utilization efficiency of IX；PC system，CPC -focusing mirror system，and non-optical collecting sys-tem was calculated.The results show that the 1ight utilization efficiency of the three optica1 systems iS 1.46 ，0.84 and0.26 respectively.So DCPC system enhances collecting ability for human diffuse reflection light。and helps improve SNR ofnoninvasive biochemical analysis system and overal analysis accuracy effectively。

Keywords Compound parabolic concentrator；Optical design；Near infrared；Non-invasive biochemical analysisCorresponding author(Received Oct.15，2012；accepted Dec.26，2012)