皮肤光的反射、折射和吸收


色差仪批发网 / 2015-10-30

我们知道如果色差仪在产品颜色检测出起到作用离不开光的作用,所以分析肤色时皮肤表面光线的折射、反射、漫反射以及吸收都是对结果有很大影响的。所以正确了解和分析皮肤对光的反射、折射以及吸收可以更正确的分析色差仪的测量结果。

反射定义为电磁肤色在入射表面上返回。一般情况下,反射表面是折射率不同的两种介质的物理边界,如空气和皮肤组织的交界。如果反射表面时光滑的,其表面不平整与辐射的波长比是较小的,称该反射为镜面反射。镜面反射是最简单的情况。相反,当反射表面的粗糙度较大或小于辐射的波长时,就出现漫反射。生物组织没有一个像光学反射镜表面那样抛光的表明,所以漫反射是所有生物组织的一个共同现象。特殊情况是在潮湿组织的表面,镜面反射可能超过漫反射。在显微镜下,皮肤表面非常粗糙,因此会对入射光产生强烈的漫反射。

由于皮肤颜色不同,反射比大小也有差异,白种人皮肤反射比更高点在700nm处,高达65%(红虚线);黑人皮肤反射比较低,其更高点位于890nm和1070nm波段,只有43%-45%(蓝点线);中国人皮肤反射比在上述两种人之间,更高点在850nm处,达54%,高于黑人皮肤反射比,但低于白种人的皮肤反射比(黄实线)。

根据菲涅尔定律,反射和折射彼此密切相关,总是同时发生(全反射除外),并且反射和通常需要用折射率来折射符合总能量守恒的规律,而入射光与物质的进一步的相互作用仅限于折射光。通常需要用折射率来阐述光线进入物质中传输方向的变化,但是在浑浊光介质中,如各种生物组织,由于吸收和散射作用,故折射率的测量相当空难,大多数情况下仅能粗略估计和推算。在激光医学的应用中,只有当辐照象角膜组织这样透明介质时,折射率才起重要作用。

 

图 不同人中皮肤对光的反射特性

吸收

吸收是由于部分光能转换成热运动或者是吸收材料中分子的某种振动,因为吸收,入射光的强度在通过某一介质时会衰减。透明介质允许通过而吸收极少。相反,使入射光的强度几乎衰减为零的介质被称为不透明的。“透明”和“不透明”是相对的,因为吸收取决于波长。例如,角膜和晶状体,主要由水组成,对可见光来说,角膜和晶状体被认为是高透明的,但在红外光谱波段内表现出强烈的吸收。因此,在这个光谱范围内这些生物组织呈现不透明。实际上,没有任何生物组织对电磁波谱的所有波长可称为“透明”或“不透明”的。

在皮肤组织中,主要的吸收是由色素、蛋白质和核酸等大分子以及水分子引起的。紫外波段光子吸收主要是核酸和蛋白质:近红外光的激光辐射到皮肤表面上时大部分被反射掉,小部分透入皮肤内部;中远红外光基本上不能透入皮肤深部,而是被皮肤水分吸收。Boulnois对黑色素和血红蛋白(Hbo2)这两种基本生物吸收体的吸收光谱进行了研究。黑色素、血红蛋白和人体皮肤的吸收光谱。黑素是皮肤的基本色素,而且是目前为止已知的重要的表皮生色团。它的吸收系数由可见光谱向紫外光谱方向单向增加。由下图可知,在可见光范围内,密集的黑素其光吸收比较正常皮肤的吸收高10倍左右。织中占主要地位,也是血液中的协氧蛋白。血红蛋白相应的吸收峰约在280nm、420nm、540nm和580nm处。另外,水是多数生物组织的主要构成物,生物组织中的平均含水量高达85%。当光照射到皮肤组织中,水分子的吸收起到重要作用。在可见光谱范围内,水的吸收系数是极小的。在可见光谱区和紫外区,生物组织本身的吸收系数要比水分子高,它依赖于像黑色素和血红蛋白等的大分子在组织中的相应含量。由此可见,黑色素、血红蛋白和水分子的不同的吸收光谱特点,可以作为检测他们在组织中含量的标记。

 

图 皮肤中的黑色素、血液中的血红蛋白(Hbo2)的吸收光谱

散射

皮肤组织中的散射过程较为复杂。一般情况下,生物组织中的散射大多数属于弹性散射。在弹性散射中,入射光子与散射光子的能量相同。散射使光的传播方向发生改变,定义入射光与散射光的传播方向夹角为散射角,则根据实验得知,生物组织中前向散角,则根据实验得知,生物组织中前向散射角大多在8°~45°之间。当光速穿透皮肤组织时,组织中的散射虽然不减弱皮肤中光速的能量,但导致光束的横截面增加,从而降低了光功率密度,进而影响透射率。定义穿透深度为组织体重的光能流率减少至入射的组织表面的能流率的1/e时光传播的距离(从组织表面算起),则光在组织中的穿透深度是有吸收和散射共同决定的。皮肤等生物软组织在它们的低光吸收窗口(0.6um~1.3um,1.6um~1.85um)表现出较强的散射特征(散射系数比吸收数大2个数量级)。

色差仪在检测皮肤颜色时内置的光源会发射一束标准光源光线照射在皮肤上,再通过分析折射、反射和漫反射光线中各种颜色数据,给出肤色色彩信息。色差仪现在在临床医疗美容行业中广泛应用,学习和了解这些知识对我们正确分析结果是非常重要的。

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