CN102854141A - 便携一体化的光学分辨式光声显微镜 - Google Patents

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曾吕明
纪轩荣
杨迪武
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曾吕明
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Abstract

本发明提供一种便携一体化的光学分辨式光声显微镜，包括激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、保护镜、外壳、超声传感器、样品台、升降台、三维电动平移台、电机驱动电路、计算机、数据采集电路、信号预处理电路、时钟电路、驱动电源电路。它将小型、便宜、易维护的激光二极管应用到光学分辨的光声显微激发领域，并与超声传感器实现一体化设计，具有体积便携、分辨率高、成像深度大、信号后处理电路简单等优点，可广泛应用于材料检测、工业探伤、医学影像等领域的光声显微成像。

Description

便携一体化的光学分辨式光声显微镜
技术领域
本发明涉及一种光声显微成像技术，特别是涉及一种便携一体化的光学分辨式光声显微镜。
背景技术
光声显微成像技术可实现几百微米到几十纳米级别的高分辨率探测影像，并且具有高光学对比度、无放射性损伤、使用安全便捷等优点，依据分辨率的决定因素，其可分为声学分辨和光学分辨模式。
声学分辨模式的光声显微成像技术是最先被开发出来的，其横向分辨率主要决定于聚焦超声传感器的主频，频率越高则分辨率越高，一般在几百微米到几个微米之间。但由于超高频成分的超声衰减越快，所以其成像深度被严重的制约了。2005年K. Maslov等报道了采用暗场辐射背向接收模式的声学分辨式光声显微镜（K. Maslov, G. Stoica and L. V. Wang, “In vivo dark-field reflection-mode photoacoustic microscopy,” Opt. Lett. 30(6), 625-627, 2005），其采用主频高达50MHz的聚焦超声传感器来接收光声信号，在3毫米的最大成像深度内可实现45微米的横向分辨率。
另外一种是光学分辨模式的光声显微成像技术，其横向分辨率主要决定于入射激光的聚焦焦点尺寸，直径越小则分辨率越高，理论上可接近于近光学衍射极限（或限制点），且其成像深度主要由被测样品的光学散射系数决定。2011年Wang等报道了采用快速扫描背向接收模式的光学分辨式光声显微镜（L. Wang, K. Maslov, J. Yao, B. Rao and L. V. Wang, “Fast voice-coil scanning optical-resolution photoacoustic microscopy,” Opt. Lett. 36(2), 139-141, 2011）；2012年Yuan等报道了采用二维激光振镜扫描的光学分辨式光声显微镜（Y. Yuan, Si Yang and D. Xing, “Optical-resolution photoacoustic microscopy based on two-dimensional scanning galvanometer,” Appl. Phys. Lett. 100, 023702, 2012）；但以上技术都采用较大功率的固体激光器作为光声激发源，而该类激光器通常拥有体积大、价格高、维护难等众多缺点，且难于实现系统的便携式和一体化设计，在实际应用中显然存在相当大的局限性。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种便携一体化的光声显微镜，它将小型、便宜、易维护的激光二极管应用到光声显微激发领域，并与超声传感器实现一体化设计，可实现便携式的光声显微成像系统。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种便携一体化的光学分辨式光声显微镜，包括激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、保护镜、外壳、超声传感器、样品台、升降台、三维电动平移台、电机驱动电路、计算机、数据采集电路、信号预处理电路、时钟电路、驱动电源电路，其特征在于激光二极管发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜准直后再由高数值孔径的聚焦透镜聚焦成直径在几十微米到几十纳米之间的焦点，然后依次经过保护镜和中空的超声传感器后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；电机驱动电路驱动三维电动平移台通过带动外壳使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；超声传感器接收到光声信号，依次经过信号预处理电路、数据采集电路后被输入到计算机，再通过图像重建即可实现多维的光声显微成像，其显微成像的横向分辨率只决定于激光聚焦的焦点直径。
所述激光二极管、驱动电源电路、时钟电路依次导线连接；所述时钟电路与数据采集电路导线连接；所述超声传感器、信号预处理电路、数据采集电路、计算机依次导线连接；所述三维电动平移台、电机驱动电路、计算机依次导线连接；所述激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、保护镜、超声传感器被安置于外壳内；所述外壳与三维电动平移台机械连接；所述升降台的上表面放置有样品台；所述超声传感器紧贴于被测样品表面。
根据阿贝衍射理论，所述光声显微镜的理论横向分辨率R为0.51λ／NA，即激光聚焦焦点的半极大全宽度直径，其中λ为激光的波长，NA为聚焦透镜的数值孔径。
所述超声传感器为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头，且具有中空结构。
所述激光二极管的辐射波长为紫外至红外范围里一个或多个波长。
所述准直透镜和聚焦透镜可分别由一块或多块透镜组合而成。
所述保护镜具有透光和密闭防水功能。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用激光二极管作为光声激发源，具有体积小、价格低、易维护、高稳定性等优点，可实现系统的便携式结构设计。
（2）由于激光二极管与超声传感器为背向模式结构，将光声的激发与传感实现了一体化设计，有效提高了系统紧凑性、稳定性和实用性。
（3）通过对激光二极管产生的激光束进行聚焦，实现了光学分辨式光声显微成像，相对于声学分辨式光声显微成像具有分辨率高、成像深度大、信号后处理电路简单等优点，可广泛应用于材料检测、工业探伤、医学影像等领域。
 附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作具体说明：
实施例1   本实施例的结构如图1所示，各元件的名称为：1. 激光二极管、2. 准直透镜、3. 聚焦透镜、4. 保护镜、5. 外壳、6. 超声传感器、7. 样品台、8. 升降台、9. 三维电动平移台、10. 电机驱动电路、11. 计算机、12. 数据采集电路、13. 信号预处理电路、14. 时钟电路、15. 驱动电源电路。
其中激光二极管1选用脉冲的半导体激光二极管（PFAS1S12, PerkinElmer），工作波长为850nm，单脉冲能量约为3.9uJ；超声传感器6为中空结构的256阵元面阵列探头（5M16*16-1.0*1.0，广州多浦乐电子科技有限公司），其中心频率为5.0MHz，有效孔径为16mm，外壳型号为B16；聚焦透镜3采用数值孔径高达0.62的非球面透镜，其有效的聚焦长度EFL为6.75mm，工作距离D为4.27mm。
本实例包括激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、保护镜、外壳、超声传感器、样品台、升降台、三维电动平移台、电机驱动电路、计算机、数据采集电路、信号预处理电路、时钟电路、驱动电源电路，其特征在于激光二极管发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜准直后再由高数值孔径的聚焦透镜聚焦成直径在几十微米到几十纳米之间的焦点，然后依次经过保护镜和中空的超声传感器后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；电机驱动电路驱动三维电动平移台通过带动外壳使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；超声传感器接收到光声信号，依次经过信号预处理电路、数据采集电路后被输入到计算机，再通过图像重建即可实现多维的光声显微成像，其显微成像的横向分辨率只决定于激光聚焦的焦点直径。
所述激光二极管、驱动电源电路、时钟电路依次导线连接；所述时钟电路与数据采集电路导线连接；所述超声传感器、信号预处理电路、数据采集电路、计算机依次导线连接；所述三维电动平移台、电机驱动电路、计算机依次导线连接；所述激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、保护镜、超声传感器被安置于外壳内；所述外壳与三维电动平移台机械连接；所述升降台的上表面放置有样品台；所述超声传感器紧贴于被测样品表面。
根据阿贝衍射理论，所述光声显微镜的理论横向分辨率R为0.51λ／NA，即激光聚焦焦点的半极大全宽度直径，其中λ为激光的波长，NA为聚焦透镜的数值孔径。
所述超声传感器为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头，且具有中空结构。
所述激光二极管的辐射波长为紫外至红外范围里一个或多个波长。
所述准直透镜和聚焦透镜可分别由一块或多块透镜组合而成。
所述保护镜具有透光和密闭防水功能。
本实施例具体操作步骤为：
1）半导体激光二极管发射的脉冲激光由准直透镜准直后，再经聚焦透镜聚焦到几百纳米直径的焦点，通过保护镜和中空结构的多元面阵超声传感器后照射在被测样品上，被激发出光声信号；
2）紧贴在被测样品表面的多元面阵超声传感器接收到光声信号，经信号预处理电路后由数据采集电路输送到计算机做后续处理； 
3）计算机通过电机驱动电路驱动三维电动平移台，从而带动外壳使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场，同时重复步骤2接收每次扫描的光声信号；
4）通过图像重建程序处理采集到的光声信号可实现多维的光声显微成像。由于每次扫描中超声阵列传感器的振元一共可接收到256个光声信号，故可优选满足一定条件的光声信号来重建多维光声图像（如可选择幅值最大、渡越时间最短或振铃效应最小等条件的光声信号），以实现最佳的成像质量。
 实施例2   一种便携一体化的光学分辨式光声显微镜，与实施例1结构相似，不同之处在于：超声传感器6采用广州多浦乐电子科技有限公司生产的中空结构的单元斜探头（5.0P9×9K1），其中心频率为5.0MHz，尺寸为9 mm×9 mm，外接口采用Q9（BNC）接口。

Claims (6)

1.一种便携一体化的光学分辨式光声显微镜，其特征在于包括激光二极管（1）、准直透镜（2）、聚焦透镜（3）、保护镜（4）、外壳（5）、超声传感器（6）、样品台（7）、升降台（8）、三维电动平移台（9）、电机驱动电路（10）、计算机（11）、数据采集电路（12）、信号预处理电路（13）、时钟电路（14）、驱动电源电路（15）；所述激光二极管（1）、驱动电源电路（15）、时钟电路（14）依次导线连接；所述时钟电路（14）与数据采集电路（12）导线连接；所述超声传感器（6）、信号预处理电路（13）、数据采集电路（12）、计算机（11）依次导线连接；所述三维电动平移台（9）、电机驱动电路（10）、计算机（11）依次导线连接；所述激光二极管（1）、准直透镜（2）、聚焦透镜（3）、保护镜（4）、超声传感器（6）被安置于外壳（5）内；所述外壳（5）与三维电动平移台（9）机械连接；所述升降台（8）的上表面放置有样品台（7）；所述超声传感器（6）紧贴于被测样品表面；所述激光二极管（1）发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜（2）准直后再由高数值孔径的聚焦透镜（3）聚焦成直径在几十微米到几十纳米之间的焦点，然后依次经过保护镜（4）和中空的超声传感器（6）后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；电机驱动电路（10）驱动三维电动平移台（9）通过带动外壳（5）使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；超声传感器（6）接收到光声信号，依次经过信号预处理电路（13）、数据采集电路（12）后被输入到计算机（11），再通过图像重建即可实现多维的光声显微成像，其显微成像的横向分辨率只决定于激光聚焦的焦点直径。
2.根据权利要求1所述的便携一体化的光学分辨式光声显微镜，其特征在于：根据阿贝衍射理论，所述光声显微镜的理论横向分辨率R为0.51λ／NA，即激光聚焦焦点的半极大全宽度直径，其中λ为激光的波长，NA为聚焦透镜（3）的数值孔径。
3.根据权利要求1所述的便携一体化的光学分辨式光声显微镜，其特征在于：所述超声传感器（6）为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头，且具有中空结构。
4.根据权利要求1所述的便携一体化的光学分辨式光声显微镜，其特征在于：所述激光二极管（1）的辐射波长为紫外至红外范围里一个或多个波长。
5.根据权利要求1所述的便携一体化的光学分辨式光声显微镜，其特征在于：所述准直透镜（2）和聚焦透镜（3）可分别由一块或多块透镜组合而成。
6.根据权利要求1所述的便携一体化的光学分辨式光声显微镜，其特征在于：所述保护镜（4）具有透光和密闭防水功能。
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