CN102854143A - 一种实时便携式前向光声显微镜 - Google Patents

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曾吕明
杨迪武
纪轩荣
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曾吕明
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Abstract

本发明提供一种基于光学分辨的便携式前向光声显微镜，包括激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、保护镜、外壳、载物台、超声耦合液、超声传感器、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，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，可非常适合于薄型材料或组织样品的无损检测领域。

Description

一种实时便携式前向光声显微镜
技术领域
本发明涉及一种光声显微成像技术，特别是涉及一种实时便携式前向光声显微镜。
背景技术
光声显微成像是一种新近发展起来的影像技术，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，其中光学分辨式光声显微成像的横向分辨率主要决定于入射激光的聚焦焦点尺寸，而与传感器的接收主频无关，焦点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。而声学分辨式光声显微成像的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。
2011年Hajireza等报道了采用二维激光振镜扫描背向接收模式的光学分辨式光声显微镜（P. Hajireza, W. Shi, and R. J. Zemp, “Label-free in vivo fiber-based optical-resolution photoacoustic microscopy,” Opt. Lett. 36(20), 4107-4109, 2011）；2012年Yuan等报道了采用二维激光振镜扫描的光学分辨式前向光声显微镜（Y. Yuan, Si Yang and D. Xing, “Optical-resolution photoacoustic microscopy based on two-dimensional scanning galvanometer,” Appl. Phys. Lett. 100, 023702, 2012）。以上报道都采用了激光振镜来实现光束扫描来代替机械扫描的方式以达到快速成像，但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，且难于实现系统的小型化和便携式设计，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实时便携式前向光声显微镜，它将小型、快速、易维护的多维激光振镜与激光二极管相结合，可实现快速便携式的前向光声显微成像系统。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种实时便携式前向光声显微镜，它包括激光二极管、准直透镜、多维激光振镜、聚焦透镜、保护镜、外壳、载物台、超声耦合液、超声传感器、信号预处理电路、数据采集电路、计算机、振镜驱动电路、时钟电路、驱动电源电路；所述激光二极管发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜和多维激光振镜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，然后经过保护镜后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；所述振镜驱动电路驱动多维激光振镜偏转使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；所述表面涂有超声耦合液的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；所述时钟电路与计算机导线连接；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；所述多维激光振镜、振镜驱动电路、计算机依次导线连接；所述激光二极管、准直透镜、多维激光振镜、聚焦透镜、保护镜被安置于外壳内；所述超声传感器通过超声耦合液紧贴于载物台的上内壁。
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。
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。
所述多维激光振镜为二维或三维扫描的激光振镜系统。
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）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。
（3）由于采用二维或三维的激光振镜，通常扫描速度不低于3KHz（即300×300扫描点只需30秒），扫描速度远高于传统的传感器由步进电机控制做圆周和线性机械扫描，有效的提高了系统的扫描精度、实时性和实用性，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.多维激光振镜、4.聚焦透镜、5.保护镜、6.外壳、7.载物台、8.超声耦合液、9.超声传感器、10.信号预处理电路、11.数据采集电路、12.计算机、13.振镜驱动电路、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9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4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、多维激光振镜、聚焦透镜、保护镜、外壳、载物台、超声耦合液、超声传感器、信号预处理电路、数据采集电路、计算机、振镜驱动电路、时钟电路、驱动电源电路；所述激光二极管发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜和多维激光振镜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，然后经过保护镜后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；所述振镜驱动电路驱动多维激光振镜偏转使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；所述表面涂有超声耦合液的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；所述时钟电路与计算机导线连接；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；所述多维激光振镜、振镜驱动电路、计算机依次导线连接；所述激光二极管、准直透镜、多维激光振镜、聚焦透镜、保护镜被安置于外壳内；所述超声传感器通过超声耦合液紧贴于载物台的上内壁。
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。
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。
所述多维激光振镜为二维或三维扫描的激光振镜系统。
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，再经多维激光振镜和聚焦透镜聚焦到几百纳米直径的焦点，穿过保护镜后照射在被测样品上被激发出光声信号；
2）光声信号通过超声耦合液耦合并由超声传感器前向式接收，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）计算机通过振镜驱动电路驱动多维激光振镜偏转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   一种基于光束扫描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9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 (7)

1.一种实时便携式前向光声显微镜，其特征在于包括激光二极管（1）、准直透镜（2）、多维激光振镜（3）、聚焦透镜（4）、保护镜（5）、外壳（6）、载物台（7）、超声耦合液（8）、超声传感器（9）、信号预处理电路（10）、数据采集电路（11）、计算机（12）、振镜驱动电路（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）与计算机（12）导线连接；所述超声传感器（9）、信号预处理电路（10）、数据采集电路（11）、计算机（12）依次导线连接；所述多维激光振镜（3）、振镜驱动电路（13）、计算机（12）依次导线连接；所述激光二极管（1）、准直透镜（2）、多维激光振镜（3）、聚焦透镜（4）、保护镜（5）被安置于外壳（6）内；所述超声传感器（9）通过超声耦合液（8）紧贴于载物台（7）的上内壁；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）和多维激光振镜（3）后再由高数值孔径的聚焦透镜（4）聚焦成直径在几十微米到几十纳米之间的焦点，然后经过保护镜（4）后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；所述振镜驱动电路（11）驱动多维激光振镜（3）偏转使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；所述表面涂有超声耦合液（8）的超声传感器（9）接收到光声信号，依次经过信号预处理电路（10）、数据采集电路（11）后被输入到计算机（12），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所述的一种实时便携式前向光声显微镜，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（4）的数值孔径。
3. 根据权利要求1所述的一种实时便携式前向光声显微镜，其特征在于：所述超声传感器（9）为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头。
4.根据权利要求1所述的一种实时便携式前向光声显微镜，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所述的一种实时便携式前向光声显微镜，其特征在于：所述多维激光振镜（3）为二维或三维扫描的激光振镜系统。
6.根据权利要求1所述的一种实时便携式前向光声显微镜，其特征在于：所述准直透镜（2）和聚焦透镜（4）可分别由一块或多块透镜组合而成。
7.根据权利要求1所述的一种实时便携式前向光声显微镜，其特征在于：所述保护镜（5）具有透光和密闭防水功能。
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