CN105334262B - 基于光学干涉法的非接触光声探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学干涉法的非接触光声探测方法，包括以下步骤S1、光声激发；S2、光学相干检测；S3、平衡调节；S4、探测窗口锁定。还公开了一种实现该方法的基于光学干涉法的非接触光声探测装置。本发明提供的方法，解决了目前光声成像必须使用声耦合介质的难题，扩大了光声成像的应用范围。具有较高的灵敏度，探测光光斑可以聚焦到微米及亚微米，具有较高的横向分辨率。采用光学探测易于进行高速扫描，从而可以提高成像速度。实时检测干涉系统灵敏度，平衡调节探测光强，使光声探测在系统最高灵敏度的状态下进行，本发明还提供了一种基于光学干涉法的非接触光声探测装置，能够有效提高成像的稳定性和重复性。

Description

基于光学干涉法的非接触光声探测方法及装置

技术领域

本发明涉及基于光学干涉法的非接触光声探测方法及装置，具体属于光声探测技术领域。

背景技术

光声成像(Photoacoustic imaging，PAI)是近几年发展起来的一种高分辨率、高对比度的三维成像技术，其成像原理是光声效应，即当用短脉冲激光(脉宽一般为几个纳秒)照射样品后，样品会因吸收光能而引起自身的温升，温升导致样品快速热膨胀而产生超声波，这就是光声效应的产生过程。光声效应激发的超声波会传到样品表面，用探测器在样品表面检测超声波，得到光声信号，由得到的光声信号重建样品的光吸收分布，PAI的成像对比度是样品的光吸收差异。

目前，对于光声成像中光声信号的探测主要是利用PZT(压电陶瓷)和PVDF(聚偏氟乙烯)压电换能器进行超声信号的探测。而基于声压探测的光声探测及成像方法从原理上决定了其必须使用声耦合介质，原因是超声探测必须考虑声阻抗的匹配，当探头与样品“干接触”时，两者之间空气薄层对超声有强烈反射作用，因此，必须在样品和探测器之间存在声耦合介质。PAI通常使用水和矿物油作为声耦合介质。在进行非活体生物成像时，探测器和样品可以浸在声耦合介质中，但在对活体生物成像时，样品和探头之间的声耦合就十分困难。通常是把样品和声耦合介质用一层薄膜隔开，使样品和薄膜紧密接触，探测器浸入耦合介质中，进行扫描。此种方式操作极不方便，缺乏实用性，导致许多成像由于不能进行声耦合而无法进行。同时，膜和样品的接触程度对成像结果也有较大的影响，从而影响成像的稳定性和重复性。目前还有利用薄膜F-P干涉仪和光纤作为压力传感器进行光声信号探测，这两种虽然是光学方法，但是属于声压探测，和使用PZT及PVDF压力换能器的方法类似，在样品和薄膜F-P干涉仪及光纤压力传感器之间仍然需要声耦合介质。

复杂的声耦合方式使得PAI的应用范围受到极大的限制，并且影响成像的稳定性和重复性，这是PAI目前面临的主要问题，因此，发展一种不使用声耦合介质、非接触的光声探测方法，显得尤为必要。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光学干涉法的非接触光声探测方法及装置，该方法不使用声耦合介质，扩大了光声成像的应用范围；该装置能够提高成像的稳定性和重复性。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于光学干涉法的非接触光声探测方法，包括以下步骤：

S1、光声激发：样品表面加有液体层，通过光声激发系统照射样品，样品吸收激光能量，产生压力波，压力波传到液体，使得液体表面产生振动；

S2、光学相干检测：将相干光源发出的光分为两路，一路作为探测光进入样品系统后聚焦于样品表面，另一路作为参考光进入参考系统，两路光即经样品表面反射的探测光和经参考系统反射后的参考光沿原光路返回，再次分为两路发出；

S3、平衡调节：步骤S2中再次分为两路发出的光，经过平衡调节系统调节光强后，分别进入平衡探测器的不同输入端，经平衡探测器进行差分输出；

S4、探测窗口锁定：由单片机对差分输出信号进行判定，检测到系统处于高灵敏度状态时，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源照射样品，同时光声激发光源输出触发信号给信号采集卡开始信号采集；差分输出信号通过高通滤波器滤波后输送给信号采集卡，完成信号采集，随后进行数据处理形成样品图像。

前述方法中，步骤S1、光声激发：样品表面加有液体层，通过光声激发系统中光声激发光源发出脉宽小于10ns的激光，照射样品，样品吸收激光能量，产生压力波，压力波传到液体，使得样品表面液体层的表面产生振动。光声激发系统激发的光聚焦到样品表面下2～3mm。

前述方法中，步骤S2、光学相干检测：将相干长度为1mm～1m的相干光源发出的光经环形器进入耦合器后分为两路，一路作为探测光进入样品系统后聚焦于样品表面液体层的表面，另一路作为参考光进入参考系统，两路光即经样品表面液体层表面反射的探测光和经参考系统反射后的参考光沿原光路返回，进入耦合器，再次分为两路发出。

前述方法中，步骤S3中，步骤S2中再次分为两路发出的光进入平衡调节系统，一路光经2个环形器，平衡调节光强后进入平衡探测器一输入端；另一路光经1个环形器，平衡调节光强后进入平衡探测器另一输入端。

前述方法中，步骤S4，由单片机对差分输出信号进行过零点判定，单片机连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，信号满足：V1<V2和V2＝0,则为上升沿的过零点信号时，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源照射样品，同时光声激发光源输出触发信号给信号采集卡开始信号采集；或者由单片机对差分输出信号进行过零点判定，单片机连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，信号满足：V1>V2和V2＝0,则为正下降沿的过零点信号时，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源照射样品，同时光声激发光源输出触发信号给信号采集卡开始信号采集。

实现前述方法的基于光学干涉法的非接触光声探测装置，包括相干光源、A环形器、耦合器、参考系统、样品系统、平衡调节系统、平衡探测器、单片机、光声激发系统、信号采集卡和高通滤波器；相干光源发出的光依次进入相连接的A环形器和耦合器，耦合器分别与参考系统、样品系统相连；A环形器和耦合器分别与平衡调节系统相连；平衡探测器分别与平衡调节系统、单片机、高通滤波器连接；单片机、光声激发系统、信号采集卡和高通滤波器依次连接；其中，相干光源为激光二极管，相干长度为1mm～1m。

前述装置中，参考系统包括C准直器，E透镜，F透镜和B反射镜；参考光依次经过C准直器，E透镜，F透镜和B反射镜后，沿原光路返回耦合器。

前述装置中，样品系统包括D准直器，C透镜、二色镜、D透镜和平移台；探测光依次经过D准直器，C透镜、二色镜和D透镜后，聚焦到平移台上样品表面液体层的表面；所述平移台为X向或Y向移动的平移台。

前述装置中，平衡调节系统包括B环形器、A准直器、I透镜、J透镜、C反射镜、C环形器、B准直器、G透镜、H透镜和D反射镜，其中，B环形器与A环形器相连，C环形器与耦合器相连；由A环形器出来的光进入平衡调节系统依次经过B环形器、A准直器、I透镜、J透镜和C反射镜后沿原光路返回到B环形器，最终由B环形器出来进入平衡探测器；由耦合器出来的光进入平衡调节系统依次经过C环形器、B准直器、G透镜、H透镜和D反射镜后沿原光路返回到C环形器，最终由C环形器出来进入平衡探测器。

前述装置中，光声激发系统包括光声激发光源，A透镜，B透镜和A反射镜；光声激发光源分别与单片机、信号采集卡相连，光声激发光源发出的光依次经由A透镜，B透镜和A反射镜照射到样品上，其中，光声激发光源为脉宽小于10ns的短脉冲激光

本发明的装置示意图如图1所示，包括四大部分：光声激发部分，光学相干检测部分，平衡调节部分和探测窗口锁定部分。

其中，光声激发部分包括光声激发系统。用短脉冲(脉宽小于10ns)激光照射样品，样品吸收光，产生热膨胀，激发超声，样品表面加有一薄层液体作为液体层，超声传到表面，导致液体表面的微小振动，用光学相干检测这种振动。

光学相干检测部分包括相干光源、A环形器、耦合器、参考系统和样品系统。检测采用长相干光源，光源激发的光经过一个环形器后进入2×2光纤耦合器，耦合器将其分为两路，一路光作为探测光聚焦于加在样品表面的液体表面，另一路光作为参考光进入参考系统，探测光经液体表面反射，参考光经参考系统的反射镜反射，两反射光沿原光路返回再进入耦合器。

平衡调节部分包括平衡调节系统。使用两个光纤环形器进行平衡调节，从耦合器的两个端口出来的光，一路光进入C环行器的1口，再由C环行器的2口出来，经过准直器成为平行光，再经透镜聚焦于反射镜，再进入C环形器的2口，由C环形器的3口进入平衡探测器的一个输入端；另一路光经A环形器出来，进入B环行器的1口，再由B环行器的2口出来，经过准直器成为平行光，再经透镜聚焦于反射镜，再进入B环形器的2口，由B环形器的3口进入平衡探测器的另一个输入端，调节两个反射镜的角度及焦点位置，使平衡探测器差分输出的直流分量为零。

探测窗口锁定部分包括平衡探测器和单片机。进入平衡探测器的两路光被差分输出，差分输出为零，由于外界的干扰，差分输出信号在零点附件振荡。用单片机对差分输出信号进行过零点判定，单片机连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，信号满足：V1<V2和V2＝0,则为上升沿的过零点信号，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源照射样品，光声激发光源同时输出触发信号给信号采集卡开始信号采集；另一种判断模式，由单片机对差分输出信号进行过零点判定，单片机连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，信号满足：V1>V2和V2＝0,则为正下降沿的过零点信号，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源照射样品，光声激发光源同时输出触发信号给信号采集卡开始信号采集。

本发明的装置中还包括高通滤波器和信号采集卡。当单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源发出激光照射样品，光声激发光源同时输出触发信号给信号采集卡开始信号采集。随后，干涉信号经平衡探测器的差分输出输送给高通滤波器，差分信号经高通滤波器滤波后输送给信号采集卡完成信号采集，信号采集卡中存有相应的数据处理软件，用于进行探测信号、信号数据处理及图像的重建。通过平移台在X向或Y向的移动，从而完成对整个样品的信号采集处理以及图像的重建。

本发明的有益之处在于：本发明提供了一种基于光学干涉法的非接触光声探测方法，采用本发明的方法进行非接触的光声探测及成像，不使用声耦合介质，扩大了光声成像的应用范围，解决了目前光声成像必须使用声耦合介质的难题。具有较高的灵敏度，探测光光斑可以聚焦到微米及亚微米，具有较高的横向分辨率。采用光学探测易于进行高速扫描，从而可以提高成像速度。采用本发明的方法，实时检测干涉系统灵敏度，平衡调节探测光强，使光声探测在系统最高灵敏度的状态下进行，从而提高系统灵敏度。本发明还提供了一种基于光学干涉法的非接触光声探测装置，能够有效提高成像的稳定性和重复性，使用长相干光源作为探测光，相干长度为1mm～1m；使用平衡调节部分实现进入平衡探测器的两路光的平衡调节，使平衡探测器的直流分量为零；使用单片机进行探测窗口锁定，在探测窗口完成光声激发、光声信号采集过程；均有效提高系统灵敏度。

附图说明

图1是本发明的基于光学干涉法的非接触光声探测装置示意图；

图中附图标记的含义：1-相干光源，2-A环形器1端口，3-A环形器3端口，4-A环形器2端口，5-A环形器，6-耦合器，7-E透镜，8-F透镜，9-B反射镜，10-C透镜,11-二色镜，12-D透镜，13-平移台，14-A反射镜，15-B透镜，16-A透镜，17-光声激发光源，18-信号采集卡，19-高通滤波器,20-单片机，21-平衡探测器,22-C环形器，23-C环形器2端口，24-C环形器3端口，25-C环形器1端口，26-G透镜，27-H透镜，28-D反射镜，29-B环形器，30-B环形器2端口，31-B环形器3端口，32-B环形器1端口，33-I透镜，34-J透镜，35-C反射镜，36-平衡调节系统，37-参考系统，38-样品系统，39-A准直器，40-B准直器，41-C准直器，42-D准直器，43-光声激发系统。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的介绍。

实施例1

基于光学干涉法的非接触光声探测方法，包括以下步骤：

S1、光声激发：样品表面加有液体层，通过光声激发系统照射样品，样品吸收激光能量，产生压力波，压力波传到液体，使得液体表面产生振动；

S2、光学相干检测：将相干光源发出的光分为两路，一路作为探测光进入样品系统后聚焦于样品表面，另一路作为参考光进入参考系统，两路光即经样品表面反射的探测光和经参考系统反射后的参考光沿原光路返回，再次分为两路发出；

S3、平衡调节：步骤S2中再次分为两路发出的光，经过平衡调节系统调节光强后，分别进入平衡探测器的不同输入端，经平衡探测器进行差分输出；

S4、探测窗口锁定：由单片机对差分输出信号进行判定，检测到系统处于高灵敏度状态时，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源照射样品，同时光声激发光源输出触发信号给信号采集卡开始信号采集；差分输出信号通过高通滤波器滤波后输送给信号采集卡，完成信号采集，进行数据处理形成样品图像。

实施例2

基于光学干涉法的非接触光声探测方法，包括以下步骤：

S1、光声激发：样品表面加有液体层，通过光声激发系统中光声激发光源发出脉宽小于10ns的激光，照射样品，样品吸收激光能量，产生压力波，压力波传到液体，使得样品表面液体层的表面产生振动；

S2、光学相干检测：将相干长度为1mm的相干光源发出的光，经环形器进入耦合器后分为两路，一路作为探测光进入样品系统后聚焦于样品表面液体层的表面，另一路作为参考光进入参考系统，两路光即经样品表面液体层表面反射的探测光和经参考系统反射后的参考光沿原光路返回，进入耦合器，再次分为两路发出。

S3、平衡调节：步骤S2中再次分为两路发出的光，进入平衡调节系统，一路光经2个环形器，平衡调节光强后进入平衡探测器一输入端；另一路光经1个环形器，平衡调节光强后进入平衡探测器另一输入端，经平衡探测器进行差分输出；

S4、探测窗口锁定：由单片机对差分输出信号进行过零点判定，单片机连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，信号满足：V1>V2和V2＝0,则为正下降沿的过零点信号，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源发出脉宽小于10ns的短脉冲激光照射样品，同时光声激发光源输出触发信号给信号采集卡开始信号采集；差分输出信号通过高通滤波器滤波后输送给信号采集卡，完成信号采集，进行数据处理形成样品图像。

实施例3

基于光学干涉法的非接触光声探测方法，包括以下步骤：

S1、光声激发：样品表面加有液体层，通过光声激发系统中光声激发光源发出脉宽小于10ns的激光，照射样品，样品吸收激光能量，产生压力波，压力波传到液体，使得样品表面液体层的表面产生振动；

S2、光学相干检测：将相干长度为1m的相干光源发出的光，经环形器进入耦合器后分为两路，一路作为探测光进入样品系统后聚焦于样品表面液体层的表面，另一路作为参考光进入参考系统，两路光即经样品表面液体层表面反射的探测光和经参考系统反射后的参考光沿原光路返回，进入耦合器，再次分为两路发出。

S3、平衡调节：步骤S2中再次分为两路发出的光，进入平衡调节系统，一路光经2个环形器，平衡调节光强后进入平衡探测器一输入端；另一路光经1个环形器，平衡调节光强后进入平衡探测器另一输入端，经平衡探测器进行差分输出；

S4、探测窗口锁定：单片机对差分输出信号进行过零点判定，单片机连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，信号满足：V1<V2和V2＝0,则为负上升沿的过零点信号，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源发出脉宽小于10ns的短脉冲激光照射样品，同时光声激发光源输出触发信号给信号采集卡开始信号采集；差分输出信号通过高通滤波器滤波后输送给信号采集卡，完成信号采集，进行数据处理形成样品图像。

实施例4～6是实现实施例1～3所述方法的基于光学干涉法的非接触光声探测装置。

实施例4

基于光学干涉法的非接触光声探测装置，包括相干光源1、A环形器5、耦合器6、参考系统37、样品系统38、平衡调节系统36、平衡探测器21、单片机20、光声激发系统43、信号采集卡18和高通滤波器19；相干光源1发出的光依次进入相连接的A环形器5和耦合器6，耦合器6分别与参考系统37、样品系统38相连；A环形器5和耦合器6分别与平衡调节系统36相连；平衡探测器21分别与平衡调节系统36、单片机20、高通滤波器19连接；单片机20、光声激发系统43、信号采集卡18和高通滤波器19依次连接。其中，相干光源1为激光二极管，参考系统、样品系统、平衡调节系统和光声激发系统可以通过现有技术来实现。

实施例5

基于光学干涉法的非接触光声探测装置，包括相干光源1、A环形器5、耦合器6、参考系统37、样品系统38、平衡调节系统36、平衡探测器21、单片机20、光声激发系统43、信号采集卡18和高通滤波器19；相干光源1发出的光依次进入相连接的A环形器5和耦合器6，耦合器6分别与参考系统37、样品系统38相连；A环形器5和耦合器6分别与平衡调节系统36相连；平衡探测器21分别与平衡调节系统36、单片机20、高通滤波器19连接；单片机20、光声激发系统43、信号采集卡18和高通滤波器19依次连接。其中，相干光源1的相干长度为100mm。

参考系统37包括C准直器41，E透镜7，F透镜8和B反射镜9；参考光依次经过C准直器41，E透镜7，F透镜8和B反射镜9后，沿原光路返回耦合器6。

样品系统38包括D准直器42，C透镜10、二色镜11、D透镜12和平移台13；探测光依次经过D准直器42，C透镜10、二色镜11和D透镜12后，聚焦到平移台13上样品表面液体层的表面。

平衡调节系统36包括B环形器29、A准直器39、I透镜33、J透镜34、C反射镜35、C环形器22、B准直器40、G透镜26、H透镜27和D反射镜28，其中，B环形器29与A环形器5相连，C环形器22与耦合器6相连；由A环形器5出来的光进入平衡调节系统36依次经过B环形器29、A准直器39、I透镜33、J透镜34和C反射镜35后沿原光路返回到B环形器29，最终由B环形器29出来进入平衡探测器21；由耦合器6出来的光进入平衡调节系统36依次经过C环形器22、B准直器40、G透镜26、H透镜27和D反射镜28后沿原光路返回到C环形器22，最终由C环形器22出来进入平衡探测器21。

光声激发系统43包括光声激发光源17，A透镜16，B透镜15和A反射镜14；光声激发光源17分别与单片机20、信号采集卡18相连，光声激发光源17发出的光依次经由A透镜16，B透镜15和A反射镜14照射到样品上。

实施例6

如图1所示，基于光学干涉法的非接触光声探测装置，包括相干光源1、A环形器5、耦合器6、参考系统37、样品系统38、平衡调节系统36、平衡探测器21、单片机20、光声激发系统43、信号采集卡18和高通滤波器19；相干光源1发出的光依次进入相连接的A环形器5和耦合器6，耦合器6分别与参考系统37、样品系统38相连；A环形器5和耦合器6分别与平衡调节系统36相连；平衡探测器21分别与平衡调节系统36、单片机20、高通滤波器19连接；单片机20、光声激发系统43、信号采集卡18和高通滤波器19依次连接。其中，相干光源1为激光二极管，相干长度为1mm～1m。

参考系统37包括C准直器41，E透镜7，F透镜8和B反射镜9；参考光依次经过C准直器41，E透镜7，F透镜8和B反射镜9后，沿原光路返回耦合器6。

样品系统38包括D准直器42，C透镜10、二色镜11、D透镜12和平移台13；探测光依次经过D准直器42，C透镜10、二色镜11和D透镜12后，聚焦到平移台13上样品表面液体层的表面；平移台13为X向或Y向移动的平移台。

平衡调节系统36包括B环形器29、A准直器39、I透镜33、J透镜34、C反射镜35、C环形器22、B准直器40、G透镜26、H透镜27和D反射镜28，其中，B环形器29与A环形器5相连，C环形器22与耦合器6相连；由A环形器5出来的光进入平衡调节系统36依次经过B环形器29、A准直器39、I透镜33、J透镜34和C反射镜35后沿原光路返回到B环形器29，最终由B环形器29出来进入平衡探测器21；由耦合器6出来的光进入平衡调节系统36依次经过C环形器22、B准直器40、G透镜26、H透镜27和D反射镜28后沿原光路返回到C环形器22，最终由C环形器22出来进入平衡探测器21。

光声激发系统43包括光声激发光源17，A透镜16，B透镜15和A反射镜14；光声激发光源17分别与单片机20、信号采集卡18相连，光声激发光源17发出的光依次经由A透镜16，B透镜15和A反射镜14照射到样品上。其中，光声激发光源17为脉宽小于10ns的短脉冲激光。

工作过程：用短脉冲(脉宽小于10ns)激光17照射样品，样品吸收光，产生热膨胀，激发超声，样品表面有一薄层液体，超声传到表面，导致液体表面的微小振动。用光学相干检测这种振动。

检测采用长相干光源，长相干光源1发出的光经A环形器1端口2进入A环形器5，由A环形器2端口4输出至耦合器6，光进入耦合器6被分为两路，一路光作为参考光进入参考系统37，参考系统包括C准直器41，F透镜8，E透镜7和B反射镜9。参考光经C准直器41转化为空间中的准直平行光，再经F透镜8、E透镜7聚焦到B反射镜9。另一路光作为探测光聚焦于加在样品系统38的样品表面的液体表面，样品系统包括D准直器42，C透镜10、二色镜11、D透镜12和平移台13。探测光经D准直器41转化为空间中的准直平行光，准直平行光经C透镜10、二色镜11和D透镜12聚焦到平移台13上样品表面的液体表面。

参考光经参考系统的反射镜反射，探测光经样品表面的液体表面反射，两反射光按原光路返回再进入耦合器6，再分为两路从耦合器6的两个端口出来，一路光进入A环形器2端口4，再由A环形器3端口3出来，进入B环形器1端口32，再由B环形器2端口31出来，经A准直器39成为平行光，再经I透镜33、J透镜34聚焦于C反射镜35，平衡调节光强后再进入B环形器2端口31，由B环形器3端口30出来连入平衡探测器21的一输入端，另一路光进入C环形器1端口25，再由C环形器2端口24出来，经B准直器40成为平行光，再经G透镜26、H透镜27聚焦于D反射镜28，平衡调节光强后再进入C环形器2端口24，由C环形器3端口23出来连入平衡探测器21的另一输入端，调节C反射镜35、D反射镜28的角度及焦点位置，平衡调节光强，使平衡探测器21差分输出的直流分量为零。

由于外界的干扰，差分输出信号在零点附件振荡，由单片机20对差分输出信号进行过零点判定，单片机连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，信号满足：V1>V2和V2＝0,则为正下降沿的过零点信号，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机20输出触发信号给光声激发光源17，光声激发光源17照射样品，光声激发光源17同时输出触发信号给信号采集卡18开始信号采集；另一种判断模式，由单片机对差分输出信号进行过零点判定，单片机20连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，信号满足：V1<V2和V2＝0,则为负上升沿的过零点信号，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机20输出触发信号给光声激发光源17，光声激发光源17照射样品，光声激发光源17同时输出触发信号给信号采集卡18开始信号采集，干涉信号经平衡探测器21的差分输出给高通滤波器19，差分信号经高通滤波器19滤波后输送给信号采集卡18完成信号采集。

Claims (10)

1.基于光学干涉法的非接触光声探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、光声激发：样品表面加有液体层，通过光声激发系统照射样品，样品吸收激光能量，产生压力波，压力波传到液体，使得液体表面产生振动；

S2、光学相干检测：将相干光源发出的光分为两路，一路作为探测光进入样品系统后聚焦于样品表面，另一路作为参考光进入参考系统，两路光即经样品表面反射的探测光和经参考系统反射后的参考光沿原光路返回，再次分为两路发出；

S3、平衡调节：步骤S2中再次分为两路发出的光，经过平衡调节系统调节光强后，分别进入平衡探测器的不同输入端，经平衡探测器进行差分输出；

S4、探测窗口锁定：由单片机对差分输出信号进行判定，检测到系统处于高灵敏度状态时，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源照射样品，同时光声激发光源输出触发信号给信号采集卡开始信号采集；差分输出信号通过高通滤波器滤波后输送给信号采集卡，完成信号采集，随后进行数据处理形成样品图像。

2.根据权利要求1所述的基于光学干涉法的非接触光声探测方法，其特征在于：步骤S1、光声激发：样品表面加有液体层，通过光声激发系统中光声激发光源发出脉宽小于10ns的激光，照射样品，样品吸收激光能量，产生压力波，压力波传到液体，使得样品表面液体层的表面产生振动。

3.根据权利要求1所述的基于光学干涉法的非接触光声探测方法，其特征在于：步骤S2、光学相干检测：将相干长度为1mm～1m的相干光源发出的光，经环形器进入耦合器后分为两路，一路作为探测光进入样品系统后聚焦于样品表面液体层的表面，另一路作为参考光进入参考系统，两路光即经样品表面液体层表面反射的探测光和经参考系统反射后的参考光沿原光路返回，进入耦合器，再次分为两路发出。

4.根据权利要求1所述的基于光学干涉法的非接触光声探测方法，其特征在于：步骤S3中，步骤S2中再次分为两路发出的光进入平衡调节系统，一路光经2个环形器，平衡调节光强后进入平衡探测器一输入端；另一路光经1个环形器，平衡调节光强后进入平衡探测器另一输入端。

5.根据权利要求1所述的基于光学干涉法的非接触光声探测方法，其特征在于：步骤S4中，由单片机对差分输出信号进行过零点判定，单片机连续检测差分输出信号，检测到的信号为V1、V2，当信号满足：V1>V2和V2＝0,则为下降沿的过零点信号时，或者，当信号满足：V1<V2和V2＝0,则为上升沿的过零点信号时，即检测到系统处于高灵敏度状态，单片机输出触发信号给光声激发光源，光声激发光源照射样品，同时光声激发光源输出触发信号给信号采集卡开始信号采集。

6.实现权利要求1～5任一项所述方法的基于光学干涉法的非接触光声探测装置，其特征在于：包括相干光源(1)、A环形器(5)、耦合器(6)、参考系统(37)、样品系统(38)、平衡调节系统(36)、平衡探测器(21)、单片机(20)、光声激发系统(43)、信号采集卡(18)和高通滤波器(19)；相干光源(1)发出的光依次进入相连接的A环形器(5)和耦合器(6)，耦合器(6)分别与参考系统(37)、样品系统(38)相连；A环形器(5)和耦合器(6)分别与平衡调节系统(36)相连；平衡探测器(21)分别与平衡调节系统(36)、单片机(20)、高通滤波器(19)连接；单片机(20)与光声激发系统(43)、信号采集卡(18)和高通滤波器(19)依次连接；其中相干光源(1)为激光二极管，相干长度为1mm～1m。

7.根据权利要求6所述的基于光学干涉法的非接触光声探测装置，其特征在于：所述参考系统(37)包括C准直器(41)，E透镜(7)，F透镜(8)和B反射镜(9)；参考光依次经过C准直器(41)，E透镜(7)，F透镜(8)和B反射镜(9)后，沿原光路返回耦合器(6)。

8.根据权利要求6所述的基于光学干涉法的非接触光声探测装置，其特征在于：所述样品系统(38)包括D准直器(42)，C透镜(10)、二色镜(11)、D透镜(12)和平移台(13)；探测光依次经过D准直器(42)，C透镜(10)、二色镜(11)和D透镜(12)后，聚焦到平移台(13)上样品表面液体层的表面；所述平移台(13)为X向或Y向移动的平移台。

9.根据权利要求6所述的基于光学干涉法的非接触光声探测装置，其特征在于：所述平衡调节系统(36)包括B环形器(29)、A准直器(39)、I透镜(33)、J透镜(34)、C反射镜(35)、C环形器(22)、B准直器(40)、G透镜(26)、H透镜(27)和D反射镜(28)，其中，B环形器(29)与A环形器(5)相连，C环形器(22)与耦合器(6)相连；由A环形器(5)出来的光进入平衡调节系统(36)依次经过B环形器(29)、A准直器(39)、I透镜(33)、J透镜(34)和C反射镜(35)后沿原光路返回到B环形器(29)，最终由B环形器(29)出来进入平衡探测器(21)；由耦合器(6)出来的光进入平衡调节系统(36)依次经过C环形器(22)、B准直器(40)、G透镜(26)、H透镜(27)和D反射镜(28)后沿原光路返回到C环形器(22)，最终由C环形器(22)出来进入平衡探测器(21)。

10.根据权利要求6所述的基于光学干涉法的非接触光声探测装置，其特征在于：所述光声激发系统(43)包括光声激发光源(17)，A透镜(16)，B透镜(15)和A反射镜(14)；光声激发光源(17)分别与单片机(20)、信号采集卡(18)相连，光声激发光源(17)发出的光依次经由A透镜(16)，B透镜(15)和A反射镜(14)照射到样品上，其中，光声激发光源(17)为脉宽小于10ns的短脉冲激光。