CN110261315A - 一种扫描近场光声显微成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扫描近场光声显微成像仪，用以实现近场光学、光声同时实时检测，包括：光发射模块：包括沿光路依次设置的多波长的脉冲光源、光路准直和聚焦子系统和近场光学探针；信号采集系统：包括近场光接收模块、超声接收模块以及信号采集子系统；扫描控制模块：用以使光脉冲在试样表面移动实现扫描；时序控制模块：用以同步控制脉冲光源发射光脉冲、近场光学探针接收光信号、超声接收模块接收光声信号以及扫描控制模块进行扫描；信号分析成像模块：获得试样表面的近场光学像和试样内部的近场光声像。与现有技术相比，本发明具有近场光学、光声同时实时检测、信息丰富、满足多种需求等优点。
Description
技术领域
本发明涉及高分辨率表面结构和亚表面物理特性检测领域，尤其是涉及一种扫描近场光声显微成像仪。
背景技术
二维拓扑材料、薄膜材料、纳米电池、多层纳米芯片等先进功能材料和器件正处于研发热潮中，集成电路、新材料、精准医疗等领域已成为国家战略需求，在纳米尺度上，已有如AFM、SEM、SNOM等超分辨率的表面结构成像技术，但是目前现有的高分辨率检测成像术，如近场光学显微镜，采用近场成像技术，能在纳米分辨率上表征材料和器件的表面结构，但无法分辨材料和器件内部的结构和物理特性，纯声学检测虽然可以获得材料的密度和弹性性质，但无法获得纳米级的高分辨率——亚表面纳米分辨率的物性和结构的原位同时无损成像和表征技术尚属空白。
光声成像是一种新型无损检测方法，它是一种基于光声光热效应建立的检测成像方法。当光源辐照在物质上时，根据不同材料的光吸收特性，光源的能量从物质表面到内部有一定分布，在光的的激发下，物质中会出现分子振动、分子转动、晶格振动、电子空穴对、能级跃迁辐射、热传导等不同的物理现象，最终转化为携带这些物理现象特征的声波；通过检测声波，就可以获取物质的结构、光学、热学、力学、电学、分子键等特征信息。这种“光进声出”的能量激发和转换机制，兼具“光”的物质分辨和“声”的低衰减传输等优点，具有物性与结构同时检测、探测深度深、空间分辨率高、灵敏度高、对比度高、波谱范围宽、安全等优点，因此可以广泛应用于生物医学、航天航空、能源、复杂材料和器件性能评估等领域，解决了以往用传统方法所不易解决的难题，成为科学研究中十分重要的检测和分析工具。
如果将近场光学显微术和光声成像结合起来，利用近场光学探针提供纳米分辨率的脉冲光源，就可以获得纳米分辨率的光声信号，可以反映物质的结构、光学、热学、力学、电学、分子键等特征信息。
如中国专利CN 107589278 A公开了一种基于光纤探针的反射式偏振调制近场扫描光学显微镜系统，此系统的缺点是只能实现试样的扫描近场成像，缺乏试样的内部结构信息；中国专利CN 107837069 A公开了一种光声显微成像系统及方法，此系统可以实现微米级分辨率的待测样本光声显微成像，但无法获得纳米级的高分辨率，不能在纳米分辨率上表征材料和器件的表面结构。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种扫描近场光声显微成像仪。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种扫描近场光声显微成像仪，用以实现近场光学、光声同时实时检测，包括：
光发射模块：包括沿光路依次设置的多波长的脉冲光源、光路准直和聚焦子系统和近场光学探针，用以产生并发射光脉冲，经耦合后入射到试样；
信号采集系统：包括用以接收并采集试样反射光信号的近场光接收模块、用以接收并采集试样内部在光脉冲激发下产生的光声信号的超声接收模块以及信号采集子系统；
扫描控制模块：用以使光脉冲在试样表面移动实现扫描；
时序控制模块：用以同步控制脉冲光源发射光脉冲、近场光学探针接收光信号、超声接收模块接收光声信号以及扫描控制模块进行扫描；
信号分析成像模块：通过接收信号采集子系统的反射光信号和光声信号并进行处理，获得试样表面的近场光学像和试样内部的近场光声像。
所述的光发射模块中，多波长的脉冲光源接收到时序控制模块的指令后，发射光脉冲，该脉冲光经过光路准直和聚焦子系统，耦合到近场光学探针中，再入射到试样。
所述的近场光接收模块包括光电检测器和信号放大器，所述的近场光学探针、光电检测器、信号放大器和信号采集子系统依次连接，所述的近场光学探针获得的试样表面近场光学信息，通过光电检测器输入到信号放大器中，再输入到信号采集子系统中。
所述的超声接收模块包括高频宽带超声换能器和脉冲信号放大器，所述的高频宽带超声换能器、脉冲信号放大器和信号采集子系统依次连接，所述的高频宽带超声换能器固定在试样底部，通过耦合剂接收试样内部在脉冲光的激发下产生的光声信号，该光声信号经脉冲信号放大器输入到信号采集子系统中。
所述的扫描控制模块包括用于控制近场光学探针或试样移动的二维步进平移台，所述的二维步进平移台上承载由上到下依次放置的试样和高频宽带超声换能器。
所述的时序控制模块包括时序控制器。
所述的信号分析与成像模块包括信号分析与成像子系统，用以对输入的反射光信号和光声信号并进行处理，获得试样表面的近场光学像和试样内部的近场光声像。
所述的多波长脉冲光源为脉冲激光器、脉冲LD光源或脉冲LED光源，用以发射多个波长的脉冲光。
该扫描近场光声显微成像仪的具体工作流程为：
1)时序控制器控制脉冲光源辐射光脉冲，脉冲光通过光路准直和聚焦子系统耦合到近场光学探针中，再入射到试样；
2)近场光学探针获得试样表面的近场光学信息，通过光电检测器输入到信号放大器中，时序控制器控制信号采集子系统对近场光学信息进行采集；
3)高频宽带超声换能器接收试样内部产生的光声信号，经过脉冲信号放大器进行放大，时序控制器控制信号采集系统对放大后的光声信号进行采集；
4)时序控制器控制近场光学探针或试样移动，使脉冲光在试样表面扫描，并重复步骤1)～3)；
5)信号分析和成像系统对信号采集子系统采集的近场光学信息和光声信号进行处理，获得试样表面的近场光学像和试样内部的近场光声像。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)近场光学、光声同时实时检测：采用将多波长脉冲光源、近场光学显微术和光声成像结合在一起的方式，可以同时获得纳米分辨率的光学信息和光声信号，实现近场光学、光声同时实时检测。
2)信息丰富：近场光学成像技术能在纳米分辨率上表征材料和器件的表面结构，而光声成像能够获得材料和器件内部的结构和物理特性，二者结合，可获得纳米级分辨率的表面和内部的结构和物理信息。
3)满足先进功能材料和器件高分辨率无损表征的多种需求：利用近场光学探针提供纳米分辨率的脉冲光源，可以获得纳米分辨率的光声信号，光声信号能够反映材料和器件的密度、弹性等物理信息，实现材料和器件高分辨率无损表征，也可用于微纳尺度的功能材料和器件、以及细胞和脑片等生物组织的结构和功能评估。
附图说明
图1为本发明扫描近场光声显微成像系统的结构示意图。
图中标记说明：
1、脉冲光源，2、光路准直和聚焦子系统，3、近场光学探针，4、试样，5、光电检测器，6、信号放大器，7、超声换能器，8、信号放大器，9、时序控制器，10、信号采集子系统，11、二维步进平移台，12、信号分析与成像模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种扫描近场光声显微成像仪，近场光学成像能在纳米分辨率上表征材料和器件的表面结构，利用近场光学探针提供纳米分辨率的脉冲光源，就可以获得纳米分辨率的光声信号，通过光声显微成像可以获得物质的结构、光学、热学、力学、电学、分子键等特征信息。
具体的，该成像仪包括：
光发射模块：光源1发射光脉冲，经光路准直和聚焦子系统2耦合到近场光学探针3中，再入射到试样4；
近场光接收模块：接收并采集试样4的反射光信号；
超声接收模块：接收并采集试样4内部在脉冲光的激发下产生的光声信号；
扫描控制模块：控制近场光学探针3或试样4移动，使光在试样4表面扫描；
时序控制模块：同步控制光源1发射光脉冲、近场光学探针3接收光信号、超声接收模块接收光声信号和扫描控制模块；
信号分析成像模块：对输入的近场光学信号和光声信号进行分析，获得试样4表面的近场光学像和试样4内部的近场光声像。
光发射模块包括：多波长的脉冲光源1、光路准直和聚焦子系统2、近场光学探针3和试样4，多波长的脉冲光源1接收到时序控制器9的指令后，发射光脉冲，该脉冲光经过光路准直和聚焦子系统2，耦合到近场光学探针3中，再入射到试样4。
近场光接收模块包括：近场光学探针3、试样4、光电检测器5、信号放大器6和信号采集系统10，近场光学探针3获得的试样4表面近场光学信息，通过光电检测器5输入到信号放大器6中，再输入到信号采集系统10中。
超声接收模块包括：试样4、高频宽带超声换能器7、脉冲信号放大器8和信号采集系统10，高频宽带超声换能器7固定在试样4底部，通过耦合剂接收试样4内部在脉冲光的激发下产生的光声信号，该光声信号经脉冲信号放大器8输入到信号采集系统10中。
扫描控制模块包括：近场光学探针3和二维步进平移台11，用于控制近场光学探针3或试样4移动，使光在试样4表面扫描，二维步进平移台11上承载由上到下依次放置的试样4和高频宽带超声换能器7
时序控制模块包括：时序控制器9，用于同步控制光源1发射光脉冲、近场光学探针3接收光信号、超声接收模块接收光声信号和扫描控制模块。
信号分析与成像模块，包含信号分析与成像系统12，可对输入的近场光学信号和光声信号进行分析，获得试样4表面的近场光学像和试样4内部的近场光声像。
多波长脉冲光源1包括但不限于各类脉冲激光器、脉冲LD光源、脉冲LED光源，用于发射多个波长的脉冲光。
脉冲激光源包括但不限于各类脉冲激光器、脉冲LD光源、脉冲LED光源，用于发射多个波长的脉冲激光。
本申请具体应用时包括以下步骤：
该扫描近场光声显微成像系统的具体工作流程为：
步骤S1：时序控制器9控制脉冲光源1辐射光脉冲，脉冲光通过光路准直和聚焦子系统2耦合到近场光学探针3中，再入射到试样4；
步骤S2：近场光学探针3获得试样4表面的近场光学信息，通过光电检测器5输入到信号放大器6中，时序控制器9控制信号采集系统10对近场光学信息进行采集；
步骤S3：高频宽带超声换能器7接收试样4内部产生的光声信号，经过脉冲信号放大器8进行放大，时序控制器9控制信号采集系统10对放大后的光声信号进行采集；
步骤S4：时序控制器9控制近场光学探针3或试样4移动，使光在试样4表面扫描，重复1)～3)操作；
步骤S5：信号分析和成像系统对信号采集系统10采集的近场光学信息和光声信号进行分析，获得试样4表面的近场光学像和试样4内部的近场光声像，具体为：
当脉冲激光照射到软组织上，产生的光声信号，满足方程：
其中，p(r,t)为声压，H(r,t)为入射脉冲激光在成像区域激发的热源函数，H(r,t)＝A(r)I(t)，A(r)是组织的光吸收分布，I(t)为照射光强，β为热膨胀系数，Cp为比热容，c为组织声速，为拉普拉斯算子，r为成像点到入射点的距离，t为时间。
当脉冲激光照射到固体上时，物质吸收光能量后形成热源，温度场分布满足公式：
其中，为热能，ηT为热转化效率，α为物质的光吸收系数，I是光强。对于较厚的单层材料，其边界条件可以表示为：
其中，l为材料的厚度，r0为材料的半径。
上述温度场分布的解带入热弹方程中，即可求解出物质内的位移张量
其中，λ和μ为各向同性媒质的拉梅常数，αTE为试样的热膨胀系数。
Claims (9)
1.一种扫描近场光声显微成像仪，用以实现近场光学、光声同时实时检测，其特征在于，包括：
光发射模块：包括沿光路依次设置的多波长的脉冲光源(1)、光路准直和聚焦子系统(2)和近场光学探针(3)，用以产生并发射光脉冲，经耦合后入射到试样(4)；
信号采集系统：包括用以接收并采集试样(4)反射光信号的近场光接收模块、用以接收并采集试样(4)内部在光脉冲激发下产生的光声信号的超声接收模块以及信号采集子系统(10)；
扫描控制模块：用以使光脉冲在试样(4)表面移动实现扫描；
时序控制模块：用以同步控制脉冲光源(1)发射光脉冲、近场光学探针(3)接收光信号、超声接收模块接收光声信号以及扫描控制模块进行扫描；
信号分析成像模块：通过接收信号采集子系统(10)的反射光信号和光声信号并进行处理，获得试样(4)表面的近场光学像和试样(4)内部的近场光声像。
2.根据权利要求1所述的一种扫描近场光声显微成像仪，其特征在于，所述的光发射模块中，多波长的脉冲光源(1)接收到时序控制模块的指令后，发射光脉冲，该脉冲光经过光路准直和聚焦子系统(2)，耦合到近场光学探针(3)中，再入射到试样(4)。
3.根据权利要求1所述的一种扫描近场光声显微成像仪，其特征在于，所述的近场光接收模块包括光电检测器(5)和信号放大器(6)，所述的近场光学探针(3)、光电检测器(5)、信号放大器(6)和信号采集子系统(10)依次连接，所述的近场光学探针(3)获得的试样(4)表面近场光学信息，通过光电检测器(5)输入到信号放大器(6)中，再输入到信号采集子系统(10)中。
4.根据权利要求1所述的一种扫描近场光声显微成像仪，其特征在于，所述的超声接收模块包括高频宽带超声换能器(7)和脉冲信号放大器(8)，所述的高频宽带超声换能器(7)、脉冲信号放大器(8)和信号采集子系统(10)依次连接，所述的高频宽带超声换能器(7)固定在试样(4)底部，通过耦合剂接收试样(4)内部在脉冲光的激发下产生的光声信号，该光声信号经脉冲信号放大器(8)输入到信号采集子系统(10)中。
5.根据权利要求4所述的一种扫描近场光声显微成像仪，其特征在于，所述的扫描控制模块包括用于控制近场光学探针(3)或试样(4)移动的二维步进平移台(11)，所述的二维步进平移台(11)上承载由上到下依次放置的试样(4)和高频宽带超声换能器(7)。
6.根据权利要求1所述的一种扫描近场光声显微成像仪，其特征在于，所述的时序控制模块包括时序控制器(9)。
7.根据权利要求1所述的一种扫描近场光声显微成像仪，其特征在于，所述的信号分析与成像模块包括信号分析与成像子系统(12)，用以对输入的反射光信号和光声信号并进行处理，获得试样(4)表面的近场光学像和试样(4)内部的近场光声像。
8.根据权利要求1所述的一种扫描近场光声显微成像仪，其特征在于，所述的多波长脉冲光源(1)为脉冲激光器、脉冲LD光源或脉冲LED光源，用以发射多个波长的脉冲光。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种扫描近场光声显微成像仪，其特征在于，该扫描近场光声显微成像仪的具体工作流程为：
1)时序控制器(9)控制脉冲光源(1)辐射光脉冲，脉冲光通过光路准直和聚焦子系统(2)耦合到近场光学探针(3)中，再入射到试样(4)；
2)近场光学探针(3)获得试样(4)表面的近场光学信息，通过光电检测器(5)输入到信号放大器(6)中，时序控制器(9)控制信号采集子系统(10)对近场光学信息进行采集；
3)高频宽带超声换能器(7)接收试样(4)内部产生的光声信号，经过脉冲信号放大器(8)进行放大，时序控制器(9)控制信号采集系统(10)对放大后的光声信号进行采集；
4)时序控制器(9)控制近场光学探针(3)或试样(4)移动，使脉冲光在试样(4)表面扫描，并重复步骤1)～3)；
5)信号分析和成像系统对信号采集子系统(10)采集的近场光学信息和光声信号进行处理，获得试样(4)表面的近场光学像和试样(4)内部的近场光声像。
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