CN113092381A - 一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜 - Google Patents
一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜 Download PDFInfo
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Abstract
一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，包括：直角棱镜、超声换能器、校准镜、声透镜、物镜、反射镜、不规则棱镜；反射镜为不规则棱镜的一个45度斜面；直角棱镜和不规则棱镜连接在一起，且反射镜为二者连接时的接触面；声透镜用于产生贝塞尔声束；校准镜用于消除声透镜对光束传输的影响；超声换能器用于检测超声信号；物镜用于发出供反射镜反射的光束；首先准直光束经过物镜和校准镜，然后在反射镜作用下将光轴方向偏转，在声透镜下方聚焦。超声换能器发出的声束先通过直角棱镜和不规则棱镜，然后在声透镜作用下形成贝塞尔声束，实现光与声的共焦耦合。
Description
技术领域
本发明涉及光声显微成像领域，具体涉及一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜。
背景技术
光声层析成像技术是一种新兴的医学成像技术、具有高分辨率、高对比度、高穿透深度的优点。在实际应用中，有三种常见的光声成像方式:光声显微成像技术(PAM)、光声计算层析成像技术(PACT)、光声内窥成像技术(PAE)。光声显微成像技术作为光声成像的重要分支，其结合了光学成像的高对比度和超声成像的高分辨率。光声显微成像系统中，声光耦合棱镜是非常重要的部件，其通常由不规则棱镜和底部的球凹面声透镜组成，其作用是进行光学传递和超声探测。常用球凹面声透镜其超声探测景深有限，降低了光声信号的探测效率。由于波束的无衍射特性,贝塞尔束(Bessel beams)以及一些广义无衍射束(如X形波束)的研究,在光学和声学等领域中一直备受关注。具有无限大孔径的贝塞尔束能无发散地传播到无限远处,传播过程中束宽和形状保持不变。虽然这种理想的贝塞尔束在实验上不可能实现,可实现的贝塞尔束的孔径总是有限的，但数值模拟和实验表明,有限孔径的波束仍然具有很大的场深,且在场深之内扩散很小,几乎无衍射,波束保持近似贝塞尔分布。这为大景深光声显微成像提供了理论依据，而声透镜可以产生贝塞尔声束，其得到贝塞尔声束的原理与轴锥镜得到贝塞尔光束的原理类似，从而使得适用于大景深超声探测的声透镜成为可能，这对生物系统研究具有极其重要的作用。
发明内容
为了克服现有技术中的光声显微成像系统的景深有限，本发明提供一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜。本发明利用声透镜对超声换能器发出的声束作用得到贝塞尔声束，通过校准镜消除声透镜对光束传输的影响，在不规则棱镜作用下实现光与声的共焦耦合，从而实现反射式光声显微成像大景深探测，提升了光声成像的体积成像速度。
本发明提出一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，包括：直角棱镜、超声换能器、校准镜、声透镜、物镜、反射镜、不规则棱镜；
所述反射镜为所述不规则棱镜的一个45度斜面；
所述直角棱镜和所述不规则棱镜连接在一起，且所述反射镜为二者连接时的接触面；
所述声透镜处于所述不规则棱镜的下部，用于产生贝塞尔声束；
所述校准镜用于消除所述声透镜对光束传输的影响；
所述超声换能器用于检测超声信号；
所述物镜用于发出供所述反射镜反射的光束；
其中，所述一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜的光声成像步骤包括：
S1：首先准直光束经过物镜和校准镜，然后在反射镜作用下将光轴方向偏转，最后在声透镜下方聚焦；
S2：从接触式超声换能器发出的声束先通过直角棱镜和不规则棱镜，然后在声透镜作用下形成贝塞尔声束，实现光与声的共焦耦合。
作为上述方案的进一步改进，所述声透镜材料为熔融石英，形状为圆锥形凹面，且圆锥形凹面的张角大小与超声探头的参数匹配。
作为上述方案的进一步改进，所述超声换能器通过紫外胶与直角棱镜粘合。
作为上述方案的进一步改进，所述超声换能器为高频接触式平场超声探头，中心频率为50MHz。
作为上述方案的进一步改进，所述直角棱镜和所述不规则棱镜的尺寸大于所述物镜出瞳的尺寸且大于所述超声换能器的晶片直径。
作为上述方案的进一步改进，所述直角棱镜和所述不规则棱镜为熔融石英材质制成。
作为上述方案的进一步改进，所述校准镜连接在所述所述不规则棱镜的侧面，所述物镜处于所述不规则棱镜的侧面且正对着所述校准镜。
作为上述方案的进一步改进，所述反射镜表面镀有一层银。
作为上述方案的进一步改进，所述声透镜为直接在所述不规则棱镜的底部打磨形成，所述声透镜为圆锥形，且在所述不规则棱镜的底部呈内凹状。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用圆锥形凹面声透镜对超声换能器发出的声束作用得到贝塞尔声束，通过校准镜消除圆锥形凹面声透镜对光束传输的影响，在不规则棱镜作用下实现光与声的共焦耦合，从而实现反射式光声显微成像大景深探测，提升了光声成像的体积成像速度。
2、在声透镜表面镀银可以使得光轴方向偏转，同时不影响超声信号无损耗的在耦合棱镜中的传输；直角棱镜、不规则棱镜和声透镜均采用对高频超声信号的衰减非常小的熔融石英材质制成，从而提高光声成像效果。
附图说明
图1为一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜的结构示意图。
1、直角棱镜；2、超声换能器；3、校准镜；4、声透镜；5、物镜；6、反射镜；7、不规则棱镜。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明提出一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，包括：直角棱镜1、超声换能器2、校准镜3、声透镜4、物镜5、反射镜6、不规则棱镜7；
反射镜6为不规则棱镜7的一个45度斜面；
直角棱镜1和不规则棱镜7连接在一起，且反射镜6为二者连接时的接触面；
声透镜4处于不规则棱镜7的下部，用于产生贝塞尔声束；
校准镜3用于消除声透镜4对光束传输的影响；
超声换能器2用于检测超声信号；
物镜5用于发出供反射镜6反射的光束；
其中，一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜的光声成像步骤包括：
S1：首先准直光束经过物镜5和校准镜3，然后在反射镜6作用下将光轴方向偏转，最后在声透镜4下方聚焦；
S2：从接触式超声换能器2发出的声束先通过直角棱镜1和不规则棱镜7，然后在声透镜4作用下形成贝塞尔声束，实现光与声的共焦耦合。
具体而言，步骤S1中的物镜镜和校准镜的作用和要求主要如下：首先，为了实现光声显微成像大景深探测，不规则棱镜的底面是一个圆锥形凹面声透镜，但圆锥形凹面声透镜会使入射光束发散，需要在棱镜侧边粘接校准镜进行补偿。不规则棱镜和直角棱镜材料选熔融石英是因为熔融石英对高频超声信号的衰减非常小。
步骤S2中的贝塞尔声束具有无衍射特性，具有无限大孔径的贝塞尔束能无发散地传播到无限远处,传播过程中束宽和形状保持不变，理论上具有无限大的景深，但无法通过实验得到。有研究表明,有限孔径的波束仍然具有很大的景深,且在景深之内扩散很小,几乎无衍射。通过圆锥形凹面声透镜得到的贝塞尔声束即为近贝塞尔声束，具有大景深成像特性。
具体地，声透镜4材料为熔融石英，形状为圆锥形凹面，且圆锥形凹面的张角大小与超声探头的参数匹配。
具体地，超声换能器2通过紫外胶与直角棱镜1粘合。
具体地，超声换能器2为高频接触式平场超声探头，中心频率为50MHz。
具体地，直角棱镜1和不规则棱镜7的尺寸大于物镜5出瞳的尺寸且大于超声换能器2的晶片直径。
具体地，直角棱镜1和不规则棱镜7为熔融石英材质制成。
具体地，校准镜3连接在不规则棱镜7的侧面，物镜5处于不规则棱镜7的侧面且正对着校准镜3。
具体地，反射镜6表面镀有一层银。
具体地，声透镜4为直接在不规则棱镜7的底部打磨形成，声透镜4为圆锥形，且在不规则棱镜7的底部呈内凹状。
更加具体地说，声光耦合棱镜由两部分组成:一个直角棱镜1和一个自制的不规则棱镜7。不规则棱镜7包含一个镀银的45度斜面即反射镜4，将直角棱镜1与不规则棱镜7粘在一起正好组成一个大的长方体棱镜。接触式超声换能器2粘接在直角棱镜1的顶端，用于探测透射的光声信号，而物镜5放置在棱镜的侧面，物镜5发出的光束被棱镜中间的镀银反射镜4反射至样品表面，从而实现光声的共轴。耦合棱镜的尺寸要满足两个要求：一是要保证大于物镜出瞳的尺寸，二是要保证大于超声换能器2的晶片直径。前者的直径约为34×0.14×2＝9.52毫米，后者的直径为6.35毫米(1/4英寸)。棱镜的材质为熔融石英，这种材质对高频超声的衰减非常小。
声光耦合棱镜保证了光声的共轴，为了提高光声信号的探测效率，下一步工作是设计声透镜。这里采用的是圆锥形凹面的声透镜的设计思路。首先，超声换能器2晶片的直径为6.35毫米，为与之匹配，这里选择了圆锥形凹面的声透镜6的直径为6毫米。其次是确定声透镜6的锥角，声透镜6张角大小受到耦合棱镜长度和使光声共轴共焦等要求的限制。综合上述考虑，最后选择圆锥形凹面声透镜锥角为161.1度。声透镜6可以单独加工并粘在棱镜底端，但这样粘合面造成了新的超声传输界面，为了避免这个问题，可直接在棱镜的底端打磨出声透镜。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (9)
1.一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，包括：直角棱镜(1)、超声换能器(2)、校准镜(3)、声透镜(4)、物镜(5)、反射镜(6)、不规则棱镜(7)；
其特征在于：
所述反射镜(6)为所述不规则棱镜(7)上的一个45度斜面；
所述直角棱镜(1)和所述不规则棱镜(7)连接在一起，且所述反射镜(6)为二者连接时的接触面；
所述声透镜(4)处于所述不规则棱镜(7)的下部，用于产生贝塞尔声束；
所述校准镜(3)用于消除所述声透镜(4)对光束传输的影响；
所述超声换能器(2)用于检测超声信号；
所述物镜(5)用于过渡供所述反射镜(6)反射的准直光束；
其中，所述一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜的光声成像步骤包括：
S1：首先准直光束经过物镜(5)和校准镜(3)，然后在反射镜(6)作用下将光轴方向偏转，最后在声透镜(4)下方聚焦；
S2：从超声换能器(2)发出的声束先通过直角棱镜(1)和不规则棱镜(7)，然后在声透镜(4)作用下形成贝塞尔声束，实现光与声的共焦耦合。
2.如权利要求1所述的一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其特征在于：
所述声透镜(4)材料为熔融石英，形状为圆锥形凹面，且圆锥形凹面的张角大小与超声探头的参数匹配。
3.如权利要求1所述的一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其特征在于：
所述超声换能器(2)通过紫外胶与直角棱镜(1)粘合。
4.如权利要求1所述的一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其特征在于：
所述超声换能器(2)为高频接触式平场超声探头，中心频率为50MHz。
5.如权利要求1所述的一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其特征在于：
所述直角棱镜(1)和所述不规则棱镜(7)的尺寸大于所述物镜(5)出瞳的尺寸且大于所述超声换能器(2)的晶片直径。
6.如权利要求1所述的一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其特征在于：
所述直角棱镜(1)和所述不规则棱镜(7)为熔融石英材质制成。
7.如权利要求1所述的一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其特征在于：
所述校准镜(3)连接在所述不规则棱镜(7)的侧面，所述物镜(5)处于所述不规则棱镜(7)的侧面且正对着所述校准镜(3)。
8.如权利要求1所述的一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其特征在于：
所述反射镜(6)表面镀有一层银。
9.如权利要求1所述的一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其特征在于：
所述声透镜(4)为直接在所述不规则棱镜(7)的底部打磨形成，所述声透镜(4)为圆锥形，且在所述不规则棱镜(7)的底部呈内凹状。
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