CN113552071A - 一种光声成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光声成像系统，包括光学频率梳模块、合束分束模块、平衡探测模块、斩波模块、光声样品池、超声探测模块、控制扫描模块、数据采集模块和信号处理与成像模块；光学频率梳模块产生两个重复频率不同的激光信号；合束分束模块对激光信号进行合束分束形成探测激光信号和参考激光信号；平衡探测模块对参考激光信号进行平衡探测后得到第一电信号；斩波模块提取探测激光信号中的干涉信号作为激发脉冲信号并入射至光声样品池中产生光声信号；超声探测模块将光声信号换能后得到第二电信号；数据采集处理模块采集第一电信号和第二电信号传输到信号与成像处理模块对待探测物成像。结合双光梳光谱技术与光声成像技术，成像速度和效率高成本低。

Description

一种光声成像系统
技术领域
本发明实施例涉及光声成像技术领域，尤其涉及一种光声成像系统。
背景技术
光声成像是一种基于光声效应的以超声为载体的生物光学功能成像技术。当脉冲激光照射被测物体时，被照射的区域吸收光能，引起绝热膨胀产生超声信号，即光声信号。当采用强度调制连续激光作为激励源时，光声信号的频率与照射光的调制频率相同，其强度和相位则取决于物质的光学、热学、弹性和几何特征，因此光声信号的特征体现了被照射物质的形貌、吸收分布等特征。光声成像正是通过检测光声效应产生的光声信号，从而反演成像区域内部物质的光学特性，并重构光照射区域的内部图像。
光声成像技术可以从多方面分类。根据激发光源的调制方式，可以将光声成像分为时域光声成像和频域光声成像。时域光声成像采用短脉冲激光器激发光声信号。频域光声成像则采用强度调制的连续光激光器。根据探测器的耦合方式，分为接触式光声成像及非接触式光声成像，接触式光声利用超声耦合剂帮助光声信号传导至超声换能器中，非接触式光声采用空气耦合或间接测量(压力或位移测量)方式。根据被测目标体尺度结构及空间分辨率结构，通常分为光声层析成像、光声显微成像、光声内窥成像。为了对不同被测物体实现系统灵敏度的最优化，光声显微发展出透射式和反射式两种测量模式。反射模式中激发光与超声探测器位于被测物体同侧，透射模式则位于异侧，两者均通过光路或者探测设计实现光-声共聚焦。典型的透射式光声显微成像与反射式光声显微成像如图1和图2所示，其中1为光学聚焦物镜、2为被测物体、3为超声探测器、4为光声耦合棱镜。透射式光声显微成像使用高数值孔径的物镜将激光聚焦，达到微米至亚微米尺寸的成像分辨率，但是工作距离会随着数值孔径的增大而减小，将聚焦物镜与超声探测器分别置于样本两侧的结构设置，这种方式只能对薄层样品进行成像。反射式光声显微成像采用光声耦合棱镜将超声探测装置和激光聚焦装置配置在样品同侧，需要使用工作距离更长的物镜，分辨率可达到微米量级，适用于不同厚度样品成像及在体成像。
然而传统光源在单次成像过程中只能采用单一波长的激光进行成像，如果需要更换激发光的波长须更换不同波长激光器，或使用具有一定时延的少数波长同频激光器少数个具有一定时间延时的不同波长的激光器实现多波长探测，因此成像速度受到切换波长的限制，并且成像成本高昂，效率大大受限。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种光声成像系统，以解决现有技术中光声成像成本高、成像速度慢和成像效率低的技术问题。
本发明实施例提供了一种光声成像系统，包括光学频率梳模块、合束分束模块、平衡探测模块、斩波模块、光声样品池、超声探测模块、控制扫描模块、数据采集模块和信号处理与成像模块；
所述光学频率梳模块用于产生第一出射激光信号和第二出射激光信号，所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的重复频率不同；
所述合束分束模块位于所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的传播路径上，用于对所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号进行合束形成干涉激光信号，并将所述干涉激光信号分束形成探测激光信号和参考激光信号；
所述平衡探测模块位于所述参考激光信号的传播路径上，用于对所述参考激光信号进行平衡探测后得到第一电信号；
所述斩波模块位于所述探测激光信号的传输路径上，用于提取所述探测激光信号中的干涉信号作为激发脉冲信号；
所述光声样品池位于所述激发脉冲信号的传播路径上，所述光声样品池中设置有待探测物体，所述激发脉冲信号入射至所述待探测物体产生光声信号；
所述超声探测模块位于所述光声信号的传播路径上，用于将所述光声信号进行声电换能后得到第二电信号；
所述控制扫描模块用于控制所述激发脉冲信号的扫描位置；
所述数据采集模块分别与所述平衡探测模块以及所述超声探测模块电连接，用于采集所述第一电信号并传送所述第一电信号和所述第二电信号至所述信号处理与成像模块；；
所述信号处理与成像模块用于根据所述第一电信号和所述第二电信号对所述待探测物成像。
可选的，所述光学频率梳模块包括第一飞秒激光单元、飞秒脉冲时频域控制单元、第一飞秒激光脉冲放大单元和第一频率变更单元；
所述第一飞秒激光单元包括第一激光器和第二激光器；所述第一激光器用于出射第一初始激光信号，所述第二激光器用于出射第二初始激光信号
所述飞秒脉冲时频域控制单元包括第一锁定子单元和第二锁定子单元；所述第一锁定子单元用于对所述第一初始激光信号的重复频率和载波包络偏移频率进行锁定，所述第二锁定子单元用于对所述第二初始激光信号的重复频率和载波包络偏移频率进行锁定；
所述第一飞秒激光脉冲放大单元包括第一放大器和第二放大器；所述第一放大器位于所述第一初始激光信号的传播路径上，用于对所述第一初始激光信号进行功率放大；所述第二放大器位于所述第二初始激光信号的传播路径上，用于对所述第二初始激光信号进行功率放大；
所述第一频率变换单元包括第一频率变换子单元和第二频率变换子单元；所述第一频率变换子单元位于功率放大后的所述第一初始激光信号的传播路径上，用于对所述第一初始激光信号进行频率变换后形成所述第一出射激光信号；所述第二频率变换子单元位于功率放大后的所述第二初始激光信号的传播路径上，用于对所述第二初始激光信号进行频率变换后形成所述第二出射激光信号。
可选的，所述光学频率梳模块包括双光梳单元、第二飞秒激光脉冲放大单元和第二频率变换单元；
所述双光梳单元用于出射第三初始激光信号和第四初始激光信号；
所述第二飞秒激光脉冲放大单元包括第三放大器和第四放大器；所述第三放大器位于所述第三初始激光信号的传播路径上，用于对所述第三初始激光信号进行功率放大；所述第四放大器位于所述第四初始激光信号的传播路径上，用于对所述第四初始激光信号进行功率放大；
所述第二频率变换单元包括第三频率变换子单元和第四频率变换子单元；所述第三频率变换子单元位于功率放大后的所述第三初始激光信号的传播路径上，用于对所述第三初始激光信号进行频率变换后形成所述第一出射激光信号；所述第四频率变换子单元位于功率放大后的所述第四初始激光信号的传播路径上，用于对所述第四初始激光信号进行频率变换后形成所述第二出射激光信号。
可选的，所述光学频率梳模块包括第三飞秒激光单元、窄线宽种子激光单元、第一分束单元、非线性频率变换单元和第三飞秒激光脉冲放大单元；
所述第三飞秒激光单元包括第五激光器和第六激光器；所述第五激光器用于出射第五初始激光信号，所述第六激光器用于出射第六初始激光信号；
所述窄线宽种子激光单元用于出射种子激光信号；
所述第一分束单元位于所述种子激光信号的传播路径上，用于将所述种子激光信号分束得到第一种子激光信号和第二种子激光信号；
所述非线性频率变换单元包括第一光参量放大子单元和第二光参量放大子单元；所述第一光参量放大子单元位于所述第五初始激光信号和所述第一种子激光信号的传播路径上，用于对所述第五初始激光信号进行频率变换，得到第一变频激光信号；所述第二光参量放大子单元位于所述第六初始激光信号和所述第二种子激光信号的传播路径上，用于对所述第六初始激光信号进行频率变换，得到第二变频激光信号；
所述第三飞秒激光脉冲放大单元包括第五放大器和第六放大器；所述第五放大器位于所述第一变频激光信号的传播路径上，用于对所述第一变频激光信号进行功率放大后形成所述第一出射激光信号；所述第六放大器位于所述第二变频激光信号的传播路径上，用于对所述第二变频激光信号进行功率放大后形成所述第二出射激光信号。
可选的，所述控制扫描模块包括电动位移平台和位移控制单元；
所述待探测物设置于所述电动位移平台上；
所述位移控制单元与所述电动位移平台电连接，用于控制所述电动位移平台带动所述待探测物沿第一方向和第二方向移动，以使所述激发脉冲信号对所述待探测物进行扫描探测；所述第一方向与所述第二方向相交。
可选的，所述控制扫描模块包括第一扫描振镜、第二扫描振镜和振镜驱动单元，所述振镜驱动单元分别与所述第一扫描振镜和所述第二扫描振镜电连接；
所述第一扫描振镜位于所述激发脉冲信号的传播路径上，用于根据所述振镜驱动单元的驱动信号控制所述激发脉冲信号沿第一方向扫描所述待探测物；
所述第二扫描振镜均位于所述激发脉冲信号的传播路径上，用于根据所述振镜驱动单元的驱动信号控制所述激发脉冲信号沿第二方向扫描所述待探测物；所述第一方向和所述第二方向相交。
可选的，所述控制扫描模块包括光声复合棱镜、微机电扫描镜、微机电驱动单元、电动位移平台和位移控制单元；
所述光声复合棱镜位于所述激发脉冲信号的传输路径上，用于反射所述激发脉冲信号至所述微机电扫描镜；
所述微机电扫描镜与所述微机电驱动单元电连接，用于根据所述微机电驱动单元的驱动信号控制所述激发脉冲信号沿第一方向和第二方向扫描所述待探测物；所述第一方向和所述第二方向相交；
所述待探测物设置于所述电动位移平台上；
所述位移控制单元与所述电动位移平台电连接，用于控制所述电动位移平台带动所述待探测物沿所述第一方向和所述第二方向移动，以使所述激发脉冲信号对所述待探测物进行扫描探测。
可选的，所述合束分束模块包括合束分束单元和第一反射单元；
所述合束分束单元位于所述第一出射激光信号的传播路径上，所述第一反射单元和所述合束分束单元依次位于所述第二出射激光信号的传播路径上；所述合束分束单元用于对所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号进行合束形成干涉激光信号，并将所述干涉激光信号分束形成探测激光信号和参考激光信号。
可选的，所述合束分束模块包括2*2光纤耦合器。
可选的，所述平衡探测模块包括第二分束单元、第二反射镜和平衡光电探测单元；
所述第二分束单元位于所述参考激光信号的传播路径上，用于将所述参考激光信号分束形成为第一参考激光信号和第二参考激光信号；
所述第二反射镜位于所述第二参考激光信号的传播路径上，位于反射所述第二参考激光信号至所述平衡光电探测单元；
所述平衡光电探测单元分别位于所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号的传播路径上，用于对所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号进行平衡探测后得到所述第一电信号。
可选的，所述平衡探测模块包括第三分束单元和平衡光电探测单元；
所述第三分束单元位于所述参考激光信号的传播路径上，用于将所述参考激光信号分束形成为第一参考激光信号和第二参考激光信号；
所述平衡光电探测单元分别位于所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号的传播路径上，用于对所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号进行平衡探测后得到所述第一电信号。
可选的，所述光声样品池包括聚焦物镜、样品池和温度控制单元；
所述待测物体设置于所述样品池中；
所述聚焦物镜位于所述激发脉冲信号的传播路径上，用于聚焦所述激发脉冲信号形成聚焦激光信号；
所述温度控制单元设置于所述样品池中，用于调控所述样品池内的温度。
可选的，所述超声探测模块包括超声换能单元和射频放大单元；
所述超声换能单元位于所述光声信号的传播路径上，用于将所述光声信号进行声电换能后得到第二电信号；
所述射频放大单元与所述超声换能单元电连接，用于对所述第二电信号进行射频放大。
可选的，所述数据采集模块包括第一滤波单元、第二滤波单元和数据采集处理单元；
所述第一滤波单元与所述超声探测模块电连接，用于对射频放大后的所述第二电信号进行滤波；
所述第二滤波单元与所述平衡探测模块电连接，用于对所述第一电信号进行滤波；
所述数据采集处理单元分别与所述第一滤波单元、所述第二滤波单元和所述信号处理与成像模块电连接，用于采集所述第一电信号和所述第二电信号并传送所述第一电信号和所述第二电信号至所述信号处理与成像模块。
本发明实施例提供的光声成像系统，包括光学频率梳模块、合束分束模块、平衡探测模块、光声信号产生探测模块和信号采集模块；其中光学频率梳模块用于产生第一出射激光信号和第二出射激光信号，第一出射激光信号和第二出射激光信号的频率不同；合束分束模块将第一出射激光信号和第二出射激光信号进行合束分束后形成探测激光信号和参考激光信号，平衡探测模块将参考激光信号进行平衡探测后得到第一电信号，探测激光信号用于对待探测物进行光声探测后经光声信号产生探测模块后得到第二电信号，信号采集模块根据第一电信号和第二电信号确定待探测物的性能，实现对待探测物的光声探测。本发明实施例提供的光声成像系统，采用光学频率梳作为激发光源，与采用纳秒脉冲激光作为光源的传统光声成像方案相比，所使用的激光能量更低，安全度更高；并且，将光学频率梳作为光声信号的激发源，能够在单次扫描成像中获得宽光谱范围、高光谱分辨率的图像数据，无需更换光源激光波长进行重复扫描，克服现有技术中因更换不同的激光器或采用光学参量振荡器激光器进行多次成像，造成成像成本高昂、成像速度慢和成像效率低的技术问题；进一步的，本发明实施例提供的光声成像系统，结合了双光梳光谱技术与光声成像的优势，与传统光学检测方法相比，可以提高成像深度，与传统声学检测方法相比，成像分辨率更高。进一步的，由于光学频率梳具有极高的光谱分辨率，而且其工作波长可涵盖紫外、可见光、近红外或中红外的波长范围，亦可通过超连续谱产生技术或非线性频率变换进行波长拓展，尤其在生物医学成像方面极具实用性。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1为现有技术中透射式光声显微成像的结构示意图；
图2为现有技术中反射式光声显微成像的结构示意图；
图3为现有技术中傅里叶变换光谱测量技术的原理的示意图；
图4为现有技术中双光梳光谱测量技术的原理的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种光声成像系统的模块化结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种光声成像系统的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种光声成像系统的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种光声成像系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
本发明实施例提供的一种光声成像系统，将双光梳技术与光声检测及成像技术相结合。首先对双光梳光谱技术和双光梳光声光谱技术进行相应的解释如下：
光学频率梳，简称光频梳，是由众多分立且间隔严格相等的频率梳齿组成的宽带光源。其产生途径通常有三种：一是基于被动锁模飞秒激光器，通过控制飞秒激光器输出超短脉冲的载波包络相位偏移频率和重复频率，在时、频域上对脉冲进行精密控制，获得梳齿稳定的光学频率梳；二是通过对窄线宽连续激光器进行强度调制和相位调制，在频域上获得一系列频率间隔相等的调制边带；三是基于微腔振荡器，将一束窄线宽激光注入高品质因子的光学微腔振荡器内，通过模式共振产生出频率间隔相等的频率边带。
目前，光电探测器响应带宽通常在百GHz水平，无法响应光频梳高达THz的载波信号，因此无法通过直接探测光频梳的输出信号进行光频分析。双光梳光谱测量技术的提出解决了这一问题。
双光梳光谱测量技术是采用两台具有确定重复频率差的光学频率梳，通过光学外差干涉将光频频率信息转换至射频频率，通过光电探测器直接探测射频频率信息并快速还原光频频率信息，实现对光谱信息的检测。双光梳光谱测量技术的原理与傅里叶变换光谱仪的测量原理相似。当单台光频梳用作傅里叶变换光谱仪的光源时，如图3所示，光频梳1的输出脉冲序列经分束镜2分为两束：静臂脉冲与动臂脉冲，二者光分别由移动反射镜61与固定反射镜62分别反射，合束后通过被测样品3，再由光电探测器5检测。光谱测量过程中，通过移动反射镜实现动臂脉冲对静臂脉冲的扫描，光电探测器可获得二者的“自相关式”干涉图，该干涉图在数据采集与信息处理系统5中经傅里叶变换即可获得样品的吸收光谱。双光梳光谱测量技术以具有重频差的两台光频梳1分别代替傅里叶变换光谱仪中的动臂脉冲与静臂脉冲，如图4所示。两个脉冲在时域上相互扫描，通过异步光学采样产生的“互相关式”干涉图由光电探测器检3测后，经傅里叶变换即可获得被测样品的吸收光谱。
双光梳光谱测量技术在保留光频梳固有的宽光谱覆盖范围、高频率精度优势的基础上，通过异步光学采样替代傅里叶变换光谱仪中的机械扫描，实现被测光谱信息的自动快速更新。该技术突破了传统光谱分析方法在时间分辨率、光谱分辨率、检测灵敏度和精度方面的局限，极大地缩短光谱测量时间，提高光谱分辨能力，提升光谱检测灵敏度与精度，在物质光谱分析、表面形貌分析、非线性光学成像等领域极具应用潜力。
研究人员提出了将双光学频率梳用作光声光谱测量的光源的技术方案，双光梳光谱测量技术与光声技术结合的可能性已得到验证。然而，研究所采用的光源波段均在1.5um，缺少其他谱段信息，且仅探测到乙炔气体和PDMS、碳纳米管等无机材料产生的光声信号，未将生物组织纳入实验对象，亦缺少成像研究。且固体材料激发的光声信号信噪比极低，需进行长时平均处理才能得到精确结果，难以实现快速测量，不完全适用于生物组织成像。
本发明在上述技术的基础上，通过频率变换技术，获得覆盖更多谱段的激发光源，提高本发明的适用场景，并引入时间门技术，提高激发光声信号的有效光能量、提升光声信号信噪比，减少双光梳光源中背景光对被测物体的的损伤结合光声探测与扫描技术，实现快速高光谱光声成像。
在介绍本发明实施例的具体实施例之前，首先对双光梳技术与光声检测及成像技术相结合的原理说明如下：
双光梳由两台具有一定重复频率差Δfr＝fr1-fr2的光学频率梳comb1和comb2组成，二者的电场信号分别为：
Figure BDA0003230875500000121
Figure BDA0003230875500000122
在comb1中，A1m表示第m根梳齿的电场强度，f1m表示第m根梳齿的频率信息，
Figure BDA0003230875500000126
表示第m根梳齿的相位信息；在comb2中，A2n表示第n根梳齿的电场强度，f2n表示第n根梳齿的频率信息，
Figure BDA0003230875500000127
表示第n根梳齿的相位信息。两台光学频率梳发生相干叠加时，干涉后的光强为：
Figure BDA0003230875500000123
实际测量中，通常采用交流耦合的方式提取可供解析频率和相位信息的交流电压信号，上述公式简化为：
Figure BDA0003230875500000124
comb1和comb2的任意一根梳齿均可产生一个拍频信号，即考虑m和n的不同组合，在频域上会形成若干周期的射频梳，每一个周期的射频梳能够还原的信息相同。实际探测中，仅考虑低频段的完整射频梳，即comb1的第n根梳齿与comb2的第n根梳齿拍频下转换形成的射频梳：
Figure BDA0003230875500000125
射频梳的梳齿为：frf，n＝f1n-f2n＝n·Δfr+Δfceo，Δfceo＝fceo1-fceo2为comb1和comb2的载波包络偏移频率差。
其中，frf，n表示射频梳梳齿的频率，f1n表示comb1的第n根梳齿的频率，f2n表示comb2的第n根梳齿的频率，Δfr表示comb1与comb2之间的重复频率差，Δfceo表示comb1和comb2的载波包络偏移频率差。由此可以知道，光频梳梳齿与射频梳梳齿有着对应的转换关系：
Figure BDA0003230875500000131
射频信号可被光电探测器直接探测并反演出光频域的频率、强度和相位信息。
双光梳作为光声信号的激发光源时，外差干涉后的光频梳齿简化为：
Figure BDA0003230875500000132
每根光频梳齿受到特异性的强度调制：1+cos(2πfrf，nt+φn)，调制频率为frf，n＝|f1n-fn1|＝n·Δfr+Δfceo。被测物体产生的光声信号的超声频率与每一根光频梳齿所对应的调制频率一致，即与双光梳下转换的射频梳相同。双光梳的外差干涉与光声效应协同实现被测物体光学信息的频率下转换，对被测物体产生的光声信号进行傅里叶变换，利用声频与光频之间的转换关系
Figure BDA0003230875500000133
反演出被测物体的光学信息，结合扫描系统对被测物体各点的光学特性进行分析比对即可构建被测物体的结构或光学图像。
双光梳时域干涉信号是Comb1和Comb2的脉冲干涉叠加形成的。重复频率差导致两组脉冲在时域上的相对位置发生周期性走离。任意一个走离周期内，仅有相对位置重叠的脉冲发生干涉，是光声信号的有效激发光。未发生干涉的脉冲是双光梳光源的背景光信号，阻碍光声信号信噪比的提升，造成无效的热累积，损伤被测物体。本发明引入时间门技术，提取双光梳脉冲序列的干涉部分，提高有效脉冲能量，提升光声信号的信噪比，避免长时平均的数据处理，实现快速高光谱成像。
基于上述原理说明，下面详细说明本发明实施例的技术方案。
图5是本发明实施例提供的一种光声成像系统的模块化结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的光声成像系统包括光学频率梳模块1、合束分束模块2、平衡探测模块3、斩波模块4、光声样品池5、超声探测模块6、控制扫描模块7、数据采集模块8和信号处理与成像模块9；光学频率梳模块1用于产生第一出射激光信号和第二出射激光信号，第一出射激光信号和第二出射激光信号的重复频率不同；合束分束模块2位于第一出射激光信号和第二出射激光信号的传播路径上，用于对第一出射激光信号和第二出射激光信号进行合束形成干涉激光信号，并将干涉激光信号分束形成探测激光信号和参考激光信号；平衡探测模块3位于参考激光信号的传播路径上，用于对参考激光信号进行平衡探测后得到第一电信号；斩波模块4位于探测激光信号的传输路径上，用于提取探测激光信号中的干涉信号作为激发脉冲信号；光声样品池5位于激发脉冲信号的传播路径上，光声样品池5中设置有待探测物体，激发脉冲信号入射至待探测物体产生光声信号；超声探测模块6位于光声信号的传播路径上，用于将光声信号进行声电换能后得到第二电信号；控制扫描模块7用于控制激发脉冲信号的扫描位置；数据采集模块8分别与平衡探测模块3以及超声探测模块6电连接，用于采集第一电信号和第二电信号并传送所述第一电信号和所述第二电信号至所述信号处理与成像模块；信号处理与成像模块9用于根据第一电信号和第二电信号对待探测物成像。
示例性的，第一出射激光信号和第二出射激光信号的工作波长在可见光、近红外或中红外的波长范围内，且第一出射激光信号和第二出射激光信号的频率不同，并且光谱的中心波长可以相同。
光学频率梳模块1中，第一出射激光信号和第二出射激光信号均可以为飞秒激光脉冲序列，且飞秒激光脉冲序列的产生方式包括使用两台独立的光学频率梳，并分别对其重复频率和载波包络偏移频率进行锁定，或者使用一台可以产生两个飞秒脉冲序列的光学频率梳。光学频率梳模块1产生飞秒脉冲激光的方式包括但不限于非线性偏振旋转锁模、非线性放大环形镜锁模、真实可饱和吸收体锁模、电光调制光梳以及微环谐振腔等，本发明实施例对光学频率梳模块1产生飞秒脉冲激光的方式不进行限定。
进一步的，合束分束模块2位于第一出射激光信号和第二出射激光信号的传播路径上，合束分束模块2对第一出射激光信号和第二出射激光信号进行合分束后形成探测激光信号和参考激光信号。平衡探测模块3位于参考激光信号的传播路径上，平衡探测模块3对参考激光信号进行平衡探测后得到第一电信号。
斩波模块4位于探测激光信号的传输路径上，探测激光信号经过斩波模块4提取干涉信号作为光声信号的激发脉冲信号，入射至光声样品池5，光声样品池5中设置有待探测物，激发脉冲信号入射至待探测物产生光声信号。超声探测模块6位于光声信号的传播路径上，超声探测模块6检测产生的光声信号。控制扫描模块用于控制激发脉冲信号的扫描位置，确定待测物体的成像位置。两路信号由数据采集模块8采集，传送至信号处理与成像模块9对被测物体成像。
示例性的，斩波模块4提取飞秒脉冲外差干涉后的干涉信号，实现方式包括但不限于机械斩波、电光开关、声光开关等。
光声样品池5用于盛放被测物体。被测物体与超声探测器的耦合方式可以为水耦合或空气耦合。水耦合通过水或超声耦合剂实现；当激发光源工作在中红外波段，使用空气耦合避免水或超声耦合剂对激发光的吸收。在光声样品池5中设置温度控制模块维持样品池温度恒定，提升光声信号的稳定性，防止温度漂移造成测量结果失真。且当使用中红外光源时，由于水对该波段的光吸收严重，需将温度控制在水分子的静音温度，降低水吸收对于成像效果的干扰。
超声探测模块6使用超声探测器探测被测物体产生的光声信号。探测器的频率探测范围与光学频率梳频率下转换的超声频率匹配。超声探测器的聚焦特性与扫描方式相匹配，包括但不限于平面非聚焦式超声探测器、点聚焦式超声探测器、线聚焦式超声探测器，聚焦方式包括但不限于光学聚焦、声学聚焦和光声共聚焦方式。
控制扫描模块7实现系统的成像功能，通过控制样品池的移动或(和)改变激发光路径对被测物体进行逐点扫描照射；扫描方式包括但不限于基于平移台的机械扫描、基于振镜的光学扫描、光机扫描方法等。
数据采集模块8使用数据采集卡将获得的模拟信号转换成数字信号用于信号处理。
信号处理与成像模块9对数据进行傅里叶变换、光频反演、光谱归一化、光学信息解析等处理，结合控制扫描的运动轨迹，形成被测物体的结构及光学图像。
本发明实施例提供的光声成像系统，采用光学频率梳作为激发光源，与采用纳秒脉冲激光作为光源的传统光声成像方案相比，所使用的激光能量更低，安全度更高；并且，将光学频率梳作为光声信号的激发源，能够在单次扫描成像中获得宽光谱范围、高光谱分辨率的图像数据，无需更换光源激光波长进行重复扫描，克服现有技术中因更换不同的激光器或采用光学参量振荡器激光器进行多次成像，造成成像成本高昂、成像速度慢和成像效率低的技术问题；进一步的，本发明实施例提供的光声成像系统，结合了双光梳光谱技术与光声成像的优势，与传统光学检测方法相比，可以提高成像深度，与传统声学检测方法相比，成像分辨率更高。进一步的，由于光学频率梳具有极高的光谱分辨率，而且其工作波长可涵盖紫外、可见光、近红外或中红外的波长范围，亦可通过超连续谱产生技术或非线性频率变换进行波长拓展，尤其在生物医学成像方面极具实用性。
在上述实施例的基础上，光学频率梳模块包括多种设置方式，合束分束模块包括多种设置方式，平衡探测模块包括多种设置方式，并且不同模块之间可以相互组合，下面以几种可行的方式为例，详细说明本发明实施例提供的光声成像系统的结构。
作为一种可行的实施方式，图6是本发明实施例提供的一种光声成像系统的结构示意图，如图6所示，光学频率梳模块1包括第一飞秒激光单元11、飞秒脉冲时频域控制单元12、第一飞秒激光脉冲放大单元13和第一频率变换单元14；第一飞秒激光单元11包括第一激光器111和第二激光器112；第一激光器111用于出射第一初始激光信号a1，第二激光器112用于出射第二初始激光信号a2；飞秒脉冲时频域控制单元12包括第一锁定子单元121和第二锁定子单元122；第一锁定子单元121用于对第一初始激光信号a1的重复频率和载波包络偏移频率进行锁定，第二锁定子单元122用于对第二初始激光信号a2的重复频率和载波包络偏移频率进行锁定；第一飞秒激光脉冲放大单元13包括第一放大器131和第二放大器132；第一放大器131位于第一初始激光信号a1的传播路径上，用于对第一初始激光信号a1进行功率放大；第二放大器132位于第二初始激光信号a2的传播路径上，用于对第二初始激光信号a2进行功率放大，第一频率变换单元14包括第一频率变换子单元141和第二频率变换子单元142；第一频率变换子单元141位于功率放大后的第一初始激光信号a1的传播路径上，用于对第一初始激光信号a1进行频率变换后形成第一出射激光信号A1；第二频率变换子单元142位于功率放大后的第二初始激光信号a2的传播路径上，用于对第二初始激光信号a2进行频率变换后形成第二出射激光信号A2。
示例性的，第一飞秒激光单元11包括第一激光器111和第二激光器112，第一激光器111和第二激光器112产生飞秒激光脉冲序列的方式包括但不限于非线性偏振旋转锁模、非线性环形镜锁模、真实可饱和吸收镜锁模等，且第一初始激光信号a1和第二初始激光信号a2具有一定的重复频率差别。
飞秒脉冲时频域控制单元12包括第一锁定子单元121和第二锁定子单元122，第一锁定子单元121用于对第一初始激光信号a1的重复频率和载波包络偏移频率进行锁定，第二锁定子单元122用于对第二初始激光信号a2的重复频率和载波包络偏移频率进行锁定，第一激光器111和第二激光器112的重复频率差值可以通过第一锁定子单元121和第二锁定子单元122中的重复频率控制系统根据需要在HZ至kHz范围内进行精确调节，从而构建稳定的双光梳系统。进一步的，载波包络偏移频率的锁定方式有f-2f自参考相位探测及锁定系统和窄线宽连续光激光器参考探测及锁定系统，本发明实施例对载波包络偏移频率的具体锁定方式不进行限定。
第一飞秒激光脉冲放大单元13包括第一放大器131和第二放大器132；第一放大器131用于对第一初始激光信号a1进行功率放大后形成第一出射激光信号A1；第二放大器132用于对第二初始激光信号a2进行功率放大后形成第二出射激光信号A2，如此得到两个频率不同的初始激光信号。
飞秒激光频率变换单元14包括第一频率变换单元141和第二频率变换单元142，用来对飞秒激光脉冲序列的波长进行调谐和扩展，具体方式包括但不限于利用高非线性光纤产生超连续谱和利用非线性晶体进行非线性频率变换。
进一步的，继续参考图6所示，合束分束模块2可以包括合束分束单元21和第一反射单元22；合束分束单元21位于第一出射激光信号A1的传播路径上，第一反射单元22和合束分束单元21依次位于第二出射激光信号A2的传播路径上；合束分束单元21用于对第一出射激光信号A1和第二出射激光信号A2进行合束形成干涉激光信号，并将干涉激光信号分束形成探测激光信号B1和参考激光信号B2。
示例性的，通过合束分束模块2对第一出射激光信号A1和第二出射激光信号A2进行合束分束操作，得到探测激光信号B1和参考激光信号B2，探测激光信号B1用于对待探测物53进行探测，参考激光信号B2作为参考信号，作为后续探测信号的参考基础，用于数据处理。
在上述实施例的基础上，继续参考图6所示，平衡探测模块3包括第二分束单元31、第二反射镜32和平衡光电探测单元33；第二分束单元31位于参考激光信号B2的传播路径上，用于将参考激光信号B2分束形成为第一参考激光信号B21和第二参考激光信号B22；第二反射镜32位于第二参考激光信号B22的传播路径上，位于反射第二参考激光信号B22至平衡光电探测单元33；平衡光电探测单元33分别位于第一参考激光信号B21和第二参考激光信号B22的传播路径上，用于对第一参考激光信号B21和第二参考激光信号B22进行平衡探测后得到第一电信号。
示例性的，参考激光信号B2经第二分束单元31分为两束，第一参考激光信号B21和第二参考激光信号B22分别被平衡光电探测单元33的两个通道接收。平衡光电探测单元33将接收到的参考激光信号B2转换为第一电信号，便于后续作为参考信号，对待探测物53进行探测。
在上述实施例的基础上，继续参考图6所示，光声样品池5可以包括聚焦物镜51、样品池52和温度控制单元54；待测物体53设置于样品池52中，聚焦物镜51位于激发脉冲信号B1的传播路径上，用于聚焦激发脉冲信号B1形成聚焦激光信号B11，温度控制单元54设置于样品池52中，用于调控样品池52内的温度。
示例性的，激发脉冲信号B1经聚焦物镜51聚焦至样品池52中的待探测物53上，该处待探测物53吸收聚焦激光信号B11后产生光声信号。采用温度控制单元54调控样品池52内的温度，防止温度漂移造成结果失真以及降低水对激光的吸收。
在上述实施例的基础上，继续参考图6所示，超声探测模块6包括超声换能单元61和射频放大单元62；超声换能单元61位于光声信号的传播路径上，用于将光声信号进行声电换能后得到第二电信号；射频放大单元62与超声换能单元61电连接，用于对第二电信号进行射频放大。
示例性的，探测激光信号B1经斩波模块4提取有效干涉信号后，由聚焦物镜51聚焦至样品池52中的被测物体53。超声换能单元61对被测物体53产生的光声信号进行声电换能。超声换能单元61的输出信号经射频放大单元62的放大，作为探测信号。
在上述实施例的基础上，继续参考图6所示，控制扫描模块7包括电动位移平台71和位移控制单元72；待探测物53设置于电动位移平台上71；位移控制单元72与电动位移平台71电连接，用于控制电动位移平台71带动待探测物53沿第一方向X和第二方向Y移动，以使激发脉冲信号B1对待探测物53进行扫描探测；第一方向X与第二方向Y相交。
示例性的，电动位移平台71由位移控制单元72控制，当激发脉冲信号B1发射至被测物体53上时，触发电动位移平台71沿X方向进行移动，改变激发光的聚焦位置，完成X方向的扫描，电动位移平台71继续沿Y方向移动，重新进行扫描，第一方向X与第二方向Y相交，以完成对被测物体成像区域的整体扫描。
在上述实施例的基础上，继续参考图6所示，数据采集模块8包括第一滤波单元811、第二滤波单元812和数据采集处理单元82；第一滤波单元811与超声探测模块6电连接，用于对射频放大后的第二电信号进行滤波；第二滤波单元812与平衡探测模块3电连接，用于对第一电信号进行滤波；数据采集处理单元82分别与第一滤波单元811、第二滤波单元812和信号处理与成像模块9电连接，用于采集第一电信号和第二电信号并传送第一电信号和第二电信号至信号处理与成像模块9。
示例性的，第一电信号和第二电信号经滤波放大后，在数据采集处理单元82中，经数据采集卡采集，可得到待探测物53在聚焦激光信号B11聚焦处的吸收光谱信息，完成待探测物53的探测过程。进一步的结合控制扫描模块7，可以改变聚焦激光信号B11的位置，进而获得待探测物53内不同位置的吸收光谱，从而对待探测物53的特征进行全方位描绘和成像。
上述以光学频率梳模块1、合束分束模块2、平衡探测模块3、斩波模块4、光声样品池5、超声探测模块6、控制扫描模块7、数据采集模块8和信号处理与成像模块9一种可行的组合方式，详细说明了本发明实施例提供的光声成像系统的结构以及工作过程，下面以另一种光学频率梳模块1、合束分束模块2、平衡探测模块3、斩波模块4、光声样品池5、超声探测模块6、控制扫描模块7、数据采集模块8和信号处理与成像模块9可行的组合方式，说明本发明实施例提供的光声成像系统的结构以及工作过程。
作为另一种可行的实施方式，图7是本发明实施例提供的另一种光声成像系统的结构示意图，如图7所示，本发明实施例提供的光学频率梳模块1包括双光梳单元151、第二飞秒激光脉冲放大单元152和第二频率变换单元153；双光梳单元151用于出射第三初始激光信号a3和第四初始激光信号a4；第二飞秒激光脉冲放大单元152包括第三放大器1521和第四放大器1522；第三放大器1521位于第三初始激光信号a3的传播路径上，用于对第三初始激光信号a3进行功率放大；第四放大器1522位于第四初始激光信号a4的传播路径上，用于对第四初始激光信号a4进行功率放大，第二频率变换单元153包括第三频率变换子单元1531和第四频率变换子单元1532；第三频率变换子单元1531位于功率放大后的第三初始激光信a3号的传播路径上，用于对第三初始激光信号a3进行频率变换后形成第一出射激光信号A1；第四频率变换子单元1532位于功率放大后的第四初始激光信号a4的传播路径上，用于对第四初始激光信号a4进行频率变换后形成第二出射激光信号A2。
示例性的，与图6所示的光声成像系统相比，图7所示的光声成像系统中双光学频率梳产生的方式为利用双光梳单元151，即利用单台双光梳激光器，其脉冲特性和光谱特性可以通过激光腔设计和增益介质进行相应调整。单台双光梳系统用于在单台激光器中产生两个飞秒激光脉冲序列，且两者具有一定的重复频率差别，方式包括但不限于波长复用、偏振复用、空间复用等。进一步的，第二飞秒激光脉冲放大单元152包括第三放大器1521和第四放大器1522，第三放大器1521用于对第三初始激光信号a3进行功率放大后，第四放大器1522用于对第四初始激光信号a4进行功率放大后，如此得到两个重复频率不同的初始激光信号。第二频率变换单元153包括第三频率变换子单元1531和第四频率变换子单元1532，用来对飞秒激光脉冲序列的波长进行调谐和扩展，得到两个重复频率不同的出射激光信号。具体方式包括但不限于利用高非线性光纤产生超连续谱和利用非线性晶体进行非线性频率变换。
进一步的，与图6所示的光声成像系统相比，图7所示的光声成像系统中合束分束模块2的设置方式同样可以不同。如图3所示，合束分束模块2可以采用光纤合束的方法，例如合束分束模块2可以包括2*2光纤耦合器，具体可以为包括2*2的50:50光纤耦合器，如此光学频率梳模块1与合束分束模块2可实现光纤化，保证光声成像系统稳定性高、可移植性好。
进一步的，与图6所示的光声成像系统相比，图7所示的光声成像系统中平衡探测模块3的设置方式同样可以不同。如图3所示，平衡探测模块3可以包括第三分束单元34和平衡光电探测单元35；第三分束单元34位于参考激光信号B2的传播路径上，用于将参考激光信号B2分束形成为第一参考激光信号和B21第二参考激光信号B22；平衡光电探测单元35分别位于第一参考激光信号B21和第二参考激光信号B22的传播路径上，用于对第一参考激光信号B21和第二参考激光信号B22进行平衡探测后得到第一电信号，便于后续作为参考信号，对待探测物53进行探测。进一步的，如图3所示，第三分束单元34可以为1*2光纤耦合器，如此平衡探测模块3可实现光纤化，保证光声成像系统稳定性高、可移植性好。
进一步的，与图6所示的光声成像系统相比，图7所示的光声成像系统中控制扫描模块7包括第一扫描振镜73、第二扫描振镜74和振镜驱动单元75，振镜驱动单元75分别与第一扫描振镜73和第二扫描振镜74电连接；
第一扫描振镜73位于激发脉冲信号B1的传播路径上，用于根据振镜驱动单元75的驱动信号控制激发脉冲信号B1沿第一方向X扫描待探测物53；
第二扫描振镜74均位于激发脉冲信号B1的传播路径上，用于根据振镜驱动单元75的驱动信号控制激发脉冲信号B1沿第二方向Y扫描待探测物53；第一方向X和第二方向Y相交。
示例性的，图7所示的光声成像系统中的扫描控制模块7使用光学扫描代替机械扫描，振镜驱动单元75控制第一扫描振镜73和第二扫描振镜74，分别沿X和Y方向扫描，连续改变光束照射在待测物53上的位置，并采用反射探测的方法逐点接收光声信号，超声探测器采用平面非聚焦型超声探测器。
进一步的，如图7所示，斩波模块4、光声样品池5、超声探测模块6、数据采集模块8以及信号处理与成像模块9与上述实施例中示出的结构相同，其工作原理以及工作过程也相同，这里不再赘述。
需要说明的是，上述以光学频率梳模块1、合束分束模块2、平衡探测模块3和控制扫描模块7另一种可行的组合方式，说明了光声成像系统的结构以及工作过程，可以理解的是，图6以及图7中示出的光学频率梳模块1、合束分束模块2、平衡探测模块3和控制扫描模块7，还可以以其他组合的方式进行结合，实现光声探测。例如图6所示的光学频率梳模块1与图7所示的合束分束模块2和平衡探测模块3结合；或者图6所示的光学频率梳模块1和合束分束模块2与图7所示的平衡探测模块3结合；又或者图7所示的光学频率梳模块1与图6所示的合束分束模块2和平衡探测模块3结合等等，这里不再将可行的组合方式进行一一列举，其他可行的组合方式也在本发明实施例的保护范围内。
下面以另一种光学频率梳模块1、合束分束模块2、平衡探测模块3、斩波模块4、光声样品池5、超声探测模块6、控制扫描模块7、数据采集模块8和信号处理与成像模块9可行的组合方式，说明本发明实施例提供的光声成像系统的结构以及工作过程。
作为另一种可行的实施方式，图8是本发明实施例提供的另一种光声成像系统的结构示意图，如图8所示，本发明实施例提供的光学频率梳模块1包括第三飞秒激光单元161、窄线宽种子激光单元162、第一分束单元163、非线性频率变换单元166和第三飞秒激光脉冲放大单元167；第三飞秒激光单元161包括第五激光器1611和第六激光器1612；第五激光器1611用于出射第五初始激光信号a5，第六激光器1612用于出射第六初始激光信号a6；窄线宽种子激光单元162用于出射种子激光信号C1；第一分束单元163位于种子激光信号C1的传播路径上，用于将种子激光信号C1分束得到第一种子激光信号C11和第二种子激光信号C12；非线性频率变换166单元包括第一光参量放大子单元1661和第二光参量放大子单元1662；第一光参量放大子单元1661位于第五初始激光信号a5和第一种子激光信号C11的传播路径上，用于对第五初始激光信号a5进行频率变换，得到第一变频激光信号D1；第二光参量放大子单元1662位于第六初始激光信号a6和第二种子激光信号C12的传播路径上，用于对第六初始激光信号a6进行频率变换，得到第二变频激光信号D2；第三飞秒激光脉冲放大单元167包括第五放大器1671和第六放大器1672；第五放大器1671位于第一变频激光信号D1的传播路径上，用于对第一变频激光信号D1进行功率放大后形成第一出射激光信号A1；第六放大器1672位于第二变频激光信号D2的传播路径上，用于对第二变频激光信号D2进行功率放大后形成第二出射激光信号A2。
示例性的，第五激光器1611和第六激光器1612产生飞秒激光脉冲序列的方式包括但不限于非线性偏振旋转锁模、非线性环形镜锁模、真实可饱和吸收镜锁模等，且两者具有一定的重复频率差别。窄线宽种子激光单元162输出的种子激光信号C1作为光参量放大过程的种子光，经第一分束单元163后分为两束，即第一种子激光信号C11和第二种子激光信号C12。进一步的，本发明实施例光学频率梳模块1还可以包括半透半反单元164和光路调整单元165，半透半反单元164进一步可以包括第一二向色镜1641和第二二向色镜1642，光路调整单元165可以包括反射镜。光路调整单元165位于第一种子激光信号C11的光路上，用于反射第一种子激光信号C11至第一二向色镜1641处，第五初始激光信号a5和第一种子激光信号C11在第一二向色镜1641处合束后进入第一光参量放大子单元1661，第二二向色镜1642位于第六初始激光信号a6和第二种子激光信号C12的传播路径上，用于将第六初始激光信号a6和第二种子激光信号C12合束后入射至第一光参量放大子单元1662。进一步的，第一光参量放大子单元1661用于对第五初始激光信号a5进行频率变换，得到第一变频激光信号D1；第二光参量放大子单元1662用于对第六初始激光信号a6进行频率变换，得到第二变频激光信号D2，如此实现飞秒激光的频率变换。第三飞秒激光脉冲放大单元167包括第五放大器1671和第六放大器1672，第五放大器1671位于用于对第一变频激光信号D1进行功率放大后形成第一出射激光信号A1，第六放大器1672用于对第二变频激光信号D2进行功率放大后形成第二出射激光信号A2，如此得到两个频率不同的初始激光信号。
进一步的，继续参考图8控制扫描模块7包括光声复合棱镜76、微机电扫描镜77、微机电驱动单元78、电动位移平台79和位移控制单元710；光声复合棱镜76位于激发脉冲信号B1的传输路径上，用于反射激发脉冲信号至微机电扫描镜77；微机电扫描镜77与微机电驱动单元78电连接，用于根据微机电驱动单元78的驱动信号控制激发脉冲信号B1沿第一方向X和第二方向Y扫描待探测物53；第一方向X和第二方向Y相交；待探测物53设置于电动位移平台79上；位移控制单元710与电动位移平台79电连接，用于控制电动位移平台79带动待探测物53沿第一方向X和第二方向Y移动，以使激发脉冲信号B1对待探测物53进行扫描探测。
示例性的，控制扫描模块7采用机械扫描与光学扫描结合的方式，微机电驱动单元78控制微机电扫描镜77沿X和Y方向逐次进行扫描，连续改变光束照射在样品上的位置，并采用反射探测的方法逐点接收光声信号；微机电扫描镜77同时承担改变入射光源和出射光声信号传播方向的工作。光声复合棱镜76仅允许光声信号通过，反射的光信号无法通过。出射的光声信号经过光声复合棱镜76传至超声探测模块6中。该扫描方式下振镜扫描范围很小，为扩大扫描面积，每扫描一个小区域，位移控制单元710控制电动位移平台79移动样品池52，使振镜对下一个区域进行扫描，机械扫描与光学扫描结合，共同完成大范围区域二维平面的扫描。
进一步的，如图8所示，合束分束模块2、平衡探测模块3、光声信号产生探测模块4、光声样品池5、超声探测器6、数据采集模块8以及信号处理与成像模块9与图6所示的实施例中的结构相同，其工作原理以及工作过程也相同，这里不再赘述。
需要说明的是，上述以光学频率梳模块1另一种可行的方式，说明了光声成像系统的结构以及工作过程，可以理解的是，图8中示出的光学频率梳模块1还可以与图7所述的其他模块结合，实现光声探测。例如图8所示的光学频率梳模块1与图7所示的合束分束模块2和平衡探测模块3结合等，这里不再将可行的组合方式进行一一列举，其他可行的组合方式也在本发明实施例的保护范围内。
综上所述，上述实施例以三种可行的实施方式，详细说明了光声成像系统的工作原理以及工作过程，本发明实施例提供的光声成像系统，采用光学频率梳作为激发光源，能够在单次扫描成像中获得宽光谱范围、高光谱分辨率的图像数据，无需更换光源激光波长进行重复扫描，克服现有技术中因更换不同的激光器或采用光学参量振荡器激光器进行多次成像，造成成像成本高昂、成像速度慢和成像效率低的技术问题；进一步的，本发明实施例提供的光声成像系统，结合了双光梳光谱技术与光声成像的优势，可以提高成像深度，并且成像分辨率更高。进一步的，由于光学频率梳具有极高的光谱分辨率，而且其工作波长可涵盖紫外、可见光、近红外或中红外的波长范围，亦可通过超连续谱产生技术或非线性频率变换进行波长拓展，尤其在生物医学成像方面极具实用性。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (14)

1.一种光声成像系统，其特征在于，包括光学频率梳模块、合束分束模块、平衡探测模块、斩波模块、光声样品池、超声探测模块、控制扫描模块、数据采集模块和信号处理与成像模块；
所述光学频率梳模块用于产生第一出射激光信号和第二出射激光信号，所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的重复频率不同；
所述合束分束模块位于所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号的传播路径上，用于对所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号进行合束形成干涉激光信号，并将所述干涉激光信号分束形成探测激光信号和参考激光信号；
所述平衡探测模块位于所述参考激光信号的传播路径上，用于对所述参考激光信号进行平衡探测后得到第一电信号；
所述斩波模块位于所述探测激光信号的传输路径上，用于提取所述探测激光信号中的干涉信号作为激发脉冲信号；
所述光声样品池位于所述激发脉冲信号的传播路径上，所述光声样品池中设置有待探测物体，所述激发脉冲信号入射至所述待探测物体产生光声信号；
所述超声探测模块位于所述光声信号的传播路径上，用于将所述光声信号进行声电换能后得到第二电信号；
所述控制扫描模块用于控制所述激发脉冲信号的扫描位置；
所述数据采集模块分别与所述平衡探测模块以及所述超声探测模块电连接，用于采集所述第一电信号和所述第二电信号并传送所述第一电信号和所述第二电信号至所述信号处理与成像模块；
所述信号处理与成像模块用于根据所述第一电信号和所述第二电信号对所述待探测物成像。
2.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述光学频率梳模块包括第一飞秒激光单元、飞秒脉冲时频域控制单元、第一飞秒激光脉冲放大单元和第一频率变换单元；
所述第一飞秒激光单元包括第一激光器和第二激光器；所述第一激光器用于出射第一初始激光信号，所述第二激光器用于出射第二初始激光信号
所述飞秒脉冲时频域控制单元包括第一锁定子单元和第二锁定子单元；所述第一锁定子单元用于对所述第一初始激光信号的重复频率和载波包络偏移频率进行锁定，所述第二锁定子单元用于对所述第二初始激光信号的重复频率和载波包络偏移频率进行锁定；
所述第一飞秒激光脉冲放大单元包括第一放大器和第二放大器；所述第一放大器位于所述第一初始激光信号的传播路径上，用于对所述第一初始激光信号进行功率放大；所述第二放大器位于所述第二初始激光信号的传播路径上，用于对所述第二初始激光信号进行功率放大；
所述第一频率变换单元包括第一频率变换子单元和第二频率变换子单元；所述第一频率变换子单元位于功率放大后的所述第一初始激光信号的传播路径上，用于对所述第一初始激光信号进行频率变换后形成所述第一出射激光信号；所述第二频率变换子单元位于功率放大后的所述第二初始激光信号的传播路径上，用于对所述第二初始激光信号进行频率变换后形成所述第二出射激光信号。
3.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述光学频率梳模块包括双光梳单元、第二飞秒激光脉冲放大单元和第二频率变换单元；
所述双光梳单元用于出射第三初始激光信号和第四初始激光信号；
所述第二飞秒激光脉冲放大单元包括第三放大器和第四放大器；所述第三放大器位于所述第三初始激光信号的传播路径上，用于对所述第三初始激光信号进行功率放大；所述第四放大器位于所述第四初始激光信号的传播路径上，用于对所述第四初始激光信号进行功率放大；
所述第二频率变换单元包括第三频率变换子单元和第四频率变换子单元；所述第三频率变换子单元位于功率放大后的所述第三初始激光信号的传播路径上，用于对所述第三初始激光信号进行频率变换后形成所述第一出射激光信号；所述第四频率变换子单元位于功率放大后的所述第四初始激光信号的传播路径上，用于对所述第四初始激光信号进行频率变换后形成所述第二出射激光信号。
4.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述光学频率梳模块包括第三飞秒激光单元、窄线宽种子激光单元、第一分束单元、非线性频率变换单元和第三飞秒激光脉冲放大单元；
所述第三飞秒激光单元包括第五激光器和第六激光器；所述第五激光器用于出射第五初始激光信号，所述第六激光器用于出射第六初始激光信号；
所述窄线宽种子激光单元用于出射种子激光信号；
所述第一分束单元位于所述种子激光信号的传播路径上，用于将所述种子激光信号分束得到第一种子激光信号和第二种子激光信号；
所述非线性频率变换单元包括第一光参量放大子单元和第二光参量放大子单元；所述第一光参量放大子单元位于所述第五初始激光信号和所述第一种子激光信号的传播路径上，用于对所述第五初始激光信号进行频率变换，得到第一变频激光信号；所述第二光参量放大子单元位于所述第六初始激光信号和所述第二种子激光信号的传播路径上，用于对所述第六初始激光信号进行频率变换，得到第二变频激光信号；
所述第三飞秒激光脉冲放大单元包括第五放大器和第六放大器；所述第五放大器位于所述第一变频激光信号的传播路径上，用于对所述第一变频激光信号进行功率放大后形成所述第一出射激光信号；所述第六放大器位于所述第二变频激光信号的传播路径上，用于对所述第二变频激光信号进行功率放大后形成所述第二出射激光信号。
5.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述控制扫描模块包括电动位移平台和位移控制单元；
所述待探测物设置于所述电动位移平台上；
所述位移控制单元与所述电动位移平台电连接，用于控制所述电动位移平台带动所述待探测物沿第一方向和第二方向移动，以使所述激发脉冲信号对所述待探测物进行扫描探测；所述第一方向与所述第二方向相交。
6.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述控制扫描模块包括第一扫描振镜、第二扫描振镜和振镜驱动单元，所述振镜驱动单元分别与所述第一扫描振镜和所述第二扫描振镜电连接；
所述第一扫描振镜位于所述激发脉冲信号的传播路径上，用于根据所述振镜驱动单元的驱动信号控制所述激发脉冲信号沿第一方向扫描所述待探测物；
所述第二扫描振镜均位于所述激发脉冲信号的传播路径上，用于根据所述振镜驱动单元的驱动信号控制所述激发脉冲信号沿第二方向扫描所述待探测物；所述第一方向和所述第二方向相交。
7.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述控制扫描模块包括光声复合棱镜、微机电扫描镜、微机电驱动单元、电动位移平台和位移控制单元；
所述光声复合棱镜位于所述激发脉冲信号的传输路径上，用于反射所述激发脉冲信号至所述微机电扫描镜；
所述微机电扫描镜与所述微机电驱动单元电连接，用于根据所述微机电驱动单元的驱动信号控制所述激发脉冲信号沿第一方向和第二方向扫描所述待探测物；所述第一方向和所述第二方向相交；
所述待探测物设置于所述电动位移平台上；
所述位移控制单元与所述电动位移平台电连接，用于控制所述电动位移平台带动所述待探测物沿所述第一方向和所述第二方向移动，以使所述激发脉冲信号对所述待探测物进行扫描探测。
8.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述合束分束模块包括合束分束单元和第一反射单元；
所述合束分束单元位于所述第一出射激光信号的传播路径上，所述第一反射单元和所述合束分束单元依次位于所述第二出射激光信号的传播路径上；所述合束分束单元用于对所述第一出射激光信号和所述第二出射激光信号进行合束形成干涉激光信号，并将所述干涉激光信号分束形成探测激光信号和参考激光信号。
9.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述合束分束模块包括2*2光纤耦合器。
10.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述平衡探测模块包括第二分束单元、第二反射镜和平衡光电探测单元；
所述第二分束单元位于所述参考激光信号的传播路径上，用于将所述参考激光信号分束形成为第一参考激光信号和第二参考激光信号；
所述第二反射镜位于所述第二参考激光信号的传播路径上，位于反射所述第二参考激光信号至所述平衡光电探测单元；
所述平衡光电探测单元分别位于所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号的传播路径上，用于对所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号进行平衡探测后得到所述第一电信号。
11.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述平衡探测模块包括第三分束单元和平衡光电探测单元；
所述第三分束单元位于所述参考激光信号的传播路径上，用于将所述参考激光信号分束形成为第一参考激光信号和第二参考激光信号；
所述平衡光电探测单元分别位于所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号的传播路径上，用于对所述第一参考激光信号和所述第二参考激光信号进行平衡探测后得到所述第一电信号。
12.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述光声样品池包括聚焦物镜、样品池和温度控制单元；
所述待探测物体设置于所述样品池中；
所述聚焦物镜位于所述激发脉冲信号的传播路径上，用于聚焦所述激发脉冲信号形成聚焦激光信号；
所述温度控制单元设置于所述样品池中，用于调控所述样品池内的温度。
13.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述超声探测模块包括超声换能单元和射频放大单元；
所述超声换能单元位于所述光声信号的传播路径上，用于将所述光声信号进行声电换能后得到第二电信号；
所述射频放大单元与所述超声换能单元电连接，用于对所述第二电信号进行射频放大。
14.根据权利要求1所述的光声成像系统，其特征在于，所述数据采集模块包括第一滤波单元、第二滤波单元和数据采集处理单元；
所述第一滤波单元与所述超声探测模块电连接，用于对射频放大后的所述第二电信号进行滤波；
所述第二滤波单元与所述平衡探测模块电连接，用于对所述第一电信号进行滤波；
所述数据采集处理单元分别与所述第一滤波单元、所述第二滤波单元和所述信号处理与成像模块电连接，用于采集所述第一电信号和所述第二电信号并传送所述第一电信号和所述第二电信号至所述信号处理与成像模块。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113080870A (zh) * 2021-04-12 2021-07-09 北京航空航天大学 成像系统
CN114018873A (zh) * 2021-11-09 2022-02-08 之江实验室 一种快速大视场高分辨的光学内窥显微系统及方法
CN114485746A (zh) * 2021-12-24 2022-05-13 中山大学 基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统
CN114563479A (zh) * 2022-04-20 2022-05-31 之江实验室 一种实时三维高分辨太赫兹光声成像方法和装置
CN115153453A (zh) * 2022-09-06 2022-10-11 山西大学 一种量子增强的全光光声信号探测装置及方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102629066A (zh) * 2012-04-05 2012-08-08 清华大学 相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置与产生方法
US20150160120A1 (en) * 2013-12-09 2015-06-11 National Taiwan University Optical microscopy systems based on photoacoustic imaging
CN106994006A (zh) * 2017-05-19 2017-08-01 厦门大学 双模态成像系统
CN110261315A (zh) * 2019-06-27 2019-09-20 同济大学 一种扫描近场光声显微成像仪
CN111650127A (zh) * 2020-06-05 2020-09-11 国家电网有限公司 基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统及方法
CN111721732A (zh) * 2020-06-03 2020-09-29 华东师范大学 基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法
CN112401847A (zh) * 2020-11-20 2021-02-26 南方科技大学 一种光声显微成像系统及方法
EP3865851A1 (en) * 2020-02-11 2021-08-18 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA - Recherche et Développement Photoacoustic dual comb spectrometer

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102629066A (zh) * 2012-04-05 2012-08-08 清华大学 相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置与产生方法
US20150160120A1 (en) * 2013-12-09 2015-06-11 National Taiwan University Optical microscopy systems based on photoacoustic imaging
CN106994006A (zh) * 2017-05-19 2017-08-01 厦门大学 双模态成像系统
CN110261315A (zh) * 2019-06-27 2019-09-20 同济大学 一种扫描近场光声显微成像仪
EP3865851A1 (en) * 2020-02-11 2021-08-18 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA - Recherche et Développement Photoacoustic dual comb spectrometer
CN111721732A (zh) * 2020-06-03 2020-09-29 华东师范大学 基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法
CN111650127A (zh) * 2020-06-05 2020-09-11 国家电网有限公司 基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统及方法
CN112401847A (zh) * 2020-11-20 2021-02-26 南方科技大学 一种光声显微成像系统及方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113080870A (zh) * 2021-04-12 2021-07-09 北京航空航天大学 成像系统
CN114018873A (zh) * 2021-11-09 2022-02-08 之江实验室 一种快速大视场高分辨的光学内窥显微系统及方法
CN114018873B (zh) * 2021-11-09 2024-05-28 之江实验室 一种快速大视场高分辨的光学内窥显微系统及方法
CN114485746A (zh) * 2021-12-24 2022-05-13 中山大学 基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统
CN114485746B (zh) * 2021-12-24 2023-10-31 中山大学 基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统
CN114563479A (zh) * 2022-04-20 2022-05-31 之江实验室 一种实时三维高分辨太赫兹光声成像方法和装置
CN114563479B (zh) * 2022-04-20 2022-08-30 之江实验室 一种实时三维高分辨太赫兹光声成像方法和装置
CN115153453A (zh) * 2022-09-06 2022-10-11 山西大学 一种量子增强的全光光声信号探测装置及方法
CN115153453B (zh) * 2022-09-06 2022-12-30 山西大学 一种量子增强的全光光声信号探测装置及方法

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