CN116530930A - 一种基于波分复用的高速光声显微成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光声成像技术领域，具体涉及一种基于波分复用的高速光声显微成像装置及方法。为提高光声显微成像的效率，本发明使用波分复用技术将多波长的激光复用到一根光纤上进行传输，简化了实验装置，同时使用一个微透镜阵列将解复用之后的不同波长的探测光同时聚焦到待成像物体表面的不同位置，多束不同波长探测光对待测物体表面多点的表面微小位移信息的提取。由于不同波长的激光之间存在固定的微小传输时间差，因此可以只使用一套波分复用干涉仪和一个宽带光电探测器即可对多点的干涉信号进行准同步逐个探测，最终实现基于波分复用技术的高速光声显微成像。

Description

一种基于波分复用的高速光声显微成像装置及方法

技术领域

本发明属于光声成像技术领域，具体涉及一种基于波分复用的高速光声显微成像装置及方法。

背景技术

光声成像是一种基于生物组织的光热效应，可实现对较深层组织进行成像的功能成像技术。目前光声成像已经在生物医学成像领域取得了初步的应用。光声显微成像(photoacousticmicroscopy，PAM)是光声成像领域的一个方向，通过对激励光进行紧聚焦可以实现亚微米到亚毫米级的空间分辨率，在细胞和亚细胞结构与功能研究、药物作用机理研究等领域有潜在的应用。

高速光声显微成像有利于捕捉体内快速动态特性，可消除外界的低频扰动、生物体呼吸和心跳干扰等引起的运动伪影。但是由于激光脉冲重复频率及光束或样品移动速度的限制，目前已有的光声显微成像的成像速度等性能较差，导致其在实际应用中受限。具体来说：(1)传统的基于机械扫描的方法扫描机器体积庞大，扫描速度慢，虽然在近些年的发展中出现了可以提高扫描速度的旋转式扫描机制，但是由于待测样品的形状是非均匀的，图像重构中需要考虑每个像素点的权重因子，增加了整体成像时间。(2)振镜是一种较为特殊的摆动型电机，具有较高的稳定性和较快的扫描速度。但是在光声显微成像中，使用振镜会使成像视场受到一定的限制，同时扫描精度相比机械扫描模式低。(3)使用超声换能器阵列等方法虽然成像速度快，但是应用于活体成像时，想要在小的空间内集成光学和声学器件是很困难的。(4)在基于干涉测量原理的非接触式光声显微成像技术中，包括外差干涉仪，零差干涉仪，共聚焦法布里-珀罗干涉仪，基本目的是要探测待测物体表面由于光声波到达其表面引起的振动，但是所有的基于干涉方法采用的都是单波长探测光，一次只能获取待测物体一个点的信息，使得探测效率较低。

因此本领域亟需一种结构简单，在不降低成像灵敏度和成像视场的前提下实现高速的光声显微成像装置及方法，可对包括人体在内的活体生物进行非接触快速成像。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种基于波分复用的高速光声显微成像装置及方法，基于波分复用技术使得装置同时在一根光纤内传送多束不同波长探测光，再通过微透镜阵列聚焦功能对待测样品多个点进行近似同步的一维光声探测，结合对待测样品的一维单向位置扫描即可实现高速光声显微成像。本发明的核心为：将多束单波长光探测光，通过阵列波导光栅，复用到一根光纤上传输，简化实验装置，再次使用一个阵列波导光栅解复用后，通过一个微透镜阵列，使得不同波长探测光近似同步地探测对应待测样品的表面位移信息，然后通过波分复用的干涉仪进行多点信号的准同步测量。只需要一维移动就可以实现对待测样品信息的二维扫描，使得信息采集时间大大的缩短，进而实现快速的对活体动物进行光声成像。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于波分复用的高速光声显微成像装置，包括迈克尔逊干涉仪和光电探测器，所述迈克尔逊干涉仪包括第一阵列波导光栅、隔离器、第一光纤耦合器、第一光纤环形器、第一准直器、第二阵列波导光栅、微透镜阵列、待测物平台、光纤放大器、第二光纤环形器、第二准直器、透镜、粘有压电陶瓷的平面镜、第二光纤耦合器；

多波长光源发射的多个波长激光经过所述第一阵列波导光栅后，将所有波长的激光耦合到一根光纤内，作为探测光传输，经过隔离器进入第一光纤耦合器中分为信号光和参考光，所述信号光经过样品臂入射到待测物体表面，待测物体表面反射的信号光从样品臂返回，经过光纤放大器进入第二光纤耦合器，所述样品臂包括依次设置的第一光纤环形器、第一准直器、第二阵列波导光栅和微透镜阵列；所述参考光经过第二光纤环形器进入参考臂，所述参考臂包括依次设置的第二准直器、透镜和粘有压电陶瓷的平面镜，在所述参考臂内，参考光经过粘有压电陶瓷的平面镜反射原路返回至第二光纤环形器，所述第二光纤环形器输出参考光进入第二光纤耦合器与信号光进行干涉，所述光电探测器对第二光纤耦合器内不同波长激光的干涉信号进行准同步的逐个探测，得到待测物体信息。

进一步，所述迈克尔逊干涉仪可替换为马赫泽德干涉仪、萨格纳克干涉仪，干涉仪所使用的光纤耦合器，既可以是3×3光纤耦合器，也可以是2×2光纤耦合器等。

进一步，所述多波长光源为多个单波长二极管激光器、多个单波长光纤激光器、多个单波长的固体激光器或光学参量振荡器中的一种，或使用高频宽带频移技术产生，通过多次移频将一束激光扩展为波长等间隔排列的多波长光束。

进一步，所述多波长光源的波段在光纤传输损耗较低的任意电磁波段内。

进一步，所述微透镜阵列为一维直线分布、或矩形、圆弧线段、同心圆圈分布。

一种基于波分复用的高速光声显微成像方法，包括以下步骤：

步骤1，输入多个波长的激光，通过第一阵列波导光栅将多个波长的激光耦合到一根光纤内，作为探测光传输；

步骤2，探测光进入第一光纤耦合器分成信号光和参考光，信号光通过第一光纤环形器、第一准直器、第二阵列波导光栅解复用后通过阵列波导光栅的不同通道及微透镜阵列中相匹配的微透镜入射到待测物体表面的不同位置，提取待测物体的微小位移信息；

步骤3，待测物体表面反射的信号光携带待测物体表面由光声效应导致的微小位移信息，从样品臂返回至光纤放大器，将微弱的光信号进行放大，然后进入到第二光纤耦合器；

步骤4，参考光经过第二光纤环形器进入参考臂，经过粘有压电陶瓷的平面镜进行调制，调制后的参考光从参考臂返回至第二光纤环形器，然后进入到第二光纤耦合器；

步骤5，放大的信号光与调制后的参考光在第二光纤耦合器内发生干涉；

步骤6，使用光电探测器对第二光纤耦合器内的不同波长激光的干涉信号进行准同步的逐个探测，得到对应不同波长光束入射位置的二维光声信号数组，之后在垂直于一维光束阵列的方向上高速移动待测物体，即可获得物体的三维光声显微图像。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1.本发明首先在探测光光源方面利用阵列波导光栅波分复用特性将输入的多个波长的激光复用到一根光纤上传输，之后在探测待测物表面微小位移信息时，再次利用阵列波导光栅解复用的特性实现了多束探测光同时通过微透镜阵列的不同透镜，再近似同步地对物体表面不同位置的待测信息进行探测，实现了高速显微成像。目前，商用的波分复用设备可提供至少40个信道，因此基于波分复用技术的光声探测干涉仪在获取物体表面待测信息时效率大大提高。同时本发明可通过增加光纤耦合器和传输光纤，进一步扩展波分复用可允许的波长数量。

2.本发明通过使用阵列波导光栅进行波分复用，使多个波长探测光在一根光纤中的不同信道传播，可大幅减少传输过程中光纤的数量，使得造价成本降低，进而使整个系统简洁，装置尺寸，重量有一定的减少，且可以灵活增减信道数目，而原系统装置不做大的改动，具有较强的灵活性。由于大大减少了光纤的使用量，当出现故障时，恢复起来也相对较为容易。

3.本发明通过阵列波导光栅的波分复用功能，使多个波长探测光同时探测待测物体信息，最终实现高速光声显微成像。

4.本发明利用阵列波导光栅进行波分复用，不同光波长之间的频率相差很大，所以不同光束之间不会发生干涉等损耗，每个光器件之间的损耗和色散也很小。同时由于不同波长激光在阵列波导光栅中存在固定的微小传输时间差，因此可以只用一个宽带光电探测器对不同波长激光的干涉信号进行准同步的逐个探测。

5.本发明采用微透镜阵列代替普通透镜将探测光聚焦在待成像物体表面，多波长探测光在第二个阵列波导光栅解复用后，不同波长激光通过不同通道及相配的聚焦透镜阵列，入射到待成像物体表面的不同位置，实现近似同步的一维光声探测，结合对待测物的一维单向位置扫描即可实现高速光声显微成像。

6.本发明适用于干涉仪测量带宽内的任何声信号的探测。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于波分复用的高速光声显微成像装置示意图；

符号说明：1-第一阵列波导光栅；2-隔离器；3-第一光纤耦合器；4-第一光纤环形器；5-第一准直器；6-第二阵列波导光栅；7-微透镜阵列；8-待测物平台；9-光纤放大器；10-第二光纤环形器；11-第二准直器；12-透镜；13-粘有压电陶瓷的平面镜；14-第二光纤耦合器；15-光电探测器；

图2为本发明实施例1提供的基于波分复用的高速光声显微成像方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种基于波分复用的高速光声显微成像装置，包括迈克尔逊干涉仪和光电探测器15，所述迈克尔逊干涉仪包括第一阵列波导光栅1、隔离器2、第一光纤耦合器3、第一光纤环形器4、第一准直器5、第二阵列波导光栅6、微透镜12阵列7、待测物平台8、光纤放大器9、第二光纤环形器10、第二准直器11、透镜12、粘有压电陶瓷的平面镜13、第二光纤耦合器14；

多波长光源发射的多个波长激光经过所述第一阵列波导光栅1后，将所有波长的激光耦合到一根光纤内，作为探测光传输，经过隔离器2进入第一光纤耦合器3中分为信号光和参考光，所述信号光经过样品臂入射到待测物体表面，待测物体表面反射的信号光从样品臂返回，经过光纤放大器9进入第二光纤耦合器14，所述样品臂包括依次设置的第一光纤环形器4、第一准直器5、第二阵列波导光栅6和微透镜阵列7；所述参考光经过第二光纤环形器10进入参考臂，所述参考臂包括依次设置的第二准直器11、透镜12和粘有压电陶瓷的平面镜13，在所述参考臂内，参考光经过粘有压电陶瓷的平面镜13反射原路返回至第二光纤环形器10，其作用是为了保证光单向传输，防止光进入第一光纤耦合器3中，所述第二光纤环形器10输出参考光进入第二光纤耦合器14与放大的信号光进行干涉，由于不同波长的激光在阵列波导光栅中存在固定的微小传输时间差，所以使用光电探测器15对第二光纤耦合器14内不同波长激光的干涉信号进行准同步的逐个探测，得到待测物体信息，待测物体放置在待测物平台8上。

本实施例中波长光源的波段可以在光纤传输损耗较低的任意电磁波段内，多波长光源为多个单波长二极管激光器，也可以替换为多个单波长光纤激光器；也可以替换为多个单波长的固体激光器或光学参量振荡器；多波长光源还可以使用高频宽带频移技术产生，通过多次移频将一束激光扩展为波长等间隔排列的多波长光束。

本实施例中的迈克尔逊干涉仪也可以替换为其它干涉仪结构，包括马赫泽德干涉仪、萨格纳克干涉仪等。迈克尔逊干涉仪中的第一光纤耦合器3使用2*2光纤耦合器，第二光纤耦合器14使用3*3光纤耦合器。

本实施例中的微透镜阵列7为矩形分布，可通过优化设计微透镜阵列7实现多种图样的准同步光声探测，包括一维直线、圆弧线段、同心圆圈等。

实施例2

如图2所示，一种应用实施例1所述装置的基于波分复用的高速光声显微成像方法，包括以下步骤：

S1、激光垂直照射待测物体，待测物体吸收光子后，会导致待测物体局部发生热弹性膨胀，膨胀的部分挤压周围部分从而产生超声波；

S2、超声波信号传播使得待测物体表面或待测物体表面的透明矿物油表面产生微小位移；

S3、输入多个波长的激光，通过第一阵列波导光栅1将多个波长的激光耦合到一根光纤内，作为探测光传输；

S4、探测光进入第一光纤耦合器3分成信号光和参考光，信号光通过第一光纤环形器4、第一准直器5、第二阵列波导光栅6解复用后通过阵列波导光栅的不同通道及微透镜阵列7中相匹配的微透镜入射到待测物体表面的不同位置，提取待测物体的微小位移信息；

S5、待测物体表面反射的信号光携带待测物体表面由光声效应导致的微小位移信息，从样品臂返回至光纤放大器9，将微弱的光信号进行放大，然后进入到第二光纤耦合器14；

S6、参考光经过第二光纤环形器10进入参考臂，经过粘有压电陶瓷的平面镜13进行调制，调制后的参考光从参考臂返回至第二光纤环形器10，然后进入到第二光纤耦合器14；

S7、放大的信号光与调制后的参考光在第二光纤耦合器14内发生干涉；

S8、使用光电探测器15对第二光纤耦合器14内的不同波长激光的干涉信号进行准同步的逐个探测，得到对应不同波长光束入射位置的二维光声信号数组(包含对应深度信息的z方向数据)，之后在垂直于一维光束阵列的方向上高速移动待测物体，即可获得物体的三维光声显微图像。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于波分复用的高速光声显微成像装置，其特征在于，所述装置包括迈克尔逊干涉仪和光电探测器，所述迈克尔逊干涉仪包括第一阵列波导光栅、隔离器、第一光纤耦合器、第一光纤环形器、第一准直器、第二阵列波导光栅、微透镜阵列、待测物平台、光纤放大器、第二光纤环形器、第二准直器、透镜、粘有压电陶瓷的平面镜、第二光纤耦合器；

多波长光源发射的多个波长激光经过所述第一阵列波导光栅后，将所有波长的激光耦合到一根光纤内，作为探测光传输，经过隔离器进入第一光纤耦合器中分为信号光和参考光，所述信号光经过样品臂入射到待测物体表面，待测物体表面反射的信号光从样品臂返回，经过光纤放大器进入第二光纤耦合器，所述样品臂包括依次设置的第一光纤环形器、第一准直器、第二阵列波导光栅和微透镜阵列；所述参考光经过第二光纤环形器进入参考臂，所述参考臂包括依次设置的第二准直器、透镜和粘有压电陶瓷的平面镜，在所述参考臂内，参考光经过粘有压电陶瓷的平面镜反射原路返回至第二光纤环形器，所述第二光纤环形器输出参考光进入第二光纤耦合器与信号光进行干涉，所述光电探测器对第二光纤耦合器内不同波长激光的干涉信号进行准同步的逐个探测，得到待测物体信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于波分复用的高速光声显微成像装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪可替换为马赫泽德干涉仪、萨格纳克干涉仪。

3.根据权利要求1所述的一种基于波分复用的高速光声显微成像装置，其特征在于，所述多波长光源为多个单波长二极管激光器、多个单波长光纤激光器、多个单波长的固体激光器或光学参量振荡器中的一种，或使用高频宽带频移技术产生，通过多次移频将一束激光扩展为波长等间隔排列的多波长光束。

4.根据权利要求1所述的一种基于波分复用的高速光声显微成像装置，其特征在于，所述多波长光源的波段在光纤传输损耗较低的任意电磁波段内。

5.根据权利要求1所述的一种基于波分复用的高速光声显微成像装置，其特征在于，所述微透镜阵列为一维直线分布、或矩形、圆弧线段、同心圆圈分布。

6.一种应用权利要求1至5任一项所述装置的基于波分复用的高速光声显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，输入多个波长的激光，通过第一阵列波导光栅将多个波长的激光耦合到一根光纤内，作为探测光传输；

步骤2，探测光进入第一光纤耦合器分成信号光和参考光，信号光通过第一光纤环形器、第一准直器、第二阵列波导光栅解复用后通过阵列波导光栅的不同通道及微透镜阵列中相匹配的微透镜入射到待测物体表面的不同位置，提取待测物体的微小位移信息；

步骤3，待测物体表面反射的信号光携带待测物体表面由光声效应导致的微小位移信息，从样品臂返回至光纤放大器，将微弱的光信号进行放大，然后进入到第二光纤耦合器；

步骤4，参考光经过第二光纤环形器进入参考臂，经过粘有压电陶瓷的平面镜进行调制，调制后的参考光从参考臂返回至第二光纤环形器，然后进入到第二光纤耦合器；

步骤5，放大的信号光与调制后的参考光在第二光纤耦合器内发生干涉；

步骤6，使用光电探测器对第二光纤耦合器内的不同波长激光的干涉信号进行准同步的逐个探测，得到对应不同波长光束入射位置的二维光声信号数组，之后在垂直于一维光束阵列的方向上高速移动待测物体，即可获得物体的三维光声显微图像。