RU2603819C2 - Optoacoustic lens - Google Patents

Optoacoustic lens Download PDF

Info

Publication number
RU2603819C2
RU2603819C2 RU2015111328/28A RU2015111328A RU2603819C2 RU 2603819 C2 RU2603819 C2 RU 2603819C2 RU 2015111328/28 A RU2015111328/28 A RU 2015111328/28A RU 2015111328 A RU2015111328 A RU 2015111328A RU 2603819 C2 RU2603819 C2 RU 2603819C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
optoacoustic
channel
adapter
optical fiber
Prior art date
Application number
RU2015111328/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015111328A (en
Inventor
Арсений Владимирович Петров
Владимир Феликсович Королович
Дмитрий Александрович Горин
Владимир Владимирович Петров
Глеб Борисович Сухоруков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2015111328/28A priority Critical patent/RU2603819C2/en
Publication of RU2015111328A publication Critical patent/RU2015111328A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2603819C2 publication Critical patent/RU2603819C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2462Probes with waveguides, e.g. SAW devices

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to spectroscopy of condensed media and photoacoustic analysis of materials. Optoacoustic lens has an acoustic line with annular piezoelectric transducer at its one end, acoustic lens at its other end and point-to-point cylindrical channel in the central part and optical fibre placed in the cylindrical channel, as well as an adapter equipped with side nozzle for introduction of an immersion liquid. One end of the adapter is fixed in the channel at the side of the piezoelectric converter, and the second end is equipped with a sealing sleeve for sealing the optical fibre. Channel diameter and inner diameter of the adapter exceed the diameter of the optical fibre at value facilitating passage of an immersion liquid from the nozzle to acoustic lens.
EFFECT: providing an immersion liquid supply directly to the scanning region through the channel in the acoustic line of optoacoustic lens simplified design, possibility to vary the depth of probing and focusing zone of the laser radiation during examination.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области спектроскопии конденсированных сред и фотоакустического анализа материалов и может использоваться как объектив устройств для фотоакустической визуализации микрообъектов и неразрушающего контроля поверхности и приповерхностного слоя материалов в медицине, биологии, нанотехнологиях и промышленности.The invention relates to the field of condensed matter spectroscopy and photoacoustic analysis of materials and can be used as a lens of devices for photoacoustic visualization of microobjects and non-destructive testing of the surface and surface layer of materials in medicine, biology, nanotechnology and industry.

В известных реализациях фотоакустические объективы имеют многокомпонентную систему зеркал, призм, линз или их комбинаций для фокусировки лазерного излучения, что усложняет их конструкцию и процесс изготовления. Также в известных конструкциях объективов отсутствует система подстраиваемой фокусировки лазерного излучения в процессе исследований, которая представляет интерес для объемного анализа структуры образца или для обнаружения дефектов. Кроме того, для всех известных оптоакустических объективов необходимо, или использовать ванну с иммерсионной жидкостью, или наносить слой иммерсионной жидкости на область сканирования перед началом работы. Использование ванны ограничивает применение таких объективов при исследовании образцов под углом к горизонту, образцов со сложной геометрией, а также усложняет процесс исследования биологических тканей у животных (погружение исследуемой области животного в ванну требует его анестезии.In known implementations, photoacoustic lenses have a multicomponent system of mirrors, prisms, lenses, or combinations thereof for focusing laser radiation, which complicates their design and manufacturing process. Also, in the known lens designs there is no system for adjustable focusing of laser radiation in the research process, which is of interest for volumetric analysis of the structure of the sample or for the detection of defects. In addition, for all known optical-acoustic lenses, it is necessary either to use a bath with immersion liquid or to apply a layer of immersion liquid to the scanning area before starting work. The use of the bath limits the use of such lenses in the study of samples at an angle to the horizon, samples with complex geometry, and also complicates the process of studying biological tissues in animals (immersion of the studied area of the animal in the bath requires its anesthesia.

В том случае, когда рассматриваемая область находится в районе дыхательных путей, дополнительно требуется специальная система подведения воздуха (статьи: «Noninvasivelaser-induced photoacoustic tomography for structural and functional invivo imaging of the brain / Xueding Wang, YongjiangPang, Geng Ku, Xueyi Xie, George Stoica&Lihong V.Wang // Nature Biotechnology. - 2003, Vol. 21, pp. 803-806; Simultaneous Molecular and Hypoxia Imaging of Brain Tumors In Vivo Using Spectroscopic Photoacoustic Tomography / Meng-LinLi, Jung-TaekOh, XieX., Ku. G., WeiWang, ChunLi, Lungu. G., Stoica. G., Wang, L.V. // Proceedings of the IEEE.-2008, Vol. 96, Is. 3, pp. 481 - 489. doi: 10.1109/JPROC.2007.913515; Biomedical photoacoustic imaging / PaulBeard // Interface Focus.-2011, Vol. 1, pp. 602-631, doi:10.1098/rsfs.2011.0028), кроме того, отсутствует возможность подачи просветляющих агентов непосредственно в область исследования (которые можно комбинировать с иммерсионной жидкостью), что может существенно снизить глубину сканирования. Нанесение слоя иммерсионной жидкости на область сканирования требует от иммерсионной жидкости специальных свойств, особенно при работе под углом к горизонту, исследовании тканей у животных, а также при исследовании значительных участков поверхности.In the case when the area under consideration is located in the area of the respiratory tract, a special air supply system is additionally required (articles: “Noninvasivelaser-induced photoacoustic tomography for structural and functional invivo imaging of the brain / Xueding Wang, YongjiangPang, Geng Ku, Xueyi Xie, George Stoica & Lihong V. Wang // Nature Biotechnology. - 2003, Vol. 21, pp. 803-806; Simultaneous Molecular and Hypoxia Imaging of Brain Tumors In Vivo Using Spectroscopic Photoacoustic Tomography / Meng-LinLi, Jung-TaekOh, XieX., Ku. G., WeiWang, ChunLi, Lungu. G., Stoica. G., Wang, LV // Proceedings of the IEEE.-2008, Vol. 96, Is. 3, pp. 481 - 489. doi: 10.1109 / JPROC. 2007.913515; Biomedical photoacoustic imaging / PaulBeard // Interface Focus.-2011, Vol. 1, pp. 602-631, doi: 10.1098 / rsfs.2011.0028), in addition, is absent in zmozhnost supply antireflective agents directly into the research area (which can be combined with the immersion liquid), which may significantly reduce the scan depth. Applying a layer of immersion fluid to the scan area requires special properties from immersion fluid, especially when working at an angle to the horizon, examining tissue in animals, and also when examining significant surface areas.

В предложенном изобретении система фокусировки лазерного излучения проста в изготовлении и позволяет подстраивать фокусировку лазерного излучения в процессе исследований (изменять глубину зондирования). Иммерсионную жидкость в предложенном устройстве подают через цилиндрический канал в звукопроводе оптоакустического объектива (путем использования специального переходного устройства), что позволяет применять объектив при исследованиях образцов под углом к горизонту, образцов со сложной геометрией и позволяет локально исследовать области на теле животных без применения ванны с иммерсионной жидкостью.In the proposed invention, the laser focusing system is easy to manufacture and allows you to adjust the focus of the laser radiation in the research process (change the sounding depth). The immersion liquid in the proposed device is fed through a cylindrical channel in the sound duct of the optoacoustic lens (by using a special adapter), which allows the lens to be used in studies of samples at an angle to the horizon, samples with complex geometry and allows you to locally explore areas on the body of animals without using an immersion bath liquid.

Известно портативное устройство для фотоакустической микроскопии, которое применяется для визуализации биологических тканей (патент US 2011/0201914 A1). Устройство содержит фотоакустический сенсор (оптоакустический объектив), который состоит из цельного или многокомпонентного пьезоэлектрического преобразователя, выполненного в виде акустической линзы, многокомпонентной и сложной в изготовлении системы фокусировки оптического излучения (включает высокоточную систему линз, фильтр, отражающую перегородку, интегрирующую камеру, диафрагму), электровывод, цилиндрическую корпус-балку. Оптоакустический объектив находится в герметической ванне (контейнере), заполненной иммерсионной жидкостью. Основа герметической ванны-контейнера изготовлена из оптически и акустически прозрачной мембраны. Акустический контакт между мембраной и исследуемым образцом достигается путем погружения стороны контейнера с мембраной в иммерсионную жидкость.Known portable device for photoacoustic microscopy, which is used to visualize biological tissues (patent US 2011/0201914 A1). The device contains a photoacoustic sensor (optoacoustic lens), which consists of a single or multicomponent piezoelectric transducer made in the form of an acoustic lens, a multicomponent and difficult to manufacture optical radiation focusing system (includes a high-precision lens system, a filter reflecting a baffle, an integrating camera, a diaphragm), electrical outlet, cylindrical beam housing. The optoacoustic lens is located in a hermetic bath (container) filled with immersion liquid. The base of the hermetic container bath is made of an optically and acoustically transparent membrane. Acoustic contact between the membrane and the test sample is achieved by immersing the sides of the container with the membrane in an immersion fluid.

Недостатками данного оптоакустического объектива являются: The disadvantages of this optoacoustic lens are:

1) Сложная конструкция объектива и, как следствие, сложность его изготовления (в частности, необходимость изготовления высокоточной и согласованной системы из линз, зеркал, призм или их сочетания для обеспечения фокусировки лазерного излучения). 1) The complex design of the lens and, as a consequence, the complexity of its manufacture (in particular, the need to manufacture a high-precision and consistent system of lenses, mirrors, prisms, or a combination thereof to ensure focusing of laser radiation).

2) Отсутствие системы подстраиваемой фокусировки лазерного излучения в процессе исследований.2) The lack of a system of adjustable focusing of laser radiation in the research process.

3) Необходимость применения герметической ванны-контейнера с иммерсионной жидкостью и погружения ее в иммерсионную жидкость для акустического контакта между образцом и ультразвуковым датчиком. Это обстоятельство ограничивает область применения рассматриваемого устройства при исследованиях образцов под углом к горизонту и удобство использования. Например, для исследования биологических тканей у животных (мышей) необходимо погружение исследуемой области в ванну, что требует анестезии животного. Кроме того, если рассматриваемая область находится в районе дыхательных путей, то дополнительно требуется специальная система подведения воздуха (статьи: «Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional invivo imaging of the brain / Xueding Wang, Yongjiang Pang, Geng Ku, Xueyi Xie, George Stoica&Lihong V Wang // Nature Biotechnology. - 2003, Vol. 21, pp. 803-806; Simultaneous Molecular and Hypoxia Imaging of Brain Tumors In Vivo Using Spectroscopic Photoacoustic Tomography / Meng-Lin Li, Jung-Taek Oh, Xie X., Ku. G., Wei Wang, Chun Li, Lungu. G., Stoica. G., Wang, L.V. // Proceedings of the IEEE.-2008, Vol. 96, Is. 3, pp. 481 - 489. doi: 10.1109/JPROC.2007.913515; Biomedical photoacoustic imaging / Paul Beard // Interface Focus.-2011, Vol. 1, pp. 602-631, doi:10.1098/rsfs.2011.0028).3) The need to use an airtight container bath with immersion liquid and immerse it in immersion liquid for acoustic contact between the sample and the ultrasonic sensor. This circumstance limits the scope of the device in question when studying samples at an angle to the horizon and ease of use. For example, to study biological tissues in animals (mice), it is necessary to immerse the test area in a bath, which requires anesthesia of the animal. In addition, if the area in question is in the area of the respiratory tract, a special air supply system is additionally required (articles: “Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional invivo imaging of the brain / Xueding Wang, Yongjiang Pang, Geng Ku, Xueyi Xie , George Stoica & Lihong V Wang // Nature Biotechnology. - 2003, Vol. 21, pp. 803-806; Simultaneous Molecular and Hypoxia Imaging of Brain Tumors In Vivo Using Spectroscopic Photoacoustic Tomography / Meng-Lin Li, Jung-Taek Oh, Xie X ., Ku. G., Wei Wang, Chun Li, Lungu. G., Stoica. G., Wang, LV // Proceedings of the IEEE.-2008, Vol. 96, Is. 3, pp. 481 - 489. doi: 10.1109 / JPROC.2007.913515; Biomedical photoacoustic imaging / Paul Beard // Interface Focus.-2011, Vol. 1, pp. 602-631, doi: 10.1098 / rsfs.2011.0028).

Известно также устройство для конфокальной фотоакустической микроскопии (патент US 8,454,512 B2). Устройство содержит оптоакустическую ячейку (оптоакустический объектив), которая состоит из пьезоэлектрического преобразователя, многокомпонентной системы фокусировки лазерного излучения (включает высокоточную систему линз и призм или зеркал, микроотверстие, фотодетектор) в различных вариациях, звукопровода, акустической линзы. Роль звукопровода выполняет ромбоидальная призма со слоем силиконового масла на одной из граней для отражения акустического сигнала.A device for confocal photoacoustic microscopy is also known (patent US 8,454,512 B2). The device contains an optoacoustic cell (optoacoustic lens), which consists of a piezoelectric transducer, a multi-component system for focusing laser radiation (includes a high-precision system of lenses and prisms or mirrors, a micro-hole, a photodetector) in various variations, sound duct, acoustic lens. The role of the sound duct is performed by a rhomboid prism with a layer of silicone oil on one of the faces to reflect the acoustic signal.

Недостатками такого исполнения оптоакустического объектива являются:The disadvantages of this design of the optoacoustic lens are:

1) Сложность конструкции оптоакустического объектива.1) The complexity of the design of the optoacoustic lens.

2) Сложность изготовления оптоакустического объектива, в частности2) The complexity of manufacturing an optoacoustic lens, in particular

необходимость изготовления высокоточной и согласованной системы из линз, зеркал, призм или их сочетания для обеспечения фокусировки лазерного излучения.the need to manufacture a high-precision and consistent system of lenses, mirrors, prisms, or a combination thereof to ensure focusing of laser radiation.

3) Наличие переотражений акустического сигнала в звукопроводе. 3) The presence of reflections of the acoustic signal in the sound duct.

4) Применение ванны с иммерсионной жидкостью для акустического контакта между поверхностью образца и ультразвуковым датчиком ограничивает область применения рассматриваемого устройства при исследованиях образцов под углом к горизонту. Ванна с иммерсионной жидкостью ограничивает удобство использования. Например, для исследования биологических тканей у животных (мышей) необходимо погружение исследуемой области в ванну, что требует анестезии животного. Если рассматриваемая область находится в районе дыхательных путей, то и специальной системы подведения воздуха.4) The use of a bath with immersion liquid for acoustic contact between the surface of the sample and the ultrasonic sensor limits the scope of the device in question when examining samples at an angle to the horizontal. Immersion bathtubs limit usability. For example, to study biological tissues in animals (mice), it is necessary to immerse the test area in a bath, which requires anesthesia of the animal. If the area in question is located in the area of the respiratory tract, then a special air supply system.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является оптоакустический объектив, принятый за прототип (патент US 5,381,695). Устройство содержит: цилиндрический звукопровод, на одном торце которого выполнена акустическая линза, на поверхности которой или на другом торце звукопровода расположен акустический пьезопреобразователь. В центре звукопровода выполнен цилиндрический канал, в котором закреплено оптоволокно для подвода света в область исследования. На конце оптоволокна в центре акустической линзы закреплена оптическая линза, позволяющая фокусировать световое излучение на желаемом расстоянии. Closest to the claimed invention is an optoacoustic lens adopted for the prototype (US patent 5,381,695). The device comprises: a cylindrical sound duct, on one end of which an acoustic lens is made, on the surface of which or on the other end of the sound duct there is an acoustic piezoelectric transducer. A cylindrical channel is made in the center of the sound duct, in which an optical fiber is fixed for supplying light to the study area. An optical lens is fixed at the end of the optical fiber in the center of the acoustic lens, which allows focusing the light radiation at a desired distance.

Недостатками этого устройства являются: The disadvantages of this device are:

1) Необходимость использования ванны с иммерсионной жидкостью или применения специальных уплотнений во избежание утечки иммерсионной жидкости. Это ограничивает сферу применения данного решения.1) The need to use a bath with immersion fluid or the use of special seals to prevent leakage of immersion fluid. This limits the scope of this solution.

2) Невозможность перестройки глубины зондирования и области фокусировки лазерного излучения во время эксперимента. 2) The impossibility of tuning the depth of sounding and the focus area of the laser radiation during the experiment.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, являЕтся:The technical result, the achievement of which the invention is directed, is:

1) Расширение области применения за счет обеспечения подачи иммерсионной жидкости непосредственно к области сканирования через канал в звукопроводе оптоакустического объектива, что позволяет исследовать образцы под углом к горизонту, образцы со сложной геометрией, а также упрощает процесс исследования биологических тканей у животных (отпадает необходимость погружения исследуемой области животного в ванну и подведения специальной системы подачи воздуха).1) Expanding the scope of application by providing the immersion fluid directly to the scanning area through the channel in the optical duct of the optoacoustic lens, which allows you to study samples at an angle to the horizon, samples with complex geometry, and also simplifies the process of studying biological tissues in animals (there is no need to immerse the studied areas of the animal in the bath and the introduction of a special air supply system).

2) Упрощение конструкции, так как отпадает необходимость в применении ванны с иммерсионной жидкостью, уплотнителей.2) Simplification of the design, since there is no need to use a bath with immersion liquid, seals.

3) Расширение функциональных возможностей, что связано с возможностью изменять глубину зондирования и область фокусировки лазерного излучения во время исследования за счет простой системы фокусировки лазерного излучения (изменения расстояния между оптоволокном и оптической линзой), а также за счет изменения каустики акустической линзы посредством изменения фокусного расстояния коаксиального многоэлементного преобразователя.3) The expansion of functionality, which is associated with the ability to change the sounding depth and the focus area of the laser radiation during the study due to a simple laser focusing system (changing the distance between the optical fiber and the optical lens), as well as by changing the caustics of the acoustic lens by changing the focal length coaxial multi-element converter.

Указанный технический результат достигается тем, что оптоакустический объектив, содержащий звукопровод с кольцевым пьезоэлектрическим преобразователем на одном его торце, акустической линзой на другом его торце и сквозным цилиндрическим каналом в центральной части, оптоволокно, размещенное в цилиндрическом канале, согласно решению содержит переходное устройство, снабженное боковым штуцером для введения иммерсионной жидкости, один конец переходного устройства закреплен в канале со стороны пьезоэлектрического преобразователя, а второй конец переходного устройства снабжен уплотняющей втулкой для герметизации оптоволокна, причем диаметр канала и внутренний диаметр переходного устройства превышают диаметр оптоволокна на величину, обеспечивающую прохождение иммерсионной жидкости от штуцера к акустической линзе. В центре сферической акустической линзы закреплена оптическая линза, при этом между линзами выполнен зазор для подачи иммерсионной жидкости из цилиндрического канала. Кольцевой пьезоэлектрический преобразователь представляет собой коаксиальную многоэлементную структуру, элементы которой предназначены для соединения с приемником или источником электрического сигнала через отдельные фазовращатели. К звукопроводу прикреплено микроперемещающее устройство, к подвижной части которого прикреплено оптическое волокно, а втулка выполнена с возможностью продольного перемещения оптоволокна в ней.The indicated technical result is achieved in that the optoacoustic lens comprising a sound duct with a piezoelectric ring transducer at one end thereof, an acoustic lens at its other end and a through cylindrical channel in the central part, the optical fiber placed in the cylindrical channel, according to the solution, comprises an adapter device provided with a lateral fitting for the introduction of immersion fluid, one end of the adapter is fixed in the channel from the side of the piezoelectric transducer, and W swarm end of the adapter is provided with a sealing sleeve for sealing the optical fiber, wherein the channel diameter and the inner diameter of the adapter to exceed the diameter of the fiber value allowing the passage of the immersion fluid from the union to the acoustic lens. An optical lens is fixed in the center of the spherical acoustic lens, and a gap is made between the lenses for supplying the immersion fluid from the cylindrical channel. An annular piezoelectric transducer is a coaxial multi-element structure, the elements of which are designed to be connected to a receiver or an electric signal source through separate phase shifters. A microtransfer device is attached to the sound duct, an optical fiber is attached to the movable part thereof, and the sleeve is configured to longitudinally move the optical fiber therein.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематическое изображение оптоакустического объектива; на фиг. 2 - схематическое изображение оптоакустического объектива со стороны акустической линзы; фиг. 3 - схематическое изображение переходного устройства для одновременного введения оптоволокна и подведения иммерсионной жидкости; фиг. 4 - схематически изображено изменение фокусного расстояния оптической линзы при смещении положения оптоволокна в канале оптоакустического объектива; The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a schematic representation of an optoacoustic lens; in FIG. 2 is a schematic illustration of an optoacoustic lens on the side of an acoustic lens; FIG. 3 is a schematic illustration of a transition device for the simultaneous introduction of optical fiber and the supply of immersion fluid; FIG. 4 - schematically shows a change in the focal length of an optical lens with a shift in the position of the optical fiber in the channel of the optoacoustic lens;

Позициями на чертежах обозначены:The positions in the drawings indicate:

1 - звукопровод;1 - sound duct;

2 - канал;2 - channel;

3 - иммерсионная жидкость;3 - immersion fluid;

4 - оптоволокно;4 - optical fiber;

5 - источник иммерсионной жидкости;5 - source of immersion fluid;

6 - переходное устройство;6 - transition device;

7 - корпус переходного устройства с боковым штуцером;7 - the case of the transition device with a side fitting;

8 - уплотняющая втулка;8 - sealing sleeve;

9 - пластина ниобата лития; 9 - plate of lithium niobate;

10 - металлические электроды;10 - metal electrodes;

11 - оптическая линза;11 - an optical lens;

12 - крепление оптической линзы;12 - mount optical lens;

13 - исследуемая поверхность;13 - the investigated surface;

14 - микроперемещающее устройство.14 is a micro-moving device.

Оптоакустический объектив (фиг. 1) содержит звукопровод 1 (например, из диэлектрических монокристаллов: кварца, сплавов магния, иттрийалюминиевого граната, сапфира), представляющий собой, например, цилиндр, параллелепипед или конус. В центральной части звукопровода, вдоль его оси симметрии, выполнен цилиндрический канал 2, предназначенный для подведения иммерсионной жидкости 3 в область исследования. Также в канале размещено оптоволокно 4 для передачи оптического излучения. Диаметр цилиндрического канала в звукопроводе превышает диаметр оптоволокна на величину, обеспечивающую прохождение иммерсионной жидкости. Кроме того, зазор между оптоволокном и поверхностью цилиндрического канала в звукопроводе выполнен с возможностью соединения с источником иммерсионной жидкости 5 посредством применения переходного устройства 6. Переходное устройство (фиг. 3) снабжено боковым штуцером 7 для введения иммерсионной жидкости 3, один конец переходного устройства закреплен в цилиндрическом канале звукопровода, а второй конец переходного устройства снабжен уплотняющей втулкой 8 для герметизации оптоволокна 4, причем внутренний диаметр переходного устройства превышает диаметр оптоволокна на величину, обеспечивающую прохождение иммерсионной жидкости от бокового штуцера в цилиндрический канал 2 звукопровода. В качестве иммерсионной жидкости может применятся, например, вода, гель для ультразвукового исследования, касторовое масло и др. The optoacoustic lens (Fig. 1) contains a sound pipe 1 (for example, from dielectric single crystals: quartz, magnesium alloys, yttrium aluminum garnet, sapphire), which is, for example, a cylinder, parallelepiped or cone. In the central part of the sound duct, along its axis of symmetry, a cylindrical channel 2 is made, designed to bring the immersion fluid 3 into the study area. Also in the channel is placed optical fiber 4 for transmitting optical radiation. The diameter of the cylindrical channel in the sound duct exceeds the diameter of the optical fiber by an amount that ensures the passage of immersion fluid. In addition, the gap between the optical fiber and the surface of the cylindrical channel in the sound duct is configured to connect to the source of immersion fluid 5 by using a transition device 6. The transition device (Fig. 3) is provided with a side fitting 7 for introducing immersion fluid 3, one end of the transition device is fixed to a cylindrical channel of the sound duct, and the second end of the adapter is equipped with a sealing sleeve 8 for sealing the optical fiber 4, the inner diameter of the adapter being The diameter of the optical fiber is increased by an amount that ensures the passage of the immersion fluid from the side fitting into the cylindrical channel 2 of the sound duct. As an immersion liquid, for example, water, an ultrasound gel, castor oil, etc. can be used.

Одна из торцевых поверхностей звукопровода выполнена плоской нормально оси симметрии звукопровода. На этой поверхности расположен кольцевой пьезоэлектрический преобразователь и переходное устройство 6. Кольцевой пьезоэлектрический преобразователь может быть изготовлен из пластины сегнетоэлектрика или пьезоэлектрика, расположенной между металлическими электродами, например пластина 9 (например из ниобата лития (LiNbO3)), расположенная между двумя металлическими (например серебряных) электродами 10. Также, пьезоэлектрический преобразователь может представлять собой коаксиальную многоэлементную структуру, элементы которой соединены с источником электрического сигнала через отдельные фазовращатели.One of the end surfaces of the sound duct is made normal to the axis of symmetry of the sound duct. An annular piezoelectric transducer and an adapter 6 are located on this surface. An annular piezoelectric transducer can be made of a ferroelectric or piezoelectric plate located between metal electrodes, for example, plate 9 (for example, lithium niobate (LiNbO 3 )), located between two metal (for example, silver ) electrodes 10. Also, the piezoelectric transducer may be a coaxial multi-element structure, the elements of which are connected with an electric signal source through separate phase shifters.

Противоположный торец объектива (фиг. 2) выполнен в виде акустической (например, сферической) линзы, в центре которой находится отверстие цилиндрического канала (ось отверстия совпадает с осью симметрии кольцевого акустического преобразователя и акустической линзы) и оптическая линза 11 сферической симметрии (изготовлена из природных или синтетических материалов, прозрачных в соответствующем диапазоне оптического излучения, например из кварца). Между линзами предусмотрен зазор для подачи иммерсионной жидкости из цилиндрического канала. Оптическая линза крепится на звукопроводе, (например, в трех местах под углом 120°) 12 посредством применения клея или оправки. Изменение фокусировки оптического излучения на исследуемую поверхность 13 производится путем изменения расстояния между торцевой поверхностью оптоволокна 4 и оптической линзой 11. Световое излучение, выходящее из оптоволокна, имеет сферический фронт. В этой связи область фокусировки за оптической линзой зависит от расстояния между выходным торцом оптоволокна и оптической линзой. Положение оптоволокна изменяется посредством его перемещения в цилиндрическом канале звукопровода 2 при помощи микроперемещающего устройства 14, которое жестко связано с звукопроводом.The opposite end of the lens (Fig. 2) is made in the form of an acoustic (for example, spherical) lens, in the center of which there is a hole in a cylindrical channel (the axis of the hole coincides with the axis of symmetry of the ring acoustic transducer and acoustic lens) and an optical lens 11 of spherical symmetry (made from natural or synthetic materials that are transparent in the appropriate range of optical radiation, such as quartz). Between the lenses there is a gap for supplying immersion fluid from a cylindrical channel. The optical lens is mounted on the sound duct, (for example, in three places at an angle of 120 °) 12 through the use of glue or mandrel. Changing the focus of the optical radiation to the test surface 13 is made by changing the distance between the end surface of the optical fiber 4 and the optical lens 11. The light radiation emerging from the optical fiber has a spherical front. In this regard, the focusing area behind the optical lens depends on the distance between the output end of the optical fiber and the optical lens. The position of the optical fiber is changed by moving it in the cylindrical channel of the sound pipe 2 with the help of a micro-moving device 14, which is rigidly connected to the sound pipe.

Существенные признаки заявляемого изобретения: The essential features of the claimed invention:

1. Первым существенным признаком изобретения является то, что cо стороны плоского торца звукопровода расположено переходное устройство, имеющее на торцевом конце отверстие для введения оптоволокна и боковой штуцер для введения иммерсионной жидкости, причем диаметр канала и внутренний диаметр переходного устройства превышают диаметр оптоволокна на величину, обеспечивающую прохождение иммерсионной жидкости от штуцера к акустической линзе.1. The first essential feature of the invention is that on the side of the flat end of the sound duct there is a transition device having an opening for introducing optical fiber at the end end and a side fitting for introducing immersion liquid, the channel diameter and the inner diameter of the transition device exceeding the diameter of the optical fiber by an amount that provides the passage of immersion fluid from the nozzle to the acoustic lens.

2. Вторым отличительным признаком является то, что в центре сферической акустической линзы закреплена оптическая линза, при этом между линзами выполнен зазор для подачи иммерсионной жидкости из цилиндрического канала.2. The second distinguishing feature is that an optical lens is fixed in the center of the spherical acoustic lens, while a gap is made between the lenses for supplying the immersion fluid from the cylindrical channel.

3. Третьим отличительным признаком является то, что пьезоэлектрический преобразователь представляет собой коаксиальную многоэлементную (не менее двух колец) структуру, элементы которой соединены с приемником/источником электрического сигнала через отдельные фазовращатели. При этом коаксиально расположенные элементы преобразователя могут представлять собой обособленные кольцевые преобразователи, каждый из которых имеет собственный подслой (нижний электрод), надслой (верхний электрод) и пьезослой, расположенный между двумя электродами. В такой реализации каждый из элементов соединен с генератором через собственный фазовращатель посредством двухпроводной линии. В другой реализации все элементы имеют общий нижний электрод (подслой) и общий пьезослой, а каждый элемент имеет раздельные верхние электроды (надслои), так что все элементы соединены с генератором одним общим электродом (например, подслоем), а каждый элемент соединен с генератором через отдельный фазоваращатель посредством второго из подводящих энергию электродов (например, надслоя). Кроме того, отношения внешнего и внутреннего диаметров каждого кольца, а также зазора между кольцами, рассчитываются исходя из обеспечения: 1) условия фокусировки в заданной области исследуемого образца; 2) максимального отношения амплитуд нулевого и первого лепестков в диаграмме направленности преобразователя.3. The third distinguishing feature is that the piezoelectric transducer is a coaxial multi-element (at least two rings) structure, the elements of which are connected to the receiver / source of the electrical signal through separate phase shifters. In this case, the coaxially located elements of the transducer can be separate ring transducers, each of which has its own sublayer (lower electrode), a superlayer (upper electrode) and a piezoelectric layer located between two electrodes. In such an implementation, each of the elements is connected to the generator through its own phase shifter via a two-wire line. In another implementation, all elements have a common lower electrode (sublayer) and a common piezoelectric layer, and each element has separate upper electrodes (layers), so that all elements are connected to the generator by one common electrode (for example, a sublayer), and each element is connected to the generator through a separate phase extender by means of the second of the electrodes supplying energy (for example, a layer). In addition, the ratios of the outer and inner diameters of each ring, as well as the gap between the rings, are calculated on the basis of ensuring: 1) the conditions of focusing in a given region of the test sample; 2) the maximum ratio of the amplitudes of the zero and first lobes in the radiation pattern of the converter.

4. Четвертым отличительным признаком является то, что к звукопроводу прикреплено микроперемещающее устройство, к подвижной части которого прикреплено оптическое волокно, а втулка переходного устройства выполнена с возможностью продольного перемещения оптоволокна в ней. Наличие микроперемещающего устройства позволяет производить настройку «на фокус» оптического излучения, подводимого с помощью оптического волокна.4. The fourth distinguishing feature is that a micromoving device is attached to the sound duct, an optical fiber is attached to the moving part thereof, and the adapter sleeve is capable of longitudinally moving the optical fiber in it. The presence of a micro-moving device allows tuning to the focus of the optical radiation supplied by the optical fiber.

Оптоакустический объектив работает следующим образом.Optoacoustic lens works as follows.

В область фокуса оптоакустического объектива помещают исследуемый объект. Для обеспечения акустического контакта между образцом и оптоакустическим объективом подают иммерсионную жидкость, через переходное устройство и цилиндрический канал в оптоакустическом объективе. Через входной конец оптоволокна подают импульсное лазерное излучение. Лазерный свет, проходя по оптоволокну, падает на оптическую линзу, которая фокусирует излучение на исследуемый объект. Изменение фокусировки излучения (фиг. 4) достигается изменением расстояния между выходным концом оптоволокна, где оптическое излучение имеет определенную расходимость, и оптической линзой. Энергия лазерного излучения поглощается материалом образца (неоднородностью в исследуемом образце), вызывая при этом локальное нагревание и расширение образца (термоупругий эффект) с длительностью, пропорциональной длительности импульса лазерного излучения. Это локальное расширение возбуждает, в свою очередь, импульсную акустическую волну. Акустический импульс распространяется в исследуемом объекте и отражается от границ раздела сред. Сферические акустические волны, распространяясь через иммерсионную жидкость, попадают на поверхность акустической линзы, где преобразуются в плоские волны, распространяющиеся по звукопроводу до пьезоэлектрического преобразователя, который трансформирует акустический сигнал в электромагнитный. Объектив перемещается по двум координатам в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного пучка с помощью системы сканирования.The studied object is placed in the focus area of the optoacoustic lens. To ensure acoustic contact between the sample and the optoacoustic lens, an immersion liquid is supplied through an adapter and a cylindrical channel in the optoacoustic lens. Pulse laser radiation is supplied through the input end of the optical fiber. Laser light passing through the optical fiber, incident on the optical lens, which focuses the radiation on the studied object. A change in the focusing of radiation (Fig. 4) is achieved by changing the distance between the output end of the optical fiber, where the optical radiation has a certain divergence, and the optical lens. The laser radiation energy is absorbed by the sample material (inhomogeneity in the sample under study), causing local heating and expansion of the sample (thermoelastic effect) with a duration proportional to the laser pulse duration. This local expansion, in turn, excites a pulsed acoustic wave. An acoustic impulse propagates in the studied object and is reflected from the interfaces. Spherical acoustic waves, propagating through the immersion liquid, fall on the surface of the acoustic lens, where they are converted into plane waves propagating through the sound pipe to the piezoelectric transducer, which transforms the acoustic signal into an electromagnetic one. The lens moves in two coordinates in a plane perpendicular to the direction of propagation of the laser beam using a scanning system.

После обработки принятого акустического сигнала в блоке визуализации получаем изображение исследуемого объекта.After processing the received acoustic signal in the visualization unit, we obtain an image of the object under study.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата. Оптоакустический объектив содержит кварцевый звукопровод, представляющий собой цилиндр, высотой 20 мм и диаметром 10 мм. В звукопроводе коаксиально выполнен цилиндрический канал диаметром ~0,8 мм. В канале размещено оптоволокно с диаметром центральной кварцевой жилы 50 мкм. Одна из торцевых поверхностей звукопровода выполнена плоской нормально оси звукопровода. На этой поверхности расположен кольцевой пьезоэлектрический преобразователь, представляющий собой пластину из ниобата лития (LiNbO3), размещенную между двумя серебряными электродами, один из которых служит связующим слоем между звукопроводом и пьезоэлектриком. Противоположный торец объектива выполнен в виде сферической акустической линзы с радиусом 11 мм. В центре акустической линзы находится отверстие цилиндрического канала и оптическая линза из кварца в виде сферы с диаметром ~0,6 мм. Зазор между линзами составляет ~0,2 мм. Оптическая линза закреплена на звукопроводе посредством применения клея. Иммерсионную жидкость (воду) подают в зазор между оптоволокном и стенкой канала в звукопроводе через переходное устройство, имеющее на торцевом конце уплотняющую втулку для введения оптоволокна и боковой штуцер для введения иммерсионной жидкости.The present invention is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result. The optoacoustic lens contains a quartz sound duct, which is a cylinder, 20 mm high and 10 mm in diameter. A cylindrical channel with a diameter of ~ 0.8 mm is coaxially made in the sound duct. The channel contains optical fiber with a diameter of the central quartz core of 50 μm. One of the end surfaces of the sound duct is made normal to the axis of the sound duct. An annular piezoelectric transducer is located on this surface, which is a plate of lithium niobate (LiNbO 3 ) placed between two silver electrodes, one of which serves as a bonding layer between the sound duct and the piezoelectric. The opposite end of the lens is made in the form of a spherical acoustic lens with a radius of 11 mm. In the center of the acoustic lens there is an opening of a cylindrical channel and an optical lens made of quartz in the form of a sphere with a diameter of ~ 0.6 mm. The gap between the lenses is ~ 0.2 mm. The optical lens is fixed to the sound duct through the use of glue. The immersion liquid (water) is fed into the gap between the optical fiber and the channel wall in the sound duct through a transition device having a sealing sleeve at the end end for introducing the optical fiber and a side fitting for introducing the immersion liquid.

Предлагаемое конструктивное решение оптоакустического объектива не исключает использование оптоакустического объектива без оптической линзы или только с подачей иммерсионной жидкости.The proposed design solution of the optoacoustic lens does not exclude the use of the optoacoustic lens without an optical lens or only with the supply of immersion liquid.

Claims (4)

1 . Оптоакустический объектив, содержащий звукопровод с кольцевым пьезоэлектрическим преобразователем на одном его торце, акустической линзой на другом его торце и сквозным цилиндрическим каналом в центральной части, оптоволокно, размещенное в цилиндрическом канале, отличающийся тем, что содержит переходное устройство, снабженное боковым штуцером для введения иммерсионной жидкости, один конец переходного устройства закреплен в канале со стороны пьезоэлектрического преобразователя, а второй конец переходного устройства снабжен уплотняющей втулкой для герметизации оптоволокна, причем диаметр канала и внутренний диаметр переходного устройства превышают диаметр оптоволокна на величину, обеспечивающую прохождение иммерсионной жидкости от штуцера к акустической линзе.one . An optoacoustic lens comprising a sound duct with an annular piezoelectric transducer at one end thereof, an acoustic lens at its other end and a through cylindrical channel in the central part, an optical fiber located in a cylindrical channel, characterized in that it comprises an adapter equipped with a lateral fitting for introducing an immersion liquid , one end of the adapter is fixed in the channel from the side of the piezoelectric transducer, and the other end of the adapter is provided with a seal guide bushing for sealing optical fiber, wherein the channel diameter and the inner diameter of the adapter to exceed the diameter of the fiber value allowing the passage of the immersion fluid from the union to the acoustic lens. 2. Оптоакустический объектив по п. 1, отличающийся тем, что в центре сферической акустической линзы закреплена оптическая линза, при этом между линзами выполнен зазор для подачи иммерсионной жидкости из цилиндрического канала.2. The optoacoustic lens according to claim 1, characterized in that an optical lens is fixed in the center of the spherical acoustic lens, and a gap is made between the lenses for supplying the immersion fluid from the cylindrical channel. 3. Оптоакустический объектив по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой пьезоэлектрический преобразователь представляет собой коаксиальную многоэлементную структуру, элементы которой предназначены для соединения с приемником или источником электрического сигнала через отдельные фазовращатели.3. The optoacoustic lens according to claim 1, characterized in that the annular piezoelectric transducer is a coaxial multi-element structure, the elements of which are designed to connect to a receiver or source of an electric signal through separate phase shifters. 4. Оптоакустический объектив по п.1, отличающийся тем, что к звукопроводу прикреплено микроперемещающее устройство, к подвижной части которого прикреплено оптическое волокно, а втулка выполнена с возможностью продольного перемещения оптоволокна в ней. 4. The optoacoustic lens according to claim 1, characterized in that a micromoving device is attached to the sound duct, an optical fiber is attached to the movable part thereof, and the sleeve is configured to longitudinally move the optical fiber therein.
RU2015111328/28A 2015-03-30 2015-03-30 Optoacoustic lens RU2603819C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015111328/28A RU2603819C2 (en) 2015-03-30 2015-03-30 Optoacoustic lens

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015111328/28A RU2603819C2 (en) 2015-03-30 2015-03-30 Optoacoustic lens

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015111328A RU2015111328A (en) 2016-10-20
RU2603819C2 true RU2603819C2 (en) 2016-11-27

Family

ID=57138318

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015111328/28A RU2603819C2 (en) 2015-03-30 2015-03-30 Optoacoustic lens

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2603819C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5381695A (en) * 1987-11-27 1995-01-17 British Technology Group Ltd. Apparatus for investigating a sample with ultrasound
RU2214590C2 (en) * 2001-12-26 2003-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Procedure establishing physical and mechanical characteristics of polymer composite materials and device for its implementation
WO2013096734A1 (en) * 2011-12-22 2013-06-27 University Of Pittsburgh - Of The Commonwealth System Of Higher Education Method and apparatus to enhance light illuminating intensity and diffusivity
KR20140136305A (en) * 2013-05-20 2014-11-28 삼성메디슨 주식회사 Photoacoustic bracket, photoacoustic probe assembly and photoacoustic image apparatus having the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5381695A (en) * 1987-11-27 1995-01-17 British Technology Group Ltd. Apparatus for investigating a sample with ultrasound
RU2214590C2 (en) * 2001-12-26 2003-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Procedure establishing physical and mechanical characteristics of polymer composite materials and device for its implementation
WO2013096734A1 (en) * 2011-12-22 2013-06-27 University Of Pittsburgh - Of The Commonwealth System Of Higher Education Method and apparatus to enhance light illuminating intensity and diffusivity
KR20140136305A (en) * 2013-05-20 2014-11-28 삼성메디슨 주식회사 Photoacoustic bracket, photoacoustic probe assembly and photoacoustic image apparatus having the same

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015111328A (en) 2016-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen Review of laser-generated ultrasound transmitters and their applications to all-optical ultrasound transducers and imaging
CN103637819B (en) Sound, light are total to the rectum optoacoustic endoscopy lens device of rotation sweep
EP2742854B1 (en) Handheld device and method for tomographic optoacoustic imaging of an object
US11435322B2 (en) Objective optical system and photoacoustic imaging device
CN104619260B (en) Optoacoustic measuring device and optoacoustic measuring device probe
WO2011091423A2 (en) Ultrasonic/photoacoustic imaging devices and methods
CN102854142A (en) Optical resolution type photoacoustic microscope based on optical beam scanning
JP2013208423A (en) Acoustic wave detection probe and photoacoustic measurement device
CN105903667A (en) Dual-frequency hollow focused ultrasonic detector
Cao et al. Multispectral photoacoustic microscopy based on an optical–acoustic objective
CN103054558A (en) Integrated handheld opto-acoustic microscope imaging probe
US20160143542A1 (en) Minimally Invasive Optical Photoacoustic Endoscopy with a Single Waveguide for Light and Sound
Shi et al. In vivo dynamic process imaging using real-time optical-resolution photoacoustic microscopy
Thompson et al. Laser-induced ultrasound transmitters for large-volume ultrasound tomography
US10349835B2 (en) Optical switching unit, optical probe including the same, and medical imaging apparatus including optical probe
Osman et al. A novel matching layer design for improving the performance of transparent ultrasound transducers
RU2603819C2 (en) Optoacoustic lens
Park et al. Seamlessly integrated optical and acoustical imaging systems through transparent ultrasonic transducer
CN111134591B (en) Photoacoustic microscopic imaging pen and imaging method
KR20190116805A (en) Probe for photoacostic endoscopy and Photoacostic endoscopy system
JP2012163526A (en) Measuring apparatus
Chen et al. Photoacoustic endoscopy using polymer microring resonators
Deng et al. Acoustically penetrable optical reflector for photoacoustic tomography
CN113598710A (en) Optoacoustic endoscopic device
Bost et al. High frequency optoacoustic microscopy