專利名稱：基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光聲顯微成像技術(shù)，特別是涉及一種基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡。
背景技術(shù)：
光聲成像是利用短脈沖激光作為激發(fā)源，通過(guò)使用超聲換能器探測(cè)不同的組織對(duì)光吸收不均勻所產(chǎn)生的不同的超聲信號(hào)，具有分辨率高、對(duì)比度高、無(wú)損傷、無(wú)電離效應(yīng)等特點(diǎn)，也具有超聲成像探測(cè)深度較深和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。其中，光學(xué)分辨式光聲顯微成像是一種新近發(fā)展起來(lái)的影像技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)幾百微米到幾十納米級(jí)別的高分辨率探測(cè)影像，并且具有高光學(xué)對(duì)比度、無(wú)放射性損傷、使用安全便捷等優(yōu)點(diǎn)，其橫向分辨率主要決定于入射激光的聚焦焦點(diǎn)尺寸，而與傳感器的接收主頻無(wú)關(guān)，焦點(diǎn)直徑越小則分辨率越高，理論上可接近于近光學(xué)衍射極限(或限制點(diǎn))，且其成像 深度主要由被測(cè)樣品的光學(xué)散射系數(shù)決定。而最先被開發(fā)出來(lái)的聲學(xué)分辨式光聲顯微成像的橫向分辨率主要決定于聚焦超聲傳感器的主頻，頻率越高則分辨率越高，一般在幾百微米到幾個(gè)微米之間。但由于超高頻成分的超聲衰減越快，所以其成像深度被嚴(yán)重的制約了。2011年Hajireza等報(bào)道了采用二維激光振鏡掃描背向接收模式的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡(P. Hajireza, ff. Shi, and R. J. Zemp, “Label-free in vivo fiber-basedoptical-resolution photoacoustic microscopy,，，Opt. Lett. 36(20)，4107-4109，
2011);2012年Yuan等報(bào)道了米用二維激光振鏡掃描的光學(xué)分辨式前向光聲顯微鏡(Y.Yuan, Si Yang and D. Xing, “Optical-resolution photoacoustic microscopy basedon two-dimensional scanning galvanometer, ” AppI. Phys. Lett. 100, 023702,
2012)。以上報(bào)道都采用了激光振鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)光束掃描來(lái)代替機(jī)械掃描的方式以達(dá)到快速成像，但都采用較大功率的固體激光器作為光聲激發(fā)源，而該類激光器通常擁有體積大、價(jià)格高、維護(hù)難等眾多缺點(diǎn)，且難于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和便攜式設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中顯然存在相當(dāng)大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于光束掃描的便攜式光聲顯微鏡，它將小型、快速、易維護(hù)的多維激光振鏡與激光二極管相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)便攜式的快速光聲顯微成像系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，它包括激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、多維激光振鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、耦合液盒、超聲耦合液、薄膜、外殼、升降臺(tái)、超聲傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、計(jì)算機(jī)、振鏡驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路、驅(qū)動(dòng)電源電路；所述激光二極管發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡和多維激光振鏡后再由高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡聚焦成直徑在幾十微米到幾十納米之間的焦點(diǎn)，然后穿過(guò)直角棱鏡、耦合液盒、薄膜后聚焦焦點(diǎn)照射在被測(cè)樣品上激發(fā)出光聲信號(hào)；所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)多維激光振鏡偏轉(zhuǎn)使激光焦點(diǎn)在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場(chǎng)；光聲信號(hào)穿過(guò)薄膜后，通過(guò)超聲耦合液耦合并由直角棱鏡的斜邊反射到超聲傳感器而被接收，然后依次經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路后被輸入到計(jì)算機(jī)，再通過(guò)圖像重建即可實(shí)現(xiàn)多維的光聲顯微成像，其顯微成像的橫向分辨率只決定于激光聚焦的焦點(diǎn)直徑。所述激光二極管、驅(qū)動(dòng)電源電路、時(shí)鐘電路依次導(dǎo)線連接；所述時(shí)鐘電路與計(jì)算機(jī)導(dǎo)線連接；所述超聲傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、計(jì)算機(jī)依次導(dǎo)線連接；所述多維激光振鏡、振鏡驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)依次導(dǎo)線連接；所述直角棱鏡的斜邊與內(nèi)部充滿有超聲耦合液的耦合液盒緊貼；所述耦合液盒與超聲傳感器緊貼；所述耦合液盒與外殼的下端開口重合，并通過(guò)薄膜一起被密封；所述薄膜緊貼于升降臺(tái)上所載的樣品；所述激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、多維激光振鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、稱合液盒、超聲傳感器被安置于外殼內(nèi)。根據(jù)阿貝衍射理論，所述光聲顯微鏡的理論橫向分辨率R為O. 51 λ / NA,即激光聚焦焦點(diǎn)的半極大全寬度直徑，其中λ為激光的波長(zhǎng)，NA為聚焦透鏡的數(shù)值孔徑。
所述超聲傳感器為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環(huán)陣或面陣探頭。所述激光二極管的輻射波長(zhǎng)為紫外至紅外范圍里一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)。所述多維激光振鏡為二維或三維掃描的激光振鏡系統(tǒng)。所述準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡可分別由一塊或多塊透鏡組合而成。所述耦合液盒由透光材料制作而成。本發(fā)明的有益效果是
(I)本發(fā)明采用激光二極管作為光聲激發(fā)源，具有體積小、價(jià)格低、易維護(hù)、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(2)通過(guò)對(duì)激光二極管產(chǎn)生的激光束進(jìn)行聚焦，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)分辨式光聲顯微成像，相對(duì)于聲學(xué)分辨式光聲顯微成像具有分辨率高、成像深度大、信號(hào)后處理電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。(3)由于采用二維或三維的激光振鏡，通常掃描速度不低于3ΚΗζ (即300X300掃描點(diǎn)只需30秒)，掃描速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的傳感器由步進(jìn)電機(jī)控制做圓周和線性機(jī)械掃描，有效的提高了系統(tǒng)的掃描精度、實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。(4)由于激光二極管與超聲傳感器為背向模式結(jié)構(gòu),將光聲的激發(fā)與傳感實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)，有效提高了系統(tǒng)緊湊性、穩(wěn)定性和實(shí)用性，可廣泛應(yīng)用于材料檢測(cè)、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域。


圖I為實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作具體說(shuō)明
實(shí)施例I 本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖I所示，各元件的名稱為1.激光二極管、2.準(zhǔn)直透鏡、3.多維激光振鏡、4.聚焦透鏡、5.直角棱鏡、6.耦合液盒、7.超聲耦合液、8.薄膜、
9.外殼、10.升降臺(tái)、11.超聲傳感器、12.信號(hào)預(yù)處理電路、13.數(shù)據(jù)采集電路、14.計(jì)算機(jī)、15.振鏡驅(qū)動(dòng)電路、16.時(shí)鐘電路、17.驅(qū)動(dòng)電源電路。
其中激光二極管I選用脈沖的半導(dǎo)體激光二極管(PFAS1S12，PerkinElmer)，工作波長(zhǎng)為850nm，單脈沖能量約為3. 9uJ ;超聲傳感器11為中空結(jié)構(gòu)的256陣元面陣列探頭(5M16*16-1. 0*1. 0，廣州多浦樂(lè)電子科技有限公司)，其中心頻率為5. 0MHz，有效孔徑為16mm,外殼型號(hào)為B16 ;聚焦透鏡4采用數(shù)值孔徑高達(dá)O. 62的非球面透鏡，其有效的聚焦長(zhǎng)度EFL為6. 75mm,工作距離D為4. 27_。本實(shí)例包括激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、多維激光振鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、耦合液盒、超聲耦合液、薄膜、外殼、升降臺(tái)、超聲傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、計(jì)算機(jī)、振鏡驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路、驅(qū)動(dòng)電源電路；所述激光二極管發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡和多維激光振鏡后再由高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡聚焦成直徑在幾十微米到幾十納米之間的焦點(diǎn)，然后穿過(guò)直角棱鏡、耦合液盒、薄膜后聚焦焦點(diǎn)照射在被測(cè)樣品上激發(fā)出光聲信號(hào)；所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)多維激光振鏡偏轉(zhuǎn)使激光焦點(diǎn)在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場(chǎng)；光聲信號(hào)穿過(guò)薄膜后，通過(guò)超聲耦合液耦合并由直角棱鏡的斜邊反射到超聲傳感器而被接收，然后依次經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路后被輸入到計(jì)算機(jī)，再通過(guò)圖像重建即可實(shí)現(xiàn)多維的光聲顯微成像，其顯微成像的橫向分辨率只決定于激光聚焦的焦點(diǎn)直徑。 所述激光二極管、驅(qū)動(dòng)電源電路、時(shí)鐘電路依次導(dǎo)線連接；所述時(shí)鐘電路與計(jì)算機(jī)導(dǎo)線連接；所述超聲傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、計(jì)算機(jī)依次導(dǎo)線連接；所述多維激光振鏡、振鏡驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)依次導(dǎo)線連接；所述直角棱鏡的斜邊與內(nèi)部充滿有超聲耦合液的耦合液盒緊貼；所述耦合液盒與超聲傳感器緊貼；所述耦合液盒與外殼的下端開口重合，并通過(guò)薄膜一起被密封；所述薄膜緊貼于升降臺(tái)上所載的樣品；所述激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、多維激光振鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、稱合液盒、超聲傳感器被安置于外殼內(nèi)。根據(jù)阿貝衍射理論，所述光聲顯微鏡的理論橫向分辨率R為O. 51 λ / NA,即激光聚焦焦點(diǎn)的半極大全寬度直徑，其中λ為激光的波長(zhǎng)，NA為聚焦透鏡的數(shù)值孔徑。所述超聲傳感器為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環(huán)陣或面陣探頭。所述激光二極管的輻射波長(zhǎng)為紫外至紅外范圍里一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)。所述多維激光振鏡為二維或三維掃描的激光振鏡系統(tǒng)。所述準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡可分別由一塊或多塊透鏡組合而成。所述耦合液盒由透光材料制作而成。本實(shí)施例具體操作步驟為
1)半導(dǎo)體激光二極管發(fā)射的脈沖激光由準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，再經(jīng)多維激光振鏡和聚焦透鏡聚焦到幾百納米直徑的焦點(diǎn)，穿過(guò)直角棱鏡、耦合液盒、薄膜后照射在被測(cè)樣品上被激發(fā)出光聲信號(hào)；
2)光聲信號(hào)穿過(guò)薄膜后，通過(guò)超聲耦合液耦合并由直角棱鏡的斜邊反射到超聲傳感器而被接收，經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路后由數(shù)據(jù)采集電路輸送到計(jì)算機(jī)做后續(xù)處理；
3)計(jì)算機(jī)通過(guò)振鏡驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)多維激光振鏡偏轉(zhuǎn)使激光焦點(diǎn)在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場(chǎng)，同時(shí)重復(fù)步驟2接收每次掃描的光聲信號(hào)；
4 )通過(guò)圖像重建程序處理采集到的光聲信號(hào)可實(shí)現(xiàn)多維的光聲顯微成像。由于每次掃描中超聲陣列傳感器的振兀一共可接收到256個(gè)光聲信號(hào),故可優(yōu)選滿足一定條件的光聲信號(hào)來(lái)重建多維光聲圖像(如可選擇幅值最大、渡越時(shí)間最短或振鈴效應(yīng)最小等條件的光聲信號(hào))，以實(shí)現(xiàn)最佳的成像質(zhì)量。實(shí)施例2 —種基于光束 掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，與實(shí)施例I結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于超聲傳感器11采用廣州多浦樂(lè)電子科技有限公司生產(chǎn)的中空結(jié)構(gòu)的單元斜探頭(5· 0P9X9K1)，其中心頻率為5. 0MHz，尺寸為9 mmX9 mm，外接口采用Q9 (BNC)接□。
權(quán)利要求
1.一種基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于包括激光二極管(I)、準(zhǔn)直透鏡(2 )、多維激光振鏡(3 )、聚焦透鏡(4 )、直角棱鏡(5 )、耦合液盒(6 )、超聲耦合液(7)、薄膜(8)、外殼(9)、升降臺(tái)(10)、超聲傳感器(11)、信號(hào)預(yù)處理電路(12)、數(shù)據(jù)采集電路(13)、計(jì)算機(jī)(14)、振鏡驅(qū)動(dòng)電路(15)、時(shí)鐘電路(16)、驅(qū)動(dòng)電源電路(17);所述激光二極管(I)、驅(qū)動(dòng)電源電路(17)、時(shí)鐘電路(16)依次導(dǎo)線連接；所述時(shí)鐘電路(16)與計(jì)算機(jī)(14)導(dǎo)線連接；所述超聲傳感器(11)、信號(hào)預(yù)處理電路(12)、數(shù)據(jù)采集電路(13)、計(jì)算機(jī)(14)依次導(dǎo)線連接；所述多維激光振鏡(3)、振鏡驅(qū)動(dòng)電路(15)、計(jì)算機(jī)(14)依次導(dǎo)線連接；所述直角棱鏡(5)的斜邊與內(nèi)部充滿有超聲耦合液(7)的耦合液盒(6)緊貼；所述耦合液盒(6)與超聲傳感器(11)緊貼；所述耦合液盒(6)與外殼(9)的下端開ロ重合，并通過(guò)薄膜(8) —起被密封；所述薄膜(8)緊貼于升降臺(tái)(10)上所載的樣品；所述激光二極管(I)、準(zhǔn)直透鏡(2 )、多維激光振鏡(3 )、聚焦透鏡(4 )、直角棱鏡(5 )、耦合液盒(6 )、超聲傳感器(11)被安置于外殼(9)內(nèi)；所述激光二極管(I)發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(2)和多維激光振鏡(3)后再由高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡(4)聚焦成直徑在幾十微米到幾十納米之間的焦點(diǎn)，然后穿過(guò)直角棱鏡(5)、耦合液盒(6)、薄膜(8)后聚焦焦點(diǎn)照射在被測(cè)樣品上激發(fā)出光聲信號(hào)；所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路(15)驅(qū)動(dòng)多維激光振鏡(3)偏轉(zhuǎn)使激光焦點(diǎn)在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場(chǎng)；光聲信號(hào)穿過(guò)薄膜(8)后，通過(guò)超聲耦合液(7)耦合并由直角棱鏡(5)的斜邊反射到超聲傳感器(11)而被接收，然后依次經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路(12)、數(shù)據(jù)采集電路(13)后被輸入到計(jì)算機(jī)(14)，再通過(guò)圖像重建即可實(shí)現(xiàn)多維的光聲顯微成像，其顯微成像的橫向分辨率只決定于激光聚焦的焦點(diǎn)直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于根據(jù)阿貝衍射理論，所述光聲顯微鏡的理論橫向分辨率R為O. 51 λ / NA，即激光聚焦焦點(diǎn)的半極大全寬度直徑，其中λ為激光的波長(zhǎng)，NA為聚焦透鏡(4)的數(shù)值孔徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于所述超聲傳感器(11)為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環(huán)陣或面陣探頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于所述激光二極管(I)的輻射波長(zhǎng)為紫外至紅外范圍里ー個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng) 根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于所述多維激光振鏡(3)為ニ維或三維掃描的激光振鏡系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于所述準(zhǔn)直透鏡(2)和聚焦透鏡(4)可分別由ー塊或多塊透鏡組合而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于所述率禹合液盒(6)由透光材料制作而成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于光束掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，包括激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、多維激光振鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、耦合液盒、超聲耦合液、薄膜、外殼、升降臺(tái)、超聲傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、計(jì)算機(jī)、振鏡驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路、驅(qū)動(dòng)電源電路。它將小型、便宜、易維護(hù)的激光二極管應(yīng)用到光學(xué)分辨的前向光聲顯微激發(fā)領(lǐng)域，并采用激光振鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)光束掃描來(lái)代替機(jī)械掃描的方式以達(dá)到快速成像，具有體積便攜、分辨率高、成像速度快等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于材料檢測(cè)、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域的光聲顯微成像。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102854142SQ20121030869
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者曾呂明, 楊迪武, 紀(jì)軒榮 申請(qǐng)人:曾呂明