CN102854144A - 基于激光二极管的便携式背向光声显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于激光二极管的便携式背向光声显微镜，包括激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、直角棱镜、耦合液盒、超声耦合液、薄膜、外壳、升降台、三维电动平移台、超声传感器、电机驱动电路、计算机、数据采集电路、信号预处理电路、时钟电路、驱动电源电路。它将小型、便宜、易维护的激光二极管应用到光学分辨的背向光声显微激发领域，并与超声传感器实现一体化设计，具有体积便携、分辨率高、成像深度大、信号后处理电路简单等优点，可广泛应用于材料检测、工业探伤、医学影像等领域的光声显微成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种光声显微成像技术，特别是涉及一种基于激光二极管的便携式背向光声显微镜。
背景技术
光声显微成像是一种新近发展起来的影像技术，可实现几百微米到几十纳米级别的高分辨率探测影像，并且具有高光学对比度、无放射性损伤、使用安全便捷等优点，依据分辨率的决定因素，其可分为声学分辨和光学分辨模式。声学分辨模式的光声显微成像技术是最先被开发出来的，其横向分辨率主要决定于聚焦超声传感器的主频，频率越高则分辨率越高，一般在几百微米到几个微米之间。但由于超高频成分的超声衰减越快，所以其成像深度被严重的制约了。尤其是光学分辨模式的光声显微成像技术，其横向分辨率主要决定于入射激光的聚焦焦点尺寸，而与传感器的接收主频无关，焦点直径越小则分辨率越高，理论上可接近于近光学衍射极限（或限制点），且其成像深度主要由被测样品的光学散射系数决定。
2011年Wang等报道了采用快速扫描背向接收模式的光学分辨式光声显微镜（L. Wang, K. Maslov, J. Yao, B. Rao and L. V. Wang, “Fast voice-coil scanning optical-resolution photoacoustic microscopy,” Opt. Lett. 36(2), 139-141, 2011）；2012年Yuan等报道了采用二维激光振镜扫描的光学分辨式前向光声显微镜（Y. Yuan, S. Yang and D. Xing, “Optical-resolution photoacoustic microscopy based on two-dimensional scanning galvanometer,” Appl. Phys. Lett. 100, 023702, 2012），但以上技术都采用较大功率的固体激光器作为光声激发源，而该类激光器通常拥有体积大、价格高、维护难等众多缺点，且难于实现***的小型化和便携式设计，在实际应用中显然存在相当大的局限性。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于激光二极管的便携式光声显微镜，它将小型、便宜、易维护的激光二极管应用到光声显微激发领域，可实现便携式的背向光声显微成像***。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于激光二极管的便携式背向光声显微镜，它包括激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、直角棱镜、耦合液盒、超声耦合液、薄膜、外壳、升降台、三维电动平移台、超声传感器、电机驱动电路、计算机、数据采集电路、信号预处理电路、时钟电路、驱动电源电路；所述激光二极管发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜准直后再由高数值孔径的聚焦透镜聚焦成直径在几十微米到几十纳米之间的焦点，然后穿过直角棱镜、耦合液盒、薄膜后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；所述电机驱动电路驱动三维电动平移台通过带动外壳使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；光声信号穿过薄膜后，通过超声耦合液耦合并由直角棱镜的斜边反射到超声传感器而被接收，然后依次经过信号预处理电路、数据采集电路后被输入到计算机，再通过图像重建即可实现多维的光声显微成像，其显微成像的横向分辨率只决定于激光聚焦的焦点直径。
所述激光二极管、驱动电源电路、时钟电路依次导线连接；所述时钟电路与数据采集电路导线连接；所述超声传感器、信号预处理电路、数据采集电路、计算机依次导线连接；所述三维电动平移台、电机驱动电路、计算机依次导线连接；所述外壳与三维电动平移台机械连接；所述直角棱镜的斜边与内部充满有超声耦合液的耦合液盒紧贴；所述耦合液盒与超声传感器紧贴；所述耦合液盒与外壳的下端开口重合，并通过薄膜一起被密封；所述薄膜紧贴于升降台上所载的样品；所述激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、直角棱镜、耦合液盒、超声传感器被安置于外壳内。
根据阿贝衍射理论，所述光声显微镜的理论横向分辨率R为0.51λ／NA，即激光聚焦焦点的半极大全宽度直径，其中λ为激光的波长，NA为聚焦透镜的数值孔径。
所述超声传感器为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头。
所述激光二极管的辐射波长为紫外至红外范围里一个或多个波长。
所述准直透镜和聚焦透镜可分别由一块或多块透镜组合而成。
所述耦合液盒由透光材料制作而成。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用激光二极管作为光声激发源，具有体积小、价格低、易维护、高稳定性等优点，可实现***的便携式结构设计。
（2）通过对激光二极管产生的激光束进行聚焦，实现了光学分辨式光声显微成像，相对于声学分辨式光声显微成像具有分辨率高、成像深度大、信号后处理电路简单等优点。
（3）由于激光二极管与超声传感器为背向模式结构，将光声的激发与传感实现了一体化设计，有效提高了***紧凑性、稳定性和实用性，可广泛应用于材料检测、工业探伤、医学影像等领域。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作具体说明：
实施例1 本实施例的结构如图1所示，各元件的名称为：1. 激光二极管、2. 准直透镜、3. 聚焦透镜、4. 直角棱镜、5.耦合液盒、6.超声耦合液、7.薄膜、8.外壳、9.升降台、10.三维电动平移台、11.超声传感器、12. 电机驱动电路、13. 计算机、14. 数据采集电路、15. 信号预处理电路、16. 时钟电路、17. 驱动电源电路。
其中激光二极管1选用脉冲的半导体激光二极管（PFAS1S12, PerkinElmer），工作波长为850nm，单脉冲能量约为3.9uJ；超声传感器11为中空结构的256阵元面阵列探头（5M16*16-1.0*1.0，广州多浦乐电子科技有限公司），其中心频率为5.0MHz，有效孔径为16mm，外壳型号为B16；聚焦透镜3采用数值孔径高达0.62的非球面透镜，其有效的聚焦长度EFL为6.75mm，工作距离D为4.27mm。
本实例包括激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、直角棱镜、耦合液盒、超声耦合液、薄膜、外壳、升降台、三维电动平移台、超声传感器、电机驱动电路、计算机、数据采集电路、信号预处理电路、时钟电路、驱动电源电路；所述激光二极管发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜准直后再由高数值孔径的聚焦透镜聚焦成直径在几十微米到几十纳米之间的焦点，然后穿过直角棱镜、耦合液盒、薄膜后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；所述电机驱动电路驱动三维电动平移台通过带动外壳使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；光声信号穿过薄膜后，通过超声耦合液耦合并由直角棱镜的斜边反射到超声传感器而被接收，然后依次经过信号预处理电路、数据采集电路后被输入到计算机，再通过图像重建即可实现多维的光声显微成像，其显微成像的横向分辨率只决定于激光聚焦的焦点直径。
所述激光二极管、驱动电源电路、时钟电路依次导线连接；所述时钟电路与数据采集电路导线连接；所述超声传感器、信号预处理电路、数据采集电路、计算机依次导线连接；所述三维电动平移台、电机驱动电路、计算机依次导线连接；所述外壳与三维电动平移台机械连接；所述直角棱镜的斜边与内部充满有超声耦合液的耦合液盒紧贴；所述耦合液盒与超声传感器紧贴；所述耦合液盒与外壳的下端开口重合，并通过薄膜一起被密封；所述薄膜紧贴于升降台上所载的样品；所述激光二极管、准直透镜、聚焦透镜、直角棱镜、耦合液盒、超声传感器被安置于外壳内。
根据阿贝衍射理论，所述光声显微镜的理论横向分辨率R为0.51λ／NA，即激光聚焦焦点的半极大全宽度直径，其中λ为激光的波长，NA为聚焦透镜的数值孔径。
所述超声传感器为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头。
所述激光二极管的辐射波长为紫外至红外范围里一个或多个波长。
所述准直透镜和聚焦透镜可分别由一块或多块透镜组合而成。
所述耦合液盒由透光材料制作而成。
本实施例具体操作步骤为：
1）半导体激光二极管发射的脉冲激光由准直透镜准直后，再经聚焦透镜聚焦到几百纳米直径的焦点，穿过直角棱镜、耦合液盒、薄膜后照射在被测样品上被激发出光声信号；
2）光声信号穿过薄膜后，通过超声耦合液耦合并由直角棱镜的斜边反射到超声传感器而被接收，经信号预处理电路后由数据采集电路输送到计算机做后续处理；
3）计算机通过电机驱动电路驱动三维电动平移台，从而带动外壳使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场，同时重复步骤2接收每次扫描的光声信号；
4）通过图像重建程序处理采集到的光声信号可实现多维的光声显微成像。由于每次扫描中超声阵列传感器的振元一共可接收到256个光声信号，故可优选满足一定条件的光声信号来重建多维光声图像（如可选择幅值最大、渡越时间最短或振铃效应最小等条件的光声信号），以实现最佳的成像质量。
实施例2 一种基于光学分辨的便携式前向光声显微镜，与实施例1结构相似，不同之处在于：超声传感器11采用广州多浦乐电子科技有限公司生产的中空结构的单元斜探头（5.0P9×9K1），其中心频率为5.0MHz，尺寸为9 mm×9 mm，外接口采用Q9（BNC）接口。
Claims (6)
1.一种基于激光二极管的便携式背向光声显微镜，其特征在于包括激光二极管（1）、准直透镜（2）、聚焦透镜（3）、直角棱镜（4）、耦合液盒（5）、超声耦合液（6）、薄膜（7）、外壳（8）、升降台（9）、三维电动平移台（10）、超声传感器（11）、电机驱动电路（12）、计算机（13）、数据采集电路（14）、信号预处理电路（15）、时钟电路（16）、驱动电源电路（17）；所述激光二极管（1）、驱动电源电路（17）、时钟电路（16）依次导线连接；所述时钟电路（16）与数据采集电路（14）导线连接；所述超声传感器（11）、信号预处理电路（15）、数据采集电路（14）、计算机（13）依次导线连接；所述三维电动平移台（10）、电机驱动电路（12）、计算机（13）依次导线连接；所述外壳（5）与三维电动平移台（10）机械连接；所述直角棱镜（4）的斜边与内部充满有超声耦合液（6）的耦合液盒（5）紧贴；所述耦合液盒（5）与超声传感器（11）紧贴；所述耦合液盒（5）与外壳（8）的下端开口重合，并通过薄膜（7）一起被密封；所述薄膜（7）紧贴于升降台（9）上所载的样品；所述激光二极管（1）、准直透镜（2）、聚焦透镜（3）、直角棱镜（4）、耦合液盒（5）、超声传感器（11）被安置于外壳（8）内；所述激光二极管（1）发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜（2）准直后再由高数值孔径的聚焦透镜（3）聚焦成直径在几十微米到几十纳米之间的焦点，然后穿过直角棱镜（4）、耦合液盒（5）、薄膜（7）后聚焦焦点照射在被测样品上激发出光声信号；所述电机驱动电路（12）驱动三维电动平移台（10）通过带动外壳（8）使激光焦点在样品上做激光扫描，即得到了多维光声场；光声信号穿过薄膜（7）后，通过超声耦合液（6）耦合并由直角棱镜（4）的斜边反射到超声传感器（11）而被接收，然后依次经过信号预处理电路（15）、数据采集电路（14）后被输入到计算机（13），再通过图像重建即可实现多维的光声显微成像，其显微成像的横向分辨率只决定于激光聚焦的焦点直径。
2.根据权利要求1所述的基于激光二极管的便携式背向光声显微镜，其特征在于：根据阿贝衍射理论，所述光声显微镜的理论横向分辨率R为0.51λ／NA，即激光聚焦焦点的半极大全宽度直径，其中λ为激光的波长，NA为聚焦透镜（3）的数值孔径。
3.根据权利要求1所述的基于激光二极管的便携式背向光声显微镜，其特征在于：所述超声传感器（11）为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头。
4.根据权利要求1所述的基于激光二极管的便携式背向光声显微镜，其特征在于：所述激光二极管（1）的辐射波长为紫外至红外范围里一个或多个波长。
5.根据权利要求1所述的基于激光二极管的便携式背向光声显微镜，其特征在于：所述准直透镜（2）和聚焦透镜（3）可分别由一块或多块透镜组合而成。
6.根据权利要求1所述的基于激光二极管的便携式背向光声显微镜，其特征在于：所述耦合液盒（5）由透光材料制作而成。
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