專利名稱：基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光聲成像技術(shù)，特別是涉及一種基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光振鏡是一種由驅(qū)動板與高速擺動電機組成的一個高精度、高速度伺服控制系統(tǒng)。三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描工作原理將激光束入射到X和Y軸反射鏡上，用計算機控制反射鏡的反射角度分別沿Χ、γ軸掃描，從而實現(xiàn)激光束的二維偏轉(zhuǎn)；同時，在Z軸方向加上動態(tài)聚焦掃描，使光斑在整個掃描視場內(nèi)都能很好的聚焦。使具有一定功率密度的激光聚焦點在目標材料上按所需的要求運動掃描。該技術(shù)具有響應(yīng)速度快、掃描速度高、掃描范圍大等優(yōu)勢已成為主流產(chǎn)品，已廣泛用于激光切割、激光標刻、激光打孔等領(lǐng)域。光聲成像有效的結(jié)合了純光學(xué)成像的高對比度和純聲學(xué)成像的高穿透深度的優(yōu)點，可實現(xiàn)厘米量級探測深度和微米量級成像精度的影像，具有完全非侵入性、無損性、非電離化輻射等突出特性。目前光聲成像普遍采用單元超聲傳感器掃描接收光聲信號的探測模式，如2003年Wang等報道了采用單元超聲傳感器做圓周或線性掃描接收光聲信號來實現(xiàn)多維光聲成像方法(X. D. Wang, Y. J. Pang, G. Ku, X. Y. Xie, G. Stoica, and L.V. Wang, “Non-invasive laser-induced photoacoustic tomography for structuraland functional imaging of the brain in vivo,，，Nat. Biotech. , 21(7)，803-806，2003.);中國發(fā)明專利申請公開說明書(公開號CN 102068277A)公開了一種基于壓縮感知的單陣元多角度觀測光聲成像裝置及方法，它采用兩個成角度的單元超聲探測器來接收光聲信號，從而實現(xiàn)快速二維光聲成像。由于單元超聲傳感器需要做圓周機械掃描以獲得不同方向的光聲信號，在長耗時和多方位的超聲傳感器機械掃描過程，機械振動等不穩(wěn)定因素嚴重影響成像質(zhì)量和研究結(jié)果的時間分辨率、可靠性和穩(wěn)定性，在實際應(yīng)用中顯然存在相當(dāng)大的局限性，無法滿足實際的快速高精度需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，它將快速、高效的三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描技術(shù)應(yīng)用到光聲成像領(lǐng)域，可實現(xiàn)快速多維的可視化光聲成像。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，其特征在于它包括光源、計算機、采集電路、預(yù)處理電路、驅(qū)動電路、超聲傳感器、準直透鏡組、擴束透鏡組、聚焦透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、場鏡、直線電機組、X軸電機、Y軸電機；光源與計算機導(dǎo)線連接；驅(qū)動電路與計算機導(dǎo)線連接；超聲傳感器、預(yù)處理電路、采集電路、計算機依次導(dǎo)線連接；x軸電機、Y軸電機、直線電機組分別與驅(qū)動電路導(dǎo)線連接；x軸反射振鏡與X軸電機機械連接；Y軸反射振鏡與Y軸電機機械連接；擴束透鏡組、聚焦透鏡組、場鏡分別與直線電機組機械連接；超聲傳感器緊貼于被測樣品表面；光源發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準直透鏡組準直后，由擴束透鏡組擴束，再由聚焦透鏡組聚焦，然后依次經(jīng)過X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡和場鏡后聚焦照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；χ軸電機和Y軸電機可被驅(qū)動并分別帶動X軸反射振鏡和Y軸反射振鏡偏轉(zhuǎn)使光束在X-Y平面做激光掃描，直線電機組可驅(qū)動并帶動擴束透鏡組、聚焦透鏡組或場鏡移動使光束在Z軸方向做激光掃描，即得到了三維光聲場；超聲傳感器接收到光聲信號，經(jīng)預(yù)處理電路后由采集電路輸送到計算機，再通過多維可視化圖像重建即可實現(xiàn)快速的三維可視化光聲成像。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。所述光源可以是固體激光器、半導(dǎo)體激光器、氣體激光器或染料激光器，其輻射波長為紫外至紅外范圍里一個或多個波長。所述準直透鏡組、擴束透鏡組、聚焦透鏡組和場鏡可分別由一塊或多塊透鏡組合。本發(fā)明的有益效果是
(O本發(fā)明米用三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描來實現(xiàn)光束的三維快速掃描(一般掃描速度可達3ΚΗΖ，即300X300掃描點只需30秒)，避免了被測樣品或超聲傳感器做圓周和線性機械掃描接收光聲信號，解決了二維激光振鏡在大面積掃描中焦點離焦的缺點，具有聚焦范圍大、掃描精度高、掃描慣量低、焦點調(diào)節(jié)易、機械振動小、漂移值低等優(yōu)點，有效提高了系統(tǒng)的掃描精度、穩(wěn)定性和實用性。(2)由于被激發(fā)的光聲信號的能量主要集中在被測樣品界面的法線方向上有限立體角內(nèi)傳播，所以當(dāng)一個單元探頭由于接收孔徑較小探測到的光聲信號較弱時，可采用多個單元探頭或具有較大接收孔徑和方向角的多元探頭，有效提高光聲信號的傳感效率。(3)通過將超聲傳感器放置在被測樣品的不同位置，可分別實現(xiàn)前向、背向和側(cè)向探測模式的光聲信號傳感，有效的提高了系統(tǒng)的可操作性和適用范圍，可廣泛應(yīng)用于方型、管狀型、薄膜型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料檢測、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域。


圖I為實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作具體說明
實施例I 本實施例的結(jié)構(gòu)如圖I所示，各元件的名稱為1.光源、2.計算機、3.采集電路、4.預(yù)處理電路、5.驅(qū)動電路、6.超聲傳感器、7.準直透鏡組、8.擴束透鏡組、9.聚焦透鏡組、10. X軸反射振鏡、11. Y軸反射振鏡、12.場鏡、13.直線電機組、14. X軸電機、15. Y軸電機。其中光源I采用倍頻的Q開關(guān)Nd: YAG固體激光器，波長為532nm，脈寬10ns，重復(fù)頻率為30Hz，單脈沖能量約為5mJ ;超聲傳感器6為多元線陣探頭，其中心頻率為3. 5MHz，相對帶寬為75%，面積為IOOmmX IOmmXO. 8mm，含有128個陣元，陣元之間的刻縫寬為O. 03mmo本實施例包括光源、計算機、采集電路、預(yù)處理電路、驅(qū)動電路、超聲傳感器、準直、透鏡組、擴束透鏡組、聚焦透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、場鏡、直線電機組、X軸電機、Y軸電機；光源與計算機導(dǎo)線連接；驅(qū)動電路與計算機導(dǎo)線連接；超聲傳感器、預(yù)處理電路、采集電路、計算機依次導(dǎo)線連接；χ軸電機、Y軸電機、直線電機組分別與驅(qū)動電路導(dǎo)線連接；χ軸反射振鏡與X軸電機機械連接；Y軸反射振鏡與Y軸電機機械連接；擴束透鏡組、聚焦透鏡組、場鏡分別與直線電機組機械連接；超聲傳感器緊貼于被測樣品表面；光源發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準直透鏡組準直后，由擴束透鏡組擴束，再由聚焦透鏡組聚焦，然后依次經(jīng)過X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡和場鏡后聚焦照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；χ軸電機和Y軸電機可被驅(qū)動并分別帶動X軸反射振鏡和Y軸反射振鏡偏轉(zhuǎn)使光束在X-Y平面做激光掃描，直線電機組可驅(qū)動并帶動擴束透鏡組、聚焦透鏡組或場鏡移動使光束在Z軸方向做激光掃描，即得到了三維光聲場；超聲傳感器接收到光聲信號，經(jīng)預(yù)處理電路后由采集電路輸送到計算機，再通過多維可視化圖像重建即可實現(xiàn)快速的三維可視化光聲成像。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。所述光源可以是固體激光器、半導(dǎo)體激光器、氣體激光器或染料激光器，其輻射波 長為紫外至紅外范圍里一個或多個波長。所述準直透鏡組、擴束透鏡組、聚焦透鏡組和場鏡可分別由一塊或多塊透鏡組合。本實施例具體操作步驟為
1)Nd:YAG固體激光器發(fā)射的脈沖激光由準直透鏡組準直后，經(jīng)準直透鏡組、擴束透鏡組、聚焦透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、場鏡后照射在被測樣品上，被激發(fā)出光聲信號;
2)緊貼在被測樣品表面的多元線陣超聲傳感器接收到光聲信號，經(jīng)預(yù)處理電路后由采集電路輸送到計算機做后續(xù)處理；
3)計算機通過驅(qū)動電路驅(qū)動X軸電機和Y軸電機分別帶動X軸反射振鏡和Y軸反射振鏡偏轉(zhuǎn)使光束在樣品表面做X-Y平面的二維激光掃描，同時驅(qū)動直線電機組帶動擴束透鏡組、聚焦透鏡組或場鏡移動使光束在Z軸方向做激光掃描，同時重復(fù)步驟2接收每次掃描的光聲信號；
4)通過多維可視化圖像重建程序處理采集到的光聲信號可實現(xiàn)三維可視化光聲成像。由于每次二維掃描中超聲傳感器的振兀一共可接收到128個光聲信號,故可優(yōu)選滿足一定條件的光聲信號來重建多維光聲圖像(如可選擇幅值最大、渡越時間最短或振鈴效應(yīng)最小等條件的光聲信號)，以實現(xiàn)最佳的成像質(zhì)量。實施例2 —種基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，與實施例I結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于光源I采用選用脈沖的半導(dǎo)體激光二極管(PGAS1S24，Hoffo)，工作波長為905nm，峰值功率為49W，脈寬為150ns，單脈沖能量約為7. 3uJ。實施例3 —種基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，與實施例I結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于超聲傳感器6采用廣州多浦樂電子科技有限公司生產(chǎn)的單元斜探頭(2. 5P9X9K2)，其中心頻率為2. 5MHz，尺寸為9_X9mm，外接口采用Q9 (BNC)接口。實施例4 一種基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，與實施例I結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于超聲傳感器6采用廣州多浦樂電子科技有限公司生產(chǎn)的兩個單元斜探頭(5P6X6K1)，其中心頻率為5MHz，尺寸為6_X6mm，外接ロ采用Q9 (BNC)接ロ。
權(quán)利要求
1.一種基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，其特征在于它包括光源(I)、計算機(2)、采集電路(3)、預(yù)處理電路(4)、驅(qū)動電路(5)、超聲傳感器(6)、準直透鏡組(7)、擴束透鏡組(8)、聚焦透鏡組(9)、X軸反射振鏡(10)、Y軸反射振鏡(11)、場鏡(12 )、直線電機組(13 )、X軸電機(14 )、Y軸電機(15 );光源(I)與計算機(2 )導(dǎo)線連接；驅(qū)動電路(5)與計算機(2)導(dǎo)線連接；超聲傳感器(6)、預(yù)處理電路(4)、采集電路(3)、計算機(2)依次導(dǎo)線連接；X軸電機(14)、Y軸電機(15)、直線電機組(13)分別與驅(qū)動電路(5)導(dǎo)線連接；X軸反射振鏡(10 )與X軸電機(14)機械連接；Y軸反射振鏡(11)與Y軸電機(15 )機械連接；擴束透鏡組(8)、聚焦透鏡組(9)、場鏡(12)分別與直線電機組(13)機械連接；超聲傳感器(6)緊貼于被測樣品表面；光源(I)發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準直透鏡組(7)準直后，由擴束透鏡組(8)擴束，再由聚焦透鏡組(9)聚焦，然后依次經(jīng)過X軸反射振鏡(10)、Y軸反射振鏡(11)和場鏡(12)后聚焦照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；Χ軸電機(14)和Y軸電機(15)可被驅(qū)動并分別帶動X軸反射振鏡(10)和Y軸反射振鏡(11)偏轉(zhuǎn)使光束在X-Y平面做激光掃描，直線電機組(13)可驅(qū)動并帶動擴束透鏡組(8)、聚焦透鏡組(9)或場鏡(12)移動使光束在Z軸方向做激光掃描，即得到了三維光聲場；超聲傳感器(6)接收到光聲信號，經(jīng)預(yù)處理電路(4)后由采集電路(3)輸送到計算機(2)，再通過多維可視化圖像重建即可實現(xiàn)快速的三維可視化光聲成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，其特征在于所述超聲傳感器(6)為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環(huán)陣或面陣探頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，其特征在于所述光源(I)可以是固體激光器、半導(dǎo)體激光器、氣體激光器或染料激光器，其輻射波長為紫外至紅外范圍里一個或多個波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，其特征在于所述準直透鏡組(7)、擴束透鏡組(8)、聚焦透鏡組(9)和場鏡(12)可分別由一塊或多塊透鏡組合而成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描的可視化光聲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光源、計算機、采集電路、預(yù)處理電路、驅(qū)動電路、超聲傳感器、準直透鏡組、擴束透鏡組、聚焦透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、場鏡、直線電機組、X軸電機、Y軸電機構(gòu)成，它將快速、高效的三維動態(tài)聚焦激光振鏡掃描技術(shù)應(yīng)用到光聲成像領(lǐng)域，實現(xiàn)了快速多維的可視化光聲成像，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料檢測、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/17GK102636435SQ20121004384
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月26日
發(fā)明者曾呂明, 楊迪武, 紀軒榮 申請人:曾呂明, 楊迪武, 紀軒榮