專利名稱：便攜一體化的光學(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)，特別是涉及一種便攜一體化的光學(xué)分辨式光
聲顯微鏡。
背景技術(shù)：
光聲顯微成像技術(shù)可實現(xiàn)幾百微米到幾十納米級別的高分辨率探測影像，并且具有高光學(xué)對比度、無放射性損傷、使用安全便捷等優(yōu)點，依據(jù)分辨率的決定因素，其可分為聲學(xué)分辨和光學(xué)分辨模式。聲學(xué)分辨模式的光聲顯微成像技術(shù)是最先被開發(fā)出來的，其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。2005年K. Maslov等報道了采用暗場福射背向接收模式的聲學(xué)分辨式光聲顯微鏡(K. Maslov, G. Stoica and L.V. Wang, “In vivo dark-field reflection-mode photoacoustic microscopy, ” Opt.Lett. 30 (6), 625-627，2005)，其采用主頻高達(dá)50MHz的聚焦超聲傳感器來接收光聲信號，在3毫米的最大成像深度內(nèi)可實現(xiàn)45微米的橫向分辨率。另外一種是光學(xué)分辨模式的光聲顯微成像技術(shù)，其橫向分辨率主要決定于入射激光的聚焦焦點尺寸，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)，且其成像深度主要由被測樣品的光學(xué)散射系數(shù)決定。2011年Wang等報道了采用快速掃描背向接收模式的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡(L. Wang, K. Maslov, J. Yao, B. Rao and L. V.Wang, “Fast voice-coil scanning optical-resolution photoacoustic microscopy, ”O(jiān)pt. Lett. 36(2)，139-141，2011) ;2012年Yuan等報道了采用二維激光振鏡掃描的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡(Y. Yuan, Si Yang and D. Xing, “Optical-resolutionphotoacoustic microscopy based on two-dimensional scanning galvanometer, ” AppI.Phys. Lett. 100, 023702, 2012);但以上技術(shù)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、價格高、維護難等眾多缺點，且難于實現(xiàn)系統(tǒng)的便攜式和一體化設(shè)計，在實際應(yīng)用中顯然存在相當(dāng)大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種便攜一體化的光聲顯微鏡，它將小型、便宜、易維護的激光二極管應(yīng)用到光聲顯微激發(fā)領(lǐng)域，并與超聲傳感器實現(xiàn)一體化設(shè)計，可實現(xiàn)便攜式的光聲顯微成像系統(tǒng)。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
一種便攜一體化的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，包括激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、保護鏡、外殼、超聲傳感器、樣品臺、升降臺、三維電動平移臺、電機驅(qū)動電路、計算機、數(shù)據(jù)采集電路、信號預(yù)處理電路、時鐘電路、驅(qū)動電源電路，其特征在于激光二極管發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后再由高數(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，然后依次經(jīng)過保護鏡和中空的超聲傳感器后聚焦焦點照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；電機驅(qū)動電路驅(qū)動三維電動平移臺通過帶動外殼使激光焦點在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場；超聲傳感器接收到光聲信號，依次經(jīng)過信號預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路后被輸入到計算機，再通過圖像重建即可實現(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直徑。所述激光二極管、驅(qū)動電源電路、時鐘電路依次導(dǎo)線連接；所述時鐘電路與數(shù)據(jù)采集電路導(dǎo)線連接；所述超聲傳感器、信號預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、計算機依次導(dǎo)線連接；所述三維電動平移臺、電機驅(qū)動電路、計算機依次導(dǎo)線連接；所述激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、保護鏡、超聲傳感器被安置于外殼內(nèi)；所述外殼與三維電動平移臺機械連接；所述升降臺的上表面放置有樣品臺；所述超聲傳感器緊貼于被測樣品表面。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,即激光聚焦焦點的半極大全寬度直徑，其中λ為激光的波長，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，且具有中空結(jié)構(gòu)。所述激光二極管的輻射波長為紫外至紅外范圍里一個或多個波長。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。所述保護鏡具有透光和密閉防水功能。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、價格低、易維護、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，可實現(xiàn)系統(tǒng)的便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計。(2)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)與傳感實現(xiàn)了一體化設(shè)計，有效提高了系統(tǒng)緊湊性、穩(wěn)定性和實用性。(3)通過對激光二極管產(chǎn)生的激光束進行聚焦，實現(xiàn)了光學(xué)分辨式光聲顯微成像，相對于聲學(xué)分辨式光聲顯微成像具有分辨率高、成像深度大、信號后處理電路簡單等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于材料檢測、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.激光二極管、2.準(zhǔn)直透鏡、3.聚焦透鏡、4.保護鏡、5.外殼、6.超聲傳感器、7.樣品臺、8.升降臺、9.三維電動平移臺、10.電機驅(qū)動電路、11.計算機、12.數(shù)據(jù)采集電路、13.信號預(yù)處理電路、14.時鐘電路、15.驅(qū)動電源電路。其中激光二極管I選用脈沖的半導(dǎo)體激光二極管(PFAS1S12，PerkinElmer)，工作波長為850nm，單脈沖能量約為3. 9uJ ;超聲傳感器6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,外殼型號為B16 ;聚焦透鏡3采用數(shù)值孔徑高達(dá)O. 62的非球面透鏡，其有效的聚焦長度EFL為6. 75mm,工作距離D為4. 27_。本實例包括激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、保護鏡、外殼、超聲傳感器、樣品臺、升降臺、三維電動平移臺、電機驅(qū)動電路、計算機、數(shù)據(jù)采集電路、信號預(yù)處理電路、時鐘電路、驅(qū)動電源電路，其特征在于激光二極管發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后再由高數(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，然后依次經(jīng)過保護鏡和中空的超聲傳感器后聚焦焦點照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；電機驅(qū)動電路驅(qū)動三維電動平移臺通過帶動外殼使激光焦點在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場；超聲傳感器接收到光聲信號，依次經(jīng)過信號預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路后被輸入到計算機，再通過圖像重建即可實現(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直徑。所述激光二極管、驅(qū)動電源電路、時鐘電路依次導(dǎo)線連接；所述時鐘電路與數(shù)據(jù)采集電路導(dǎo)線連接；所述超聲傳感器、信號預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、計算機依次導(dǎo)線連接；所述三維電動平移臺、電機驅(qū)動電路、計算機依次導(dǎo)線連接；所述激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、保護鏡、超聲傳感器被安置于外殼內(nèi)；所述外殼與三維電動平移臺機械連接；所述升降臺的上表面放置有樣品臺；所述超聲傳感器緊貼于被測樣品表面。 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,即激光聚焦焦點的半極大全寬度直徑，其中λ為激光的波長，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，且具有中空結(jié)構(gòu)。所述激光二極管的輻射波長為紫外至紅外范圍里一個或多個波長。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。所述保護鏡具有透光和密閉防水功能。本實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)聚焦透鏡聚焦到幾百納米直徑的焦點，通過保護鏡和中空結(jié)構(gòu)的多元面陣超聲傳感器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面陣超聲傳感器接收到光聲信號，經(jīng)信號預(yù)處理電路后由數(shù)據(jù)采集電路輸送到計算機做后續(xù)處理；
3)計算機通過電機驅(qū)動電路驅(qū)動三維電動平移臺，從而帶動外殼使激光焦點在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場，同時重復(fù)步驟2接收每次掃描的光聲信號；
4 )通過圖像重建程序處理采集到的光聲信號可實現(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 —種便攜一體化的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，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)的中空結(jié)構(gòu)的單元斜探頭(5· 0Ρ9Χ9Κ1)，其中心頻率為5. 0MHz，尺寸為9 mmX9 _，外接口采用Q9 (BNC)接口。
權(quán)利要求
1.一種便攜一體化的光學(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)、聚焦透鏡(3)、保護鏡(4)、外殼(5)、超聲傳感器(6)、樣品臺(7)、升降臺(8)、三維電動平移臺(9)、電機驅(qū)動電路(10)、計算機(11)、數(shù)據(jù)采集電路(12)、信號預(yù)處理電路(13 )、時鐘電路(14 )、驅(qū)動電源電路(15 );所述激光二極管(I)、驅(qū)動電源電路(15 )、時鐘電路(14)依次導(dǎo)線連接；所述時鐘電路(14)與數(shù)據(jù)采集電路(12)導(dǎo)線連接；所述超聲傳感器(6)、信號預(yù)處理電路(13)、數(shù)據(jù)采集電路(12)、計算機(11)依次導(dǎo)線連接；所述三維電動平移臺(9)、電機驅(qū)動電路(10)、計算機(11)依次導(dǎo)線連接；所述激光二極管(I)、準(zhǔn)直透鏡(2)、聚焦透鏡(3)、保護鏡(4)、超聲傳感器(6)被安置于外殼(5)內(nèi)；所述外殼(5)與三維電動平移臺(9)機械連接；所述升降臺(8)的上表面放置有樣品臺(7);所述超聲傳感器(6)緊貼于被測樣品表面；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)準(zhǔn)直后再由高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡(3)聚焦成直徑在幾十微米到幾十納米之間的焦點，然后依次經(jīng)過保護鏡(4)和中空的超聲傳感器(6)后聚焦焦點照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；電機驅(qū)動電路(10)驅(qū)動三維電動平移臺(9)通過帶動外殼(5)使激光焦點在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場；超聲傳感器(6)接收到光聲信號，依次經(jīng)過信號預(yù)處理電路(13)、數(shù)據(jù)采集電路(12)后被輸入到計算機(11)，再通過圖像重建即可 實現(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直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜一體化的光學(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，即激光聚焦焦點的半極大全寬度直徑，其中λ為激光的波長，NA為聚焦透鏡(3)的數(shù)值孔徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜一體化的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，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，且具有中空結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜一體化的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于所述激光二極管(I)的輻射波長為紫外至紅外范圍里ー個或多個波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜一體化的光學(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(3)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所述的便攜一體化的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，其特征在于所述保護鏡(4)具有透光和密閉防水功能。
全文摘要
本發(fā)明提供一種便攜一體化的光學(xué)分辨式光聲顯微鏡，包括激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、保護鏡、外殼、超聲傳感器、樣品臺、升降臺、三維電動平移臺、電機驅(qū)動電路、計算機、數(shù)據(jù)采集電路、信號預(yù)處理電路、時鐘電路、驅(qū)動電源電路。它將小型、便宜、易維護的激光二極管應(yīng)用到光學(xué)分辨的光聲顯微激發(fā)領(lǐng)域，并與超聲傳感器實現(xiàn)一體化設(shè)計，具有體積便攜、分辨率高、成像深度大、信號后處理電路簡單等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于材料檢測、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G01N21/17GK102854141SQ20121030861
公開日2013年1月2日 申請日期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, 紀(jì)軒榮, 楊迪武 申請人:曾呂明