專利名稱：基于激光二極管的便攜式背向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激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡。
背景技術(shù)：
光聲顯微成像是一種新近發(fā)展起來的影像技術(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。尤其是光學(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，而與傳感器的接收主頻無關(guān)，焦點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等報道了米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 scanningoptical-resolution photoacoustic microscopy,，，Opt. Lett. 36(2)， 139-141,
2011)；2012年Yuan等報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, S. Yang and D. Xing, “Optical-resolution photoacoustic microscopy basedon 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)的小型化和便攜式設(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)問題是提供一種基于激光二極管的便攜式光聲顯微鏡，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，可實現(xiàn)便攜式的背向光聲顯微成像系統(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
一種基于激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡，它包括激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、耦合液盒、超聲耦合液、薄膜、外殼、升降臺、三維電動平移臺、超聲傳感器、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；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，然后穿過直角棱鏡、耦合液盒、薄膜后聚焦焦點照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；所述電機驅(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；光聲信號穿過薄膜后，通過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；所述外殼與三維電動平移臺機械連接；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，并通過薄膜一起被密封；所述薄膜緊貼于升降臺上所載的樣品；所述激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、耦合液盒、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。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)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。(3)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，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.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、
10.三維電動平移臺、11.超聲傳感器、12.電機驅(qū)動電路、13.計算機、14.數(shù)據(jù)采集電路、15.信號預(yù)處理電路、16.時鐘電路、17.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、直角棱鏡、耦合液盒、超聲耦合液、薄膜、外殼、升降臺、三維電動平移臺、超聲傳感器、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；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，然后穿過直角棱鏡、耦合液盒、薄膜后聚焦焦點照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；所述電機驅(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；光聲信號穿過薄膜后，通過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；所述外殼與三 維電動平移臺機械連接；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，并通過薄膜一起被密封；所述薄膜緊貼于升降臺上所載的樣品；所述激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、耦合液盒、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。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。所述耦合液盒由透光材料制作而成。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，穿過直角棱鏡、耦合液盒、薄膜后照射在被測樣品上被激發(fā)出光聲信號；
2)光聲信號穿過薄膜后，通過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 —種基于光學(xué)分辨的便攜式前向光聲顯微鏡，與實施例I結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于超聲傳感器11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 mm，外接口采用Q9 (BNC)接□。
權(quán)利要求
1.一種基于激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡，其特征在于包括激光二極管(I)、準(zhǔn)直透鏡(2)、聚焦透鏡(3)、直角棱鏡(4)、耦合液盒(5)、超聲耦合液(6)、薄膜(7)、外殼(8 )、升降臺(9 )、三維電動平移臺(10 )、超聲傳感器(11)、電機驅(qū)動電路(12 )、計算機(13)、數(shù)據(jù)采集電路(14)、信號預(yù)處理電路(15)、時鐘電路(16)、驅(qū)動電源電路(17);所述激光二極管(I)、驅(qū)動電源電路(17)、時鐘電路(16)依次導(dǎo)線連接；所述時鐘電路(16)與數(shù)據(jù)采集電路(14)導(dǎo)線連接；所述超聲傳感器(11)、信號預(yù)處理電路(15)、數(shù)據(jù)采集電路(14)、計算機(13)依次導(dǎo)線連接；所述三維電動平移臺(10)、電機驅(qū)動電路(12)、計算機(13)依次導(dǎo)線連接；所述外殼(5)與三維電動平移臺(10)機械連接；所述直角棱鏡(4)的斜邊與內(nèi)部充滿有超聲耦合液(6)的耦合液盒(5)緊貼；所述耦合液盒(5)與超聲傳感器(11)緊貼；所述耦合液盒(5)與外殼(8)的下端開口重合，并通過薄膜(7)—起被密封；所述薄膜(7)緊貼于升降臺(9)上所載的樣品；所述激光二極管(I)、準(zhǔn)直透鏡(2)、聚焦透鏡(3)、直角棱鏡(4 )、I禹合液盒(5 )、超聲傳感器(11)被安置于外殼(8 )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)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，然后穿過直角棱鏡(4)、耦合液盒(5)、薄膜(7)后聚焦焦點照射在被測樣品上激發(fā)出光聲信號；所述電機驅(qū)動電路(12)驅(qū)動三維電動平移臺(10)通過帶動外殼(8)使激光焦點在樣品上做激光掃描，即得到了多維光聲場；光聲信號穿過薄膜(7)后，通過超聲耦合液(6)耦合并由直角棱鏡(4)的斜邊反射到超聲傳感器(11)而被接收，然后依次經(jīng)過信號預(yù)處理電路(15)、數(shù)據(jù)采集電路(14)后被輸入到計算機(13)，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所述的基于激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡，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所述的基于激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡，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所述的基于激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡，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一個或多個波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡，其特征在于所述準(zhǔn)直透鏡(2)和聚焦透鏡(3)可分別由一塊或多塊透鏡組合而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡，其特征在于所述率禹合液盒(5)由透光材料制作而成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于激光二極管的便攜式背向光聲顯微鏡，包括激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、直角棱鏡、耦合液盒、超聲耦合液、薄膜、外殼、升降臺、三維電動平移臺、超聲傳感器、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)分辨的背向光聲顯微激發(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G01N29/06GK102854144SQ20121030870
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