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(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)，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(kāi)發(fā)出來(lái)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(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。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(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。2011年Wang等報(bào)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(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, 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(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)題是提供一種基于激光二極管的便攜式光聲顯微鏡，它將小型、便宜、易維護(hù)的激光二極管應(yīng)用到光聲顯微激發(fā)領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)便攜式的背向光聲顯微成像系統(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(tái)、三維電動(dòng)平移臺(tái)、超聲傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)預(yù)處理電路、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(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)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)三維電動(dòng)平移臺(tái)通過(guò)帶動(dòng)外殼使激光焦點(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)鐘電路與數(shù)據(jù)采集電路導(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；所述三維電動(dòng)平移臺(tái)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)依次導(dǎo)線連接；所述外殼與三維電動(dòng)平移臺(tái)機(jī)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(kāi)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、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(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.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)、
10.三維電動(dòng)平移臺(tái)、11.超聲傳感器、12.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、13.計(jì)算機(jī)、14.數(shù)據(jù)采集電路、15.信號(hào)預(yù)處理電路、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(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、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)、三維電動(dòng)平移臺(tái)、超聲傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)預(yù)處理電路、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(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)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)三維電動(dòng)平移臺(tái)通過(guò)帶動(dòng)外殼使激光焦點(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)鐘電路與數(shù)據(jù)采集電路導(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；所述三維電動(dòng)平移臺(tái)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)依次導(dǎo)線連接；所述外殼與三 維電動(dòng)平移臺(tái)機(jī)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(kāi)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、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(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)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)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)三維電動(dòng)平移臺(tái)，從而帶動(dòng)外殼使激光焦點(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 —種基于光學(xué)分辨的便攜式前向光聲顯微鏡，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· 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(tái)(9 )、三維電動(dòng)平移臺(tái)(10 )、超聲傳感器(11)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(12 )、計(jì)算機(jī)(13)、數(shù)據(jù)采集電路(14)、信號(hào)預(yù)處理電路(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)與數(shù)據(jù)采集電路(14)導(dǎo)線連接；所述超聲傳感器(11)、信號(hào)預(yù)處理電路(15)、數(shù)據(jù)采集電路(14)、計(jì)算機(jī)(13)依次導(dǎo)線連接；所述三維電動(dòng)平移臺(tái)(10)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(12)、計(jì)算機(jī)(13)依次導(dǎo)線連接；所述外殼(5)與三維電動(dòng)平移臺(tái)(10)機(jī)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(kāi)口重合，并通過(guò)薄膜(7)—起被密封；所述薄膜(7)緊貼于升降臺(tái)(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(diǎn)，然后穿過(guò)直角棱鏡(4)、耦合液盒(5)、薄膜(7)后聚焦焦點(diǎn)照射在被測(cè)樣品上激發(fā)出光聲信號(hào)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(12)驅(qū)動(dòng)三維電動(dòng)平移臺(tái)(10)通過(guò)帶動(dòng)外殼(8)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(7)后，通過(guò)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(guò)信號(hào)預(yù)處理電路(15)、數(shù)據(jù)采集電路(14)后被輸入到計(jì)算機(jī)(13)，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(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(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(zhǎng)為紫外至紅外范圍里一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)。
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(tái)、三維電動(dòng)平移臺(tái)、超聲傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)預(yù)處理電路、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)分辨的背向光聲顯微激發(fā)領(lǐng)域，并與超聲傳感器實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，具有體積便攜、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)，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)G01N29/06GK102854144SQ20121030870
公開(kāi)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, 紀(jì)軒榮, 楊迪武 申請(qǐng)人:曾呂明