專利名稱：便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光聲顯微成像技術，特別是涉及一種便攜一體化的光學分辨式光
聲顯微鏡。
背景技術：
光聲顯微成像技術可實現幾百微米到幾十納米級別的高分辨率探測影像，并且具有高光學對比度、無放射性損傷、使用安全便捷等優點，依據分辨率的決定因素，其可分為聲學分辨和光學分辨模式。聲學分辨模式的光聲顯微成像技術是最先被開發出來的，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可實現45微米的橫向分辨率。另外一種是光學分辨模式的光聲顯微成像技術，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衍射極限(或限制點)，且其成像深度主要由被測樣品的光學散射系數決定。2011年Wang等報道了采用快速掃描背向接收模式的光學分辨式光聲顯微鏡(L. Wang, K. Maslov, J. Yao, B. Rao and L. V.Wang, “Fast voice-coil scanning optical-resolution photoacoustic microscopy, ”Opt. 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);但以上技術都采用較大功率的固體激光器作為光聲激發源，而該類激光器通常擁有體積大、價格高、維護難等眾多缺點，且難于實現系統的便攜式和一體化設計，在實際應用中顯然存在相當大的局限性。

發明內容
針對上述問題，本發明要解決的技術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用到光聲顯微激發領域，并與超聲傳感器實現一體化設計，可實現便攜式的光聲顯微成像系統。為實現上述發明目的，本發明采用如下的技術方案
一種便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，包括激光二極管、準直透鏡、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、電機驅動電路、計算機、數據采集電路、信號預處理電路、時鐘電路、驅動電源電路，其特征在于激光二極管發射出脈沖式或經調制后的連續式激光，經準直透鏡準直后再由高數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出光聲信號；電機驅動電路驅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，依次經過信號預處理電路、數據采集電路后被輸入到計算機，再通過圖像重建即可實現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、驅動電源電路、時鐘電路依次導線連接；所述時鐘電路與數據采集電路導線連接；所述超聲傳感器、信號預處理電路、數據采集電路、計算機依次導線連接；所述三維電動平移臺、電機驅動電路、計算機依次導線連接；所述激光二極管、準直透鏡、聚焦透鏡、保護鏡、超聲傳感器被安置于外殼內；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為聚焦透鏡的數值孔徑。
所述超聲傳感器為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環陣或面陣探頭，且具有中空結構。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。本發明的有益效果是
(I)本發明采用激光二極管作為光聲激發源，具有體積小、價格低、易維護、高穩定性等優點，可實現系統的便攜式結構設計。(2)由于激光二極管與超聲傳感器為背向模式結構,將光聲的激發與傳感實現了一體化設計，有效提高了系統緊湊性、穩定性和實用性。(3)通過對激光二極管產生的激光束進行聚焦，實現了光學分辨式光聲顯微成像，相對于聲學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點，可廣泛應用于材料檢測、工業探傷、醫學影像等領域。


圖I為實施例I的結構示意圖。
具體實施例方式 以下結合附圖對本發明的實施例作具體說明
實施例I 本實施例的結構如圖I所示，各元件的名稱為1.激光二極管、2.準直透鏡、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.電機驅動電路、11.計算機、12.數據采集電路、13.信號預處理電路、14.時鐘電路、15.驅動電源電路。其中激光二極管I選用脈沖的半導體激光二極管(PFAS1S12，PerkinElmer)，工作波長為850nm，單脈沖能量約為3. 9uJ ;超聲傳感器6為中空結構的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、電機驅動電路、計算機、數據采集電路、信號預處理電路、時鐘電路、驅動電源電路，其特征在于激光二極管發射出脈沖式或經調制后的連續式激光，經準直透鏡準直后再由高數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出光聲信號；電機驅動電路驅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，依次經過信號預處理電路、數據采集電路后被輸入到計算機，再通過圖像重建即可實現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、驅動電源電路、時鐘電路依次導線連接；所述時鐘電路與數據采集電路導線連接；所述超聲傳感器、信號預處理電路、數據采集電路、計算機依次導線連接；所述三維電動平移臺、電機驅動電路、計算機依次導線連接；所述激光二極管、準直透鏡、聚焦透鏡、保護鏡、超聲傳感器被安置于外殼內；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為聚焦透鏡的數值孔徑。所述超聲傳感器為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環陣或面陣探頭，且具有中空結構。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)半導體激光二極管發射的脈沖激光由準直透鏡準直后，再經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構的多元面陣超聲傳感器后照射在被測樣品上，被激發出光聲信號；
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，經信號預處理電路后由數據采集電路輸送到計算機做后續處理；
3)計算機通過電機驅動電路驅動三維電動平移臺，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最小等條件的光聲信號)，以實現最佳的成像質量。實施例2 —種便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，與實施例I結構相似，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的中空結構的單元斜探頭(5· 0Ρ9Χ9Κ1)，其中心頻率為5. 0MHz，尺寸為9 mmX9 _，外接口采用Q9 (BNC)接口。
權利要求
1.一種便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，其特征在于包括激光二極管(I)、準直透鏡(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)、電機驅動電路(10)、計算機(11)、數據采集電路(12)、信號預處理電路(13 )、時鐘電路(14 )、驅動電源電路(15 );所述激光二極管(I)、驅動電源電路(15 )、時鐘電路(14)依次導線連接；所述時鐘電路(14)與數據采集電路(12)導線連接；所述超聲傳感器(6)、信號預處理電路(13)、數據采集電路(12)、計算機(11)依次導線連接；所述三維電動平移臺(9)、電機驅動電路(10)、計算機(11)依次導線連接；所述激光二極管(I)、準直透鏡(2)、聚焦透鏡(3)、保護鏡(4)、超聲傳感器(6)被安置于外殼(5)內；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)發射出脈沖式或經調制后的連續式激光，經準直透鏡(2)準直后再由高數值孔徑的聚焦透鏡(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出光聲信號；電機驅動電路(10)驅動三維電動平移臺(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，依次經過信號預處理電路(13)、數據采集電路(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.根據權利要求I所述的便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，其特征在于根據阿貝衍射理論，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)的數值孔徑。
3.根據權利要求I所述的便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，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、環陣或面陣探頭，且具有中空結構。
4.根據權利要求I所述的便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，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.根據權利要求I所述的便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，其特征在于所述準直透鏡(2)和聚焦透鏡(3)可分別由ー塊或多塊透鏡組合而成。
6.根據權利要求I所述的便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，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
本發明提供一種便攜一體化的光學分辨式光聲顯微鏡，包括激光二極管、準直透鏡、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、電機驅動電路、計算機、數據采集電路、信號預處理電路、時鐘電路、驅動電源電路。它將小型、便宜、易維護的激光二極管應用到光學分辨的光聲顯微激發領域，并與超聲傳感器實現一體化設計，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點，可廣泛應用于材料檢測、工業探傷、醫學影像等領域的光聲顯微成像。
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 優先權日2012年8月28日
發明者曾呂明, 紀軒榮, 楊迪武 申請人:曾呂明