一种非接触式全光学光声成像装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非接触式全光学光声成像装置及其方法，装置包括光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件、光声信号采集/处理组件和扫描平台，光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件和光声信号采集/处理组件依次连接，光声信号采集/处理组件分别和光声信号激发组件、光声信号检测组件连接，干涉相位调制组件分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接，扫描平台分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接。本发明专利技术利用脉冲激光照射生物样品产生光声信号，用窄线宽的超发光二极管连续光源作为光声信号检测光源提高对表面不够平整样品检测的灵敏度，对实现光声技术的临床化有很大的推动作用。

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式全光学光声成像装置及其方法
本专利技术属于光声成像
，特别涉及一种非接触式全光学光声成像装置及其方法。
技术介绍
当短脉冲激光照射到组织中时，组织因吸收激光能量而出现热膨胀，产生超声信号，这种现象称为光声效应。光声成像技术是目前一种新进发展的生物医学影像技术，利用光声效应原理使其结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，同时具有无损伤、无电离效应等优势，正逐步成为生物组织无损检测领域的一个研究热点。近年来得到国内外学者越来越多的关注和研究，出现了各种光声成像方法。对于光声信号的探测方法目前主要分为两大类：压电法和光学法，压电法指用压电换能器直接进行探测，光学法指用检测光进行间接探测。通过耦合介质将压电陶瓷传感器与样品进行耦合，压电陶瓷即可检测样品产生的光声信号，这就是压电法检测。其中较具代表性的是水听器。压电法光声检测系统的优点是技术成熟、结构简单，而且灵敏度高，但是，由于光声信号具有很宽的频带，而传统超声换能器受到材料限制，一般频带都较窄，宽频的光声信号与频带较窄的探测器形成了不可调和的矛盾。光学法检测是基于光声-压力-表面位移或折射率改变的原理，用一束探测光对光声信号引起的位移量进行探测，最大的特点就是非接触性，即不需要耦合介质。其典型代表就是利用干涉原理，将光声信号调制在干涉信号上。但是，当被检测物的表面起伏较大时，样品臂与参考臂的光程差会超过检测光的相干长度，此时就没有干涉信号，即检测不到光声信号。与此同时，传统的高斯光经过物镜聚焦后，其焦点长度一般是几个微米，所以其不能在较大的深度方向上保持好的横向分辨率。因此，当待检测样品的表面平整度不好时就会在二维扫描过程中出现局部离焦现象，导致分辨率变差，从而给成像质量带来负面影响。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非接触式全光学光声成像装置。本专利技术的另一目的在于运用上述的非接触式全光学光声成像装置的成像方法。为实现以上目的，本专利技术采取如下技术方案：本专利技术的一种非接触式全光学光声成像装置，包括光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件、光声信号采集/处理组件和扫描平台，所述的光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件和光声信号采集/处理组件依次连接，光声信号采集/处理组件分别和光声信号激发组件、光声信号检测组件连接，干涉相位调制组件分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接，扫描平台分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接；所述的光声信号激发组件包括光声信号激发光源、光纤耦合器a、单模光纤和光纤准直器a；所述光声信号激发光源、光纤耦合器a、单模光纤和光纤准直器a依次连接，所述的光声信号激发光源分别与光声信号采集/处理组件和扫描平台连接；所述的光声信号激发组件用于激发样品产生光声信号；所述的光声信号检测组件包括光声信号检测光源、光纤环形器、光纤耦合器b、参考臂和样品臂，所述光声信号检测光源、光纤环形器、光纤耦合器b顺序连接，所述参考臂和样品臂均与光纤耦合器b连接，所述的光纤耦合器b将入射光等分为两份分别输出到样品臂和参考臂；所述的样品臂由光纤准直器b、二向色镜、扩束镜和锥透镜依次连接构成；所述的参考臂包括顺序连接的光纤准直器c、透镜和反射镜，所述透镜还连接有一维移动平台；所述光纤环形器分别与光声信号检测光源、光纤耦合器b和光电探测器a连接；光纤耦合器b分别与光纤环形器、光电探测器a、光纤准直器b和光纤准直器c相连接；所述的干涉相位调制组件包括分束镜、光电探测器b、压电陶瓷驱动器、压电控制器和FPGA控制板，所述的分束镜、光电探测器b、FPGA控制板、压电控制器、以及压电陶瓷驱动器依次连接，所述压电陶瓷驱动器还与反射镜连接；所述分束镜连接至光纤准直器b和二向色镜之间。作为优选的技术方案，所述的光纤准直器c和透镜严格光学同轴；所述的光纤准直器a、光纤准直器b、二向色镜、扩束镜和锥透镜严格光学同轴。作为优选的技术方案，所述的锥透镜是将同轴的光声信号激发光和光声信号检测光一起变为零阶贝塞尔光束，将焦长大小从微米级扩大到毫米级，使系统在更大的深度范围内保持良好的横向分辨率。作为优选的技术方案，所述的分束镜位于光学准直器b和二向色镜之间，与光电探测器b、FPGA控制板、压电控制器、驱动压电陶瓷驱动器和样品臂一起构成干涉信号过零点的闭环控制，即利用光电探测器b将由样品反射回的检测光的幅值传送给FPGA控制板，FPGA控制板先根据当前时刻样品臂光强值和干涉信号光强值计算出下一时刻干涉信号幅值变为零时参考臂光程值相应的变化量，再通过控制压电控制器来驱动压电陶瓷驱动器来改变参考臂的光程，依次循环形成闭环控制，使干涉信号维持在零点，从而使光声信号激发光源以内触发的方式工作，提高成像速度。作为优选的技术方案，所述的光声信号采集/处理组件由射频同轴电缆、采集卡和计算机组成，所述的采集卡直接插在计算机的PCI插槽里，所述的采集卡通过射频同轴电缆分别与光声信号激发光源、光电平衡探测器a和扫描平台连接；FPGA控制板与计算机通过USB端口连接。本专利技术还提供了一种非接触式全光学光声成像装置的检测方法，包括以下步骤：(1)将待检测样品置于扫描平台上方，锥透镜的正下方；(2)光声信号激发光和光声信号检测光通过二向色镜后变为同轴光束，并依次经过扩束镜和锥透镜变为贝塞尔光束，聚焦于样品表面；(3)光声信号激发光照射到样品上，样品吸收光能后产生光声信号，光声信号引起样品表面发生微小振动；光声信号检测光通过探测样品表面振动，使样品臂反射回去的检测光幅值不断变化，从而将高频的光声信号调制在低频的干涉信号上；(4)分束镜实时的将由样品反射回的检测光的幅值反馈给FPGA控制板，FPGA控制板根据这一参数实时通过改变反射镜的位移量来调整参考臂的光程，从而改变干涉信号的幅值，依次循环形成闭环控制，使干涉信号维持在零点，从而使光声信号激发光源工作在内触发状态，提高成像速度；(5)光电探测器将检测到的干涉信号进行高通滤波，得到样品的光声信号；改变扫描平台的二维电机的X、Y轴各自偏角使光声信号激发光和光声信号检测光发生偏转，扫描平台的二维电机每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集；(6)采集完全部光声信号后，通过最大值投影的方法重建出组织样品的光声二维图像及三维图像。作为优选的技术方案，所述的光声信号激发光源的脉冲激光波长为400～2500nm，脉宽为1～50ns，重复频率为10Hz～50kHz；所述的光声信号检测光源的波长为300～1600nm，3db带宽为0.01-1nm。作为优选的技术方案，所述的光声激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率为10kHz；所述的光声激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率为10kHz.。作为优选的技术方案，所述的二维图像建立方法采用以下方式进行：即将每一个扫描点得到的Z方向数据，先取绝对值，再取最大值，将其作为该Z方向的数值代表，然后将所有采集到的点数按照扫描顺序排列在一起就得到二维平面图。作为优选的技术方案，所述的三维图像建立方法采用以下方式进行：即将每一个扫描点得到的Z方向数据截取相同的采集点数，然后将其作为Z方向的数据，然后将所有截本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触式全光学光声成像装置，其特征在于，包括光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件、光声信号采集/处理组件和扫描平台，所述的光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件和光声信号采集/处理组件依次连接，光声信号采集/处理组件分别和光声信号激发组件、光声信号检测组件连接，干涉相位调制组件分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接，扫描平台分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接；所述的光声信号激发组件包括光声信号激发光源、光纤耦合器a、单模光纤和光纤准直器a；所述光声信号激发光源、光纤耦合器a、单模光纤和光纤准直器a依次连接，所述的光声信号激发光源分别与光声信号采集/处理组件和扫描平台连接；所述的光声信号激发组件用于激发样品产生光声信号；所述的光声信号检测组件包括光声信号检测光源、光纤环形器、光纤耦合器b、参考臂和样品臂，所述光声信号检测光源、光纤环形器、光纤耦合器b顺序连接，所述参考臂和样品臂均与光纤耦合器b连接，所述的光纤耦合器b将入射光等分为两份分别输出到样品臂和参考臂；所述的样品臂由光纤准直器b、二向色镜、扩束镜和锥透镜依次连接构成；所述的参考臂包括顺序连接的光纤准直器c、透镜和反射镜，所述透镜还连接有一维移动平台；所述光纤环形器分别与光声信号检测光源、光纤耦合器b和光电探测器a连接；光纤耦合器b分别与光纤环形器、光电探测器a、光纤准直器b和光纤准直器c相连接；所述的干涉相位调制组件包括分束镜、光电探测器b、压电陶瓷驱动器、压电控制器和FPGA控制板，所述的分束镜、光电探测器b、FPGA控制板、压电控制器、以及压电陶瓷驱动器依次连接，所述压电陶瓷驱动器还与反射镜连接；所述分束镜连接至光纤准直器b和二向色镜之间。...

【技术特征摘要】
1.一种非接触式全光学光声成像装置，其特征在于，包括光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件、光声信号采集/处理组件和扫描平台，所述的光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件和光声信号采集/处理组件依次连接，光声信号采集/处理组件分别和光声信号激发组件、光声信号检测组件连接，干涉相位调制组件分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接，扫描平台分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接；所述的光声信号激发组件包括光声信号激发光源、光纤耦合器a、单模光纤和光纤准直器a；所述光声信号激发光源、光纤耦合器a、单模光纤和光纤准直器a依次连接，所述的光声信号激发光源分别与光声信号采集/处理组件和扫描平台连接；所述的光声信号激发组件用于激发样品产生光声信号；所述的光声信号检测组件包括光声信号检测光源、光纤环形器、光纤耦合器b、参考臂和样品臂，所述光声信号检测光源、光纤环形器、光纤耦合器b顺序连接，所述参考臂和样品臂均与光纤耦合器b连接，所述的光纤耦合器b将入射光等分为两份分别输出到样品臂和参考臂；所述的样品臂由光纤准直器b、二向色镜、扩束镜和锥透镜依次连接构成；所述的参考臂包括顺序连接的光纤准直器c、透镜和反射镜，所述透镜还连接有一维移动平台；所述光纤环形器分别与光声信号检测光源、光纤耦合器b和光电探测器a连接；光纤耦合器b分别与光纤环形器、光电探测器a、光纤准直器b和光纤准直器c相连接；所述的干涉相位调制组件包括分束镜、光电探测器b、压电陶瓷驱动器、压电控制器和FPGA控制板，所述的分束镜、光电探测器b、FPGA控制板、压电控制器、以及压电陶瓷驱动器依次连接，所述压电陶瓷驱动器还与反射镜连接；所述分束镜连接至光纤准直器b和二向色镜之间。2.根据权利要求1所述的非接触式全光学光声成像装置，其特征在于：所述的光纤准直器c和透镜严格光学同轴；所述的光纤准直器a、光纤准直器b、二向色镜、扩束镜和锥透镜严格光学同轴。3.根据权利要求1所述的非接触式全光学光声成像装置，其特征在于：所述的锥透镜是将同轴的光声信号激发光和光声信号检测光一起变为零阶贝塞尔光束，将焦长大小从微米级扩大到毫米级，使系统在更大的深度范围内保持良好的横向分辨率。4.根据权利要求1所述的非接触式全光学光声成像装置，其特征在于：所述的分束镜位于光学准直器b和二向色镜之间，与光电探测器b、FPGA控制板、压电控制器、驱动压电陶瓷驱动器和样品臂一起构成干涉信号过零点的闭环控制，即利用光电探测器b将由样品反射回的检测光的幅值传送给FPGA控制板，FPGA控制板先根据当前时刻样品臂光强值和干涉信号光强值计算出下一时刻干涉信号幅值变为零时参考臂光程值相应的变化量，再通过控制压电控制器来驱动压电陶瓷驱动器来改变参考臂的光程，依次循环形成闭环控制，使干涉信号维持在零点，从而使光声信号激发光源以内触发的方式工作，提高成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈重江，胡毅成，杨思华，邢达，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44