一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器和反射式光聲顯微鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于光聲成像聲壓檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器和反射式光聲顯微鏡，該聲信號(hào)探測(cè)器包括具有相互平行的兩個(gè)平面的棱鏡，所述相互平行的兩個(gè)平面中的一個(gè)平面鍍有薄膜，所述薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)。該聲信號(hào)探測(cè)器由于采用了光學(xué)傳感折射率的方法，使得待測(cè)物體具有免標(biāo)記、非接觸式的傳感檢測(cè)特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)帶寬、檢測(cè)靈敏的優(yōu)點(diǎn)。將此基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器應(yīng)用于反射式光聲顯微鏡中，可以實(shí)現(xiàn)生物活體的成像檢測(cè)。
【專利說明】
一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器和反射式光聲顯微鏡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光聲成像聲壓檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器和反射式光聲顯微鏡?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]采用壓電法(儀器被稱為超聲換能器)進(jìn)行聲壓信號(hào)的提取是目前的主流，許多課題組利用壓電探測(cè)器進(jìn)行光聲成像的研究，取得了豐碩的研究成果。盡管該技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟、應(yīng)用面也很廣泛，但它也存在一些難以克服的缺點(diǎn)。比如，該技術(shù)無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高頻率的檢測(cè)。采用壓電晶體接收超聲信號(hào)，靈敏度與接收頻率是相互矛盾的，壓電晶體的面積越小接收頻率就越高，而對(duì)應(yīng)的是靈敏度就越低。壓電探測(cè)器無法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)探測(cè)， 它所探測(cè)到的信號(hào)為壓電晶體面積的平均效應(yīng)。采用壓電晶體進(jìn)行光聲信號(hào)的拾取，必須在樣品與探頭之間，受壓電材料本身屬性的制約，超聲換能器普遍存在探測(cè)帶寬窄(約40? 60MHz)和靈敏度低(噪音等效聲壓:幾百?上千帕)的缺點(diǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器和反射式光聲顯微鏡，旨在解決現(xiàn)有的檢測(cè)器探測(cè)帶寬窄的問題。
[0004]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器，包括具有相互平行的兩個(gè)平面的棱鏡，所述相互平行的兩個(gè)平面中的一個(gè)平面鍍有薄膜，所述薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)。
[0005]進(jìn)一步地，所述薄膜為金屬薄膜或石墨烯薄膜。
[0006]本發(fā)明還提供一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器，包括多模光纖，所述多模光纖包括包層和置于包層內(nèi)的纖芯，所述多模光纖的纖芯具有一與所述多模光纖長(zhǎng)度延伸方向平行的截面，所述包層具有一使所述截面裸露于所述包層外的缺口，所述截面位于所述缺口處，所述截面上鍍有薄膜，所述薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)。
[0007]進(jìn)一步地，所述薄膜為金屬薄膜或石墨烯薄膜。
[0008]本發(fā)明還提供一種基于表面波的聲壓檢測(cè)器的反射式光聲顯微鏡，包括反射式顯微物鏡和聲信號(hào)探測(cè)器；
[0009]所述反射式顯微物鏡置于所述聲信號(hào)探測(cè)器的上方，用于將激光源發(fā)射的激光聚焦照射到待測(cè)物體上，使得所述待測(cè)物體吸收所述激光并產(chǎn)生光聲信號(hào)，所述光聲信號(hào)反向傳輸經(jīng)過待測(cè)物體上方的介質(zhì)發(fā)生折射后進(jìn)入所述聲信號(hào)探測(cè)器；
[0010]所述聲信號(hào)探測(cè)器置于所述待測(cè)物體的上方且位于所述反射式顯微物鏡的下方， 用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)，并根據(jù)所述光聲信號(hào)生成待測(cè)物體的用于使待測(cè)物體成像的檢測(cè)譜。
[0011]進(jìn)一步地，所述聲信號(hào)探測(cè)器為上下平面平行且下平面鍍有薄膜的棱鏡或者鍍有薄膜的多模光纖，所述薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)；
[0012]所述多模光纖包括包層和置于包層內(nèi)的纖芯，所述多模光纖的纖芯具有一與所述多模光纖長(zhǎng)度延伸方向平行的截面，所述包層具有一使所述截面裸露于所述包層外的缺口，所述截面位于所述缺口處，所述薄膜鍍于所述截面上。
[0013]進(jìn)一步地，所述反射式光聲顯微鏡還包括激發(fā)光路組件和探測(cè)光路組件；
[0014]所述激發(fā)光路組件用于發(fā)射脈沖激光聚焦到所述待測(cè)物體上，以激發(fā)待測(cè)物體產(chǎn)生光聲信號(hào)；
[0015]所述探測(cè)光路組件用于發(fā)出連續(xù)激光入射到所述聲信號(hào)探測(cè)器上以進(jìn)行全內(nèi)反射，并檢測(cè)經(jīng)過全內(nèi)反射后的反射光信號(hào)的折射率變化。
[0016]進(jìn)一步地，所述激發(fā)光路組件包括可調(diào)諧激光器、光闌、擴(kuò)束裝置、聚焦耦合透鏡和第一單模光纖；
[0017]所述可調(diào)諧激光器用于產(chǎn)生脈沖激光；
[0018]所述光闌置于所述可調(diào)諧激光器的前方，用于調(diào)整脈沖激光的光束大小；
[0019]所述擴(kuò)束裝置用于將從所述光闌出來的脈沖激光的光束進(jìn)行擴(kuò)大；
[0020]所述聚焦耦合透鏡置于所述擴(kuò)束裝置的前方，用于將經(jīng)過光束擴(kuò)大的脈沖激光進(jìn)行聚焦耦合；
[0021]所述第一單模光纖置于所述聚焦耦合透鏡的前方，用于將聚焦耦合后的脈沖激光傳輸?shù)剿龇瓷涫斤@微物鏡上。
[0022]進(jìn)一步地，所述激發(fā)光路組件還包括平面光裝置和平面鏡；[〇〇23]所述平面光裝置置于所述單模光纖的前方，用于將所述第一單模光纖輸出的激光源擴(kuò)束成準(zhǔn)平面光；
[0024]所述平面鏡置于所述平面光裝置的前方，用于改變脈沖激光的方向使脈沖激光能進(jìn)入到所述反射式顯微物鏡上。
[0025]進(jìn)一步地，所述探測(cè)光路組件包括激光器、波片、第一聚焦耦合透鏡、第二單模光纖、第一準(zhǔn)直耦合器、第二準(zhǔn)直耦合器、第三單模光纖、第二聚焦耦合透鏡、偏振分束器和平衡探測(cè)器;所述聲信號(hào)探測(cè)器的下方放置一水槽，所述待測(cè)物體置于所述水槽的下方； [〇〇26] 所述激光器用于產(chǎn)生連續(xù)激光；
[0027]所述波片置于所述激光器的前方，用于將所述連續(xù)激光調(diào)成圓偏光；
[0028]所述第一聚焦耦合透鏡置于所述波片的前方，用于將圓偏光進(jìn)行聚焦耦合；
[0029]所述第二單模光纖置于所述第一聚焦耦合透鏡的前方，用于將聚焦耦合后的連續(xù)激光進(jìn)行傳輸；
[0030]所述第一、第二準(zhǔn)直耦合器置于所述聲信號(hào)探測(cè)器的兩側(cè)，所述第一準(zhǔn)直耦合器用于將從所述第二單模光纖出來的光進(jìn)行準(zhǔn)直耦合，所述第二準(zhǔn)直耦合器用于將從所述聲信號(hào)探測(cè)器中出來的光進(jìn)行準(zhǔn)直耦合后輸出到所述第三單模光纖；
[0031]所述第三單模光纖用于傳輸從所述第二準(zhǔn)直耦合器出來的反射光；
[0032]所述第二聚焦耦合透鏡用于將所述反射光進(jìn)行聚焦耦合；
[0033]所述偏振分束器用于將進(jìn)行聚焦耦合后的反射光進(jìn)行分束，分為P偏振光和S偏振光；
[0034]所述平衡探測(cè)器置于所述偏振分束器后，用于檢測(cè)所述P偏振光和所述S偏振光的折射率變化量。
[0035]進(jìn)一步地，所述探測(cè)光路組件包括平面鏡，所述平面鏡置于偏振分束器的一側(cè)，用于調(diào)整從所述偏振分束器出來的S偏振光的方向。
[0036]進(jìn)一步地，所述聲壓檢測(cè)器還包括成像裝置，所述成像裝置根據(jù)所述平衡探測(cè)器檢測(cè)到的折射率變化量生成待測(cè)物體的光聲成像立體圖。[〇〇37]進(jìn)一步地，所述反射式光聲顯微鏡還包括三維電動(dòng)平臺(tái)，所述反射式顯微物鏡和所述聲信號(hào)探測(cè)器固設(shè)于三維電動(dòng)平臺(tái)上。
[0038]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:所述的基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器將薄膜鍍于棱鏡上相互平行的兩個(gè)平面中的一個(gè)面，使得薄膜能探測(cè)到經(jīng)過介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)，該光聲信號(hào)的變化反映了折射率的變化，從而可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)探測(cè)。該聲信號(hào)探測(cè)器由于采用了光學(xué)傳感折射率的方法，使得待測(cè)物體具有免標(biāo)記、非接觸式的傳感檢測(cè)特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)帶寬、檢測(cè)靈敏的優(yōu)點(diǎn)。將此基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器應(yīng)用于反射式光聲顯微鏡中，可以實(shí)現(xiàn)生物活體的成像檢測(cè)?！靖綀D說明】
[0039]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器的反射式光聲顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖3是基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇42]圖4是采用本發(fā)明的基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器測(cè)得的光聲信號(hào)示意圖；[〇〇43]圖5是采用本發(fā)明的基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器檢測(cè)到的光聲信號(hào)頻譜范圍示意圖；[〇〇44]圖6是采用本發(fā)明的基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器的反射式光聲顯微鏡檢測(cè)到的人體毛發(fā)樣品的光聲成像示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0045]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。[〇〇46] 一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器，包括具有相互平行的兩個(gè)平面的棱鏡，相互平行的兩個(gè)平面中的一個(gè)平面鍍有薄膜，薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)。
[0047]該基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器基于全內(nèi)反射原理、利用表面波高靈敏度傳感原理，使用相互平行的兩個(gè)平面中的鍍于其中一個(gè)平面的薄膜就可以探測(cè)到經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)。[〇〇48]本實(shí)施例中，薄膜為金屬薄膜或石墨烯薄膜。棱鏡為臺(tái)型棱鏡，該臺(tái)型棱鏡的橫截面為圓形或矩形，縱截面為梯形。金屬薄膜或石墨烯薄膜作為表面波產(chǎn)生的基底材料，表面金屬薄膜的厚度和石墨烯薄膜的厚度可以替換，不同薄膜層厚度會(huì)對(duì)最高檢測(cè)靈敏度有影響。金屬薄膜可以為金膜、銀膜等，優(yōu)選的，所鍍的金屬膜的厚度約45nm。石墨烯薄膜可以分為多層進(jìn)行蒸鍍，優(yōu)選的，石墨烯薄膜具有5層石墨烯，厚度為1.7nm。[〇〇49]如圖3所示，一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器，包括多模光纖301，多模光纖301包括包層302和置于包層302內(nèi)的纖芯303,多模光纖301的纖芯303具有一與多模光纖301長(zhǎng)度延伸方向平行的截面304，包層302具有一缺口 305，截面304位于缺口 305處，缺口 305使截面 304裸露于外面，截面304上鍍有薄膜，薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)。
[0050]本實(shí)施例中，薄膜為金屬薄膜或石墨烯薄膜。金屬薄膜或石墨烯薄膜作為表面波產(chǎn)生的基底材料，表面金屬薄膜的厚度和石墨烯薄膜的厚度可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)置為不同的值，不同薄膜層厚度會(huì)對(duì)最高檢測(cè)靈敏度有影響。金屬薄膜可以為金膜、銀膜等，優(yōu)選的， 所鍍的金屬膜的厚度約45nm。石墨烯薄膜可以分為多層進(jìn)行蒸鍍，優(yōu)選的，石墨烯薄膜具有 5層石墨稀，厚度為1.7nm〇
[0051]請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明其中一種實(shí)施例提供的基于表面波的聲壓檢測(cè)器的反射式光聲顯微鏡的結(jié)構(gòu)不意圖，該基于表面波的聲壓檢測(cè)器，包括反射式顯微物鏡101和聲信號(hào)探測(cè)器102。反射式顯微物鏡101置于聲信號(hào)探測(cè)器102的上方，用于將激光源發(fā)射的激光聚焦照射到待測(cè)物體103上。待測(cè)物體103吸收激光并產(chǎn)生光聲信號(hào)，光聲信號(hào)反向傳輸經(jīng)過待測(cè)物體上方的介質(zhì)發(fā)生折射后進(jìn)入聲信號(hào)探測(cè)器102。圖1中的待測(cè)物體103以小老鼠作為一個(gè)示意，但并不限于小老鼠，該待測(cè)物體可以是生物厚樣品、活體樣品，比如:各種細(xì)胞、各種動(dòng)物等。聲信號(hào)探測(cè)器102置于待測(cè)物體103的上方，用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)，并根據(jù)光聲信號(hào)生成待測(cè)物體103的檢測(cè)譜，該檢測(cè)譜可以用于使待測(cè)物體成像。該基于表面波的聲壓檢測(cè)器的反射式光聲顯微鏡整體結(jié)構(gòu)的激發(fā)與接收光聲信號(hào)互不干擾。
[0052]聲信號(hào)探測(cè)器102可以為上下平面平行且其中一個(gè)平面鍍有薄膜的棱鏡，或者，可以是鍍有薄膜的多模光纖。該棱鏡可以為臺(tái)型棱鏡，薄膜可以鍍于臺(tái)型棱鏡的下平面，或者，薄膜鍍于多模光纖的纖芯截面上。薄膜為金屬薄膜或石墨烯薄膜。
[0053]金屬薄膜或石墨烯薄膜作為表面波產(chǎn)生的基底材料，表面金屬薄膜的厚度和石墨烯薄膜的厚度可以替換，不同薄膜層厚度會(huì)對(duì)最高檢測(cè)靈敏度有影響。金屬薄膜可以為金膜、銀膜等，優(yōu)選的，所鍍的金屬膜的厚度約45nm。石墨烯薄膜可以分為多層進(jìn)行蒸鍍，優(yōu)選的，石墨稀薄膜具有5層石墨稀，厚度為1.7nm。[〇〇54]采用金屬薄膜作為產(chǎn)生表面波的基底材料，即將金屬薄膜鍍于臺(tái)型棱鏡或單模光纖的表面上，可以使得SPR差分光聲檢測(cè)理論檢測(cè)靈敏度可達(dá)到10_8RIU，在水中對(duì)應(yīng)于 0.07Pa的聲壓變化，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有超聲換能器的檢測(cè)靈敏度。同時(shí)，激發(fā)SPR的響應(yīng)時(shí)間是納秒量級(jí)，對(duì)應(yīng)理想頻帶寬度能達(dá)到1000MHz，也遠(yuǎn)高于現(xiàn)有超聲換能器的頻帶響應(yīng)寬度。
[0055]石墨烯薄膜相比金屬薄膜具有更好的熱傳導(dǎo)率、更大的熱損傷閾值，更適合高功率脈沖激光作為光聲信號(hào)的激發(fā)源。并且，石墨烯薄膜相比金屬薄膜具有更高的自由電子密度，因此石墨烯對(duì)于光的吸收時(shí)間響應(yīng)更快，能達(dá)到皮秒，甚至飛秒量級(jí)，其對(duì)應(yīng)的理想頻帶寬度更寬。[〇〇56] 如圖3所示，多模光纖301包括包層302和置于包層內(nèi)的纖芯303,多模光纖301的纖芯303具有一與多模光纖301長(zhǎng)度延伸方向平行的截面304,包層302具有一缺口 305,截面 304位于缺口 305處，缺口 305使得截面304裸露于包層302外面，薄膜鍍于截面304上。具體的，將多模光纖301的包層302沿與長(zhǎng)度垂直的方向上截開一段，使纖芯302的外表面裸露出來，裸露出來的纖芯302的外表面可以為截開的一段包層302對(duì)應(yīng)的纖芯303的二分之一外表面、三分之一外表面等。然后再將裸露出來的纖芯302沿著多模光纖301的長(zhǎng)度方向截開， 得到的截面304與多模光纖301的長(zhǎng)度延伸方向相平行，再在截面304上鍍上金屬薄膜或石墨稀薄膜。
[0057]該基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器使用反射式顯微物鏡將激光聚集照射到待測(cè)物體 103上，使得待測(cè)物體103吸收激光并產(chǎn)生光聲信號(hào)，然后再采用聲信號(hào)探測(cè)器檢測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸發(fā)生折射的光聲信號(hào)，并根據(jù)所述折射后的光聲信號(hào)生成待測(cè)物體的檢測(cè)譜。該聲信號(hào)探測(cè)器由于采用了光學(xué)傳感折射率的方法，使得待測(cè)物體具有免標(biāo)記、非接觸式的傳感檢測(cè)特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)帶寬、檢測(cè)靈敏的優(yōu)點(diǎn)。[〇〇58]請(qǐng)參閱圖2,圖2為本發(fā)明基于表面波的聲壓檢測(cè)器的反射式光聲顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖，該反射式光聲顯微鏡包括反射式顯微物鏡101、聲信號(hào)探測(cè)器102、激發(fā)光路組件和探測(cè)光路組件。
[0059]反射式顯微物鏡101置于聲信號(hào)探測(cè)器102的上方，用于將激光聚焦照射到待測(cè)物體103上。待測(cè)物體103吸收激光并產(chǎn)生光聲信號(hào)，光聲信號(hào)反向傳輸經(jīng)過介質(zhì)發(fā)生折射后進(jìn)入聲信號(hào)探測(cè)器102。
[0060]聲信號(hào)探測(cè)器102置于待測(cè)物體103的上方，用于檢測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)，并根據(jù)光聲信號(hào)生成待測(cè)物體103的檢測(cè)譜。探測(cè)光路器件102為鍍有薄膜的臺(tái)型棱鏡或者鍍有薄膜的單模光纖301，薄膜鍍于臺(tái)型棱鏡的下表面，或者薄膜鍍于單模光纖301的纖芯303 截面上。薄膜為金屬薄膜或石墨烯薄膜。關(guān)于金屬薄膜或者石墨烯薄膜的點(diǎn)請(qǐng)參照上一實(shí)施例，在此不再贅述。[0061 ]激發(fā)光路組件用于發(fā)射脈沖激光聚焦到待測(cè)物體103上，以激發(fā)待測(cè)物體103產(chǎn)生光聲信號(hào)。
[0062]激發(fā)光路組件包括可調(diào)諧激光器104、光闌105、擴(kuò)束裝置106、聚焦耦合透鏡107和第一單模光纖108。
[0063]可調(diào)諧激光器104用于產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光用于光聲成像。作為其中一個(gè)例子，該脈沖激光的波長(zhǎng)為532nm、脈沖寬度為1.8ns，其它波長(zhǎng)和脈沖寬度的脈沖激光也可以實(shí)現(xiàn)光聲成像，在光聲成像的過程中，需要根據(jù)脈沖激光的波長(zhǎng)和脈沖寬度進(jìn)行調(diào)整其它光學(xué)器件的參數(shù)。
[0064]光闌105置于可調(diào)諧激光器104的前方，用于調(diào)整脈沖激光的光束大小。
[0065]擴(kuò)束裝置106用于將從光闌105出來的脈沖激光的光束進(jìn)行擴(kuò)大。擴(kuò)束裝置106包括透鏡1061、針孔鏡頭1062和透鏡1063。
[0066]聚焦耦合透鏡107置于擴(kuò)束裝置106的前方，用于將經(jīng)過光束擴(kuò)大的脈沖激光進(jìn)行聚焦耦合。
[0067]第一單模光纖108置于聚焦耦合透鏡107的前方，用于將聚焦耦合后的脈沖激光傳輸?shù)椒瓷涫斤@微物鏡101上。第一單模光纖108的激光從光纖端口 111中進(jìn)行輸出。利用光纖對(duì)脈沖激光進(jìn)行耦合傳輸，就是利用光纖傳輸?shù)姆€(wěn)定性，保證在平臺(tái)掃描成像的過程中，光信號(hào)在系統(tǒng)的核心部分包括反射式顯微物鏡101，臺(tái)型棱鏡中沒有變化，從而能夠保證在均一條件下實(shí)現(xiàn)光聲成像。
[0068]激發(fā)光路組件還包括平面光裝置109和平面鏡110。平面光裝置109置于單模光纖 108的前方，用于將第一單模光纖108輸出的激光源擴(kuò)束成準(zhǔn)平面光。平面鏡110置于平面光裝置109的前方，用于改變脈沖激光的方向使其能進(jìn)入到反射式顯微物鏡101上。
[0069]脈沖激光經(jīng)過光闌105、擴(kuò)束裝置106和聚焦耦合透鏡107后，進(jìn)入高數(shù)值孔徑的反射式顯微物鏡101作為激發(fā)源，產(chǎn)生聲壓信號(hào)。聲壓信號(hào)的產(chǎn)生是由于脈沖激光經(jīng)高數(shù)值孔徑的反射式顯微物鏡101聚焦到待測(cè)物體103上，樣品通過吸收，因瞬時(shí)熱彈性效應(yīng)產(chǎn)生的寬帶超起波(即光聲信號(hào))。產(chǎn)生的光聲信號(hào)通過介質(zhì)傳遞到聲信號(hào)探測(cè)器102的表面，引起折射率的變化。該介質(zhì)可以為空氣、液體，比如，水、油、溶液等。折射率變化是由于聲信號(hào)引起介質(zhì)密度的微小變化，比如，水或者空氣，物質(zhì)密度的變化，表現(xiàn)之一就是折射率的變化。
[0070]探測(cè)光路組件用于發(fā)出連續(xù)激光入射到聲信號(hào)探測(cè)器102上以進(jìn)行全內(nèi)反射，并檢測(cè)經(jīng)過全內(nèi)反射后的反射光信號(hào)的折射率變化。
[0071]探測(cè)光路組件包括激光器201、波片202、第一聚焦耦合透鏡203、第二單模光纖 204、第一準(zhǔn)直耦合器205、第二準(zhǔn)直耦合器206、第三單模光纖207、第二聚焦耦合透鏡208、 偏振分束器210和平衡探測(cè)器211。聲信號(hào)探測(cè)器102的下方放置一水槽213,待測(cè)物體103置于水槽213的下方。[〇〇72] 激光器201用于產(chǎn)生連續(xù)激光。[〇〇73]波片202置于激光器201的前方，用于將連續(xù)激光調(diào)成圓偏光，該波片202可以為四分之一波片。[〇〇74]第一聚焦耦合透鏡203置于波片202的前方，用于將圓偏光進(jìn)行聚焦耦合。[〇〇75]第二單模光纖204置于第一聚焦耦合透鏡203的前方，用于將聚焦耦合后的連續(xù)激光進(jìn)行傳輸。第二單模光纖204的激光從光纖端口 217進(jìn)行輸出。即將連續(xù)激光耦合進(jìn)入光纖，實(shí)現(xiàn)光纖傳輸，聚焦于聲信號(hào)探測(cè)器102的表面。[0〇76] 第一、第二準(zhǔn)直親合器205、206置于聲信號(hào)探測(cè)器102的兩側(cè)。第一準(zhǔn)直親合器205 用于將從第二單模光纖204出來的光進(jìn)行準(zhǔn)直耦合。第二準(zhǔn)直耦合器206用于將從聲信號(hào)探測(cè)器102中出來的光進(jìn)行準(zhǔn)直耦合后輸出到第三單模光纖207。[〇〇77]第三單模光纖207用于傳輸從第二準(zhǔn)直耦合器206出來的反射光。第三單模光纖 207的激光從光纖端口216中進(jìn)行輸出。在探測(cè)光路中，利用第二單模光纖204、第三單模光纖207和第一、第二準(zhǔn)直耦合器205、206進(jìn)行耦合傳輸，光纖傳輸使得連續(xù)激光具有穩(wěn)定性， 從而保證了平臺(tái)掃描成像過程中，光信號(hào)在系統(tǒng)的核心部分包括反射式顯微物鏡101和聲信號(hào)探測(cè)器102中沒有變化，從而保證在均一條件下實(shí)現(xiàn)光聲成像。[〇〇78]第二聚焦耦合透鏡208用于將反射光進(jìn)行聚焦耦合。[〇〇79]偏振分束器210用于將進(jìn)行聚焦耦合后的反射光進(jìn)行分束，分為P偏振光和S偏振光。
[0080]平衡探測(cè)器211置于偏振分束器210后，用于檢測(cè)P偏振光和S偏振光的折射率變化量。
[0081]探測(cè)光路組件還可以包括平面鏡209,平面鏡209置于偏振分束器的一側(cè)，用于調(diào)整從偏振分束器210出來的S偏振光的方向。[〇〇82]連續(xù)激光經(jīng)過四分之一波片202調(diào)制成圓偏光，經(jīng)第一聚焦耦合透鏡203聚焦耦合，利用第二單模光纖204進(jìn)行傳輸，入射到臺(tái)型棱鏡的表面，利用全內(nèi)反射，檢測(cè)紅光的反射光信號(hào)，反射光再經(jīng)過第三單模光纖207傳輸，第二聚焦耦合透鏡208聚焦耦合，偏振分束器210分為P偏振與S偏振兩部分光，利用平衡探測(cè)器211檢測(cè)圓偏振光中P偏振分量和S偏振分量的強(qiáng)度差，實(shí)現(xiàn)臺(tái)型棱鏡表面的折射率變化的測(cè)量，通過檢測(cè)共光路中的P和S偏振光分量的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)差分檢測(cè)，可以有效的降低環(huán)境干擾，包括激光器的不穩(wěn)定，環(huán)境震動(dòng)，溫度變化等因素的影響，提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。
[0083]聲壓檢測(cè)器還包括成像裝置212、控制數(shù)據(jù)卡215和三維平臺(tái)，成像裝置212根據(jù)平衡探測(cè)器211檢測(cè)到的折射率變化量生成待測(cè)物體的光聲成像立體圖，該成像裝置可以為臺(tái)式電腦、筆記本電腦等。該三維平臺(tái)可以是三維電動(dòng)平臺(tái)、也可以是三維手動(dòng)平臺(tái)。反射式顯微物鏡101、聲信號(hào)探測(cè)器102等器件固設(shè)于三維電動(dòng)平臺(tái)上。圖中虛線框214部分的光學(xué)器件反射式顯微物鏡101、聲信號(hào)探測(cè)器102、平面光裝置109、平面鏡110、第一準(zhǔn)直耦合器205、第二準(zhǔn)直耦合器206和水槽213均可以固設(shè)于三維電動(dòng)平臺(tái)上?？刂茢?shù)據(jù)卡215與成像裝置212連接，用于控制三維平臺(tái)的高精度移動(dòng)，以及控制可調(diào)諧激光器104和平衡探測(cè)器211，以確保三維平臺(tái)、可調(diào)諧激光器104和平衡探測(cè)器211之間的同步。成像裝置212還用于對(duì)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。通過三維電動(dòng)平臺(tái)的三維掃描實(shí)現(xiàn)光聲成像，該三維電動(dòng)平臺(tái)具有掃描范圍大的優(yōu)點(diǎn)，適用于生物厚樣品、活體樣品的光聲成像。
[0084]在光聲成像過程中，待測(cè)物體103放置在掃描平臺(tái)下方，待測(cè)物體103可以是活體組織樣品。利用三維電動(dòng)平臺(tái)掃描，實(shí)現(xiàn)光聚焦照射在待測(cè)物體103的不同部位，當(dāng)脈沖激光經(jīng)反射式顯微物鏡101聚焦激發(fā)待測(cè)物體103,由于待測(cè)物體103吸收產(chǎn)生光聲信號(hào)，光聲信號(hào)反向傳輸進(jìn)入水槽213經(jīng)水傳導(dǎo)到聲信號(hào)探測(cè)器102的表面，引起表面折射率的微弱變化，因?yàn)槊}沖光信號(hào)不會(huì)引起表面折射率的變化，因此通過檢測(cè)表面折射率的變化可以得到確切的光聲信號(hào)。由于聲信號(hào)探測(cè)器102不同部位對(duì)于光吸收并不相同，會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度聲譜的光聲信號(hào)。不同強(qiáng)度的光聲信號(hào)造成表面折射率大小的變化，不同聲譜的光聲信號(hào)也會(huì)引起折射率變化的時(shí)間響應(yīng)不同。利用聲信號(hào)探測(cè)器102檢測(cè)折射率大小變化量和時(shí)間響應(yīng)特性，從而可以分析出待測(cè)物體103的物質(zhì)成分。利用三維平臺(tái)，縱向掃描可以實(shí)現(xiàn)不同深度待測(cè)物體103的檢測(cè)，橫向掃描實(shí)現(xiàn)同一深度平面內(nèi)待測(cè)物體103的檢測(cè)，成像分辨率由三維平臺(tái)精度與光聲信號(hào)檢測(cè)譜寬決定，將待測(cè)物體103不同部位的掃描信息組合就可以實(shí)現(xiàn)一副完整的光聲成像立體圖。如圖4所示，為基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器測(cè)得的光聲信號(hào)示意圖，如圖5所示，為采用本發(fā)明的基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器檢測(cè)到的光聲信號(hào)頻譜范圍示意圖。
[0085]基于表面波的聲壓檢測(cè)器的反射式光聲顯微鏡可以分為激發(fā)光路組件和探測(cè)光路組件，激發(fā)光路部分主要由可調(diào)諧激光器104、光闌105、擴(kuò)束裝置106、聚焦耦合透鏡107 和第一單模光纖108等光學(xué)器件組成，探測(cè)光路部分主要由激光器201、波片202、第一聚焦耦合透鏡203、第二單模光纖204、第一準(zhǔn)直耦合器205、第二準(zhǔn)直耦合器206、第三單模光纖 207、第二聚焦耦合透鏡208、偏振分束器210和平衡探測(cè)器211等光學(xué)器件組成。
[0086]激發(fā)光路中的脈沖激光從可調(diào)諧激光器104出來，經(jīng)過光闌，擴(kuò)束，光纖耦合，單模光纖傳輸，平面鏡反射進(jìn)入反射式顯微物鏡101。脈沖激光經(jīng)過高數(shù)值孔徑的反射式顯微物鏡101聚焦激發(fā)待測(cè)物體103,利用瞬時(shí)熱彈性效應(yīng)產(chǎn)生的寬帶超聲波(即光聲信號(hào))，采用脈沖光激發(fā)，是由于聲信號(hào)是一個(gè)寬譜信號(hào)，可以通過檢測(cè)光聲信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)，利用時(shí)域-頻域變化分析，得到光聲信號(hào)的整個(gè)寬譜信息。入射的激光將有很大部分被吸收或透過待測(cè)物體103,如果待測(cè)物體103屬于薄層或透明體激光將能透過，其反射比例較小，而產(chǎn)生的光聲信號(hào)基本屬于各向同向傳輸，通過探測(cè)光路檢測(cè)后向傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)，最大的優(yōu)勢(shì)是可以避免激發(fā)光路中的激光的干擾，可以實(shí)現(xiàn)活體厚樣品的檢測(cè)。探測(cè)光路中，連續(xù)激光經(jīng)過1/4波片202調(diào)制成圓偏光，經(jīng)聚焦耦合，利用單模光纖傳輸，入射到臺(tái)式棱鏡表面，利用全內(nèi)反射，檢測(cè)紅光的反射光信號(hào)，反射光經(jīng)聚焦耦合，第三單模光纖207傳輸，偏振分束器210分為P偏振與S偏振兩部分光，利用平衡探測(cè)器211檢測(cè)圓偏振光中P偏振分量和S偏振分量的強(qiáng)度差，實(shí)現(xiàn)臺(tái)型棱鏡表面的折射率變化的測(cè)量，通過檢測(cè)共光路中的P和S偏振光分量的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)差分檢測(cè)，可以有效的降低環(huán)境干擾，提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。由于臺(tái)型棱鏡的表面或單模光纖301的纖芯303截面鍍金屬薄膜或石墨烯薄膜，可以進(jìn)一步增大由表面微弱折射率變化引起的兩種偏振光分量的反射強(qiáng)度差，起到放大信號(hào)的作用，提高檢測(cè)靈敏度。如圖6所示，為采用基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器的反射式光聲顯微鏡檢測(cè)得到的人體毛發(fā)樣品的光聲成像示意圖。[〇〇87]本發(fā)明的基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器的反射式光聲顯微鏡使用反射式顯微物鏡將激光聚集照射到待測(cè)物體103上，使得待測(cè)物體103吸收激光并產(chǎn)生光聲信號(hào)，然后再采用聲信號(hào)探測(cè)器102檢測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸發(fā)生折射的光聲信號(hào)，并根據(jù)折射后的光聲信號(hào)生成待測(cè)物體的檢測(cè)譜。本發(fā)明中光學(xué)表面波傳感技術(shù)采用光學(xué)傳感折射率的方法實(shí)現(xiàn)，具有免標(biāo)記、非接觸式的傳感檢測(cè)特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于細(xì)胞和分子水平檢測(cè)。由于任何微小的變化和作用都極易引起折射率的改變，因此聲波振動(dòng)引起的溶液折射率輕微變化也可以被光學(xué)表面波探測(cè)到。表面波在聲波探測(cè)帶寬、靈敏度等方面均有優(yōu)勢(shì):表面波傳播距離短，時(shí)間響應(yīng)快，一般為Ins以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)更高的探測(cè)帶寬;并且表面波對(duì)折射率微小變化有超強(qiáng)敏感性，可以實(shí)現(xiàn)l〇Pa水平的探測(cè)靈敏度；同時(shí)，由于表面波對(duì)不同偏振的響應(yīng)特性，利用偏振差分方法可以極大提高信號(hào)對(duì)比度。
[0088]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，包括具有相互平行的兩個(gè)平面的棱 鏡，所述相互平行的兩個(gè)平面中的一個(gè)平面鍍有薄膜，所述薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，所述薄膜為金屬薄膜或石墨烯薄膜。3.—種基于表面波的聲信號(hào)探測(cè)器，包括多模光纖，其特征在于，所述多模光纖包括包 層和置于包層內(nèi)的纖芯，所述多模光纖的纖芯具有一與所述多模光纖長(zhǎng)度延伸方向平行的 截面，所述包層具有一使所述截面裸露于所述包層外的缺口，所述截面位于所述缺口處，所 述截面上鍍有薄膜，所述薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，所述薄膜為金屬薄膜或石墨烯薄 膜。5.—種基于表面波的聲壓檢測(cè)器的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，包括反射式顯微 物鏡和聲信號(hào)探測(cè)器；所述反射式顯微物鏡置于所述聲信號(hào)探測(cè)器的上方，用于將激光源發(fā)射的激光聚焦照 射到待測(cè)物體上，使得所述待測(cè)物體吸收所述激光并產(chǎn)生光聲信號(hào)，所述光聲信號(hào)反向傳 輸經(jīng)過待測(cè)物體上方的介質(zhì)發(fā)生折射后進(jìn)入所述聲信號(hào)探測(cè)器；所述聲信號(hào)探測(cè)器置于所述待測(cè)物體的上方且位于所述反射式顯微物鏡的下方，用于 探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)墓饴曅盘?hào)，并根據(jù)所述光聲信號(hào)生成待測(cè)物體的用于使待測(cè)物體成像的 檢測(cè)譜。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，所述聲信號(hào)探測(cè)器為上下平 面平行且下平面鍍有薄膜的棱鏡或者鍍有薄膜的多模光纖，所述薄膜用于探測(cè)經(jīng)介質(zhì)傳輸 的光聲信號(hào)；所述多模光纖包括包層和置于包層內(nèi)的纖芯，所述多模光纖的纖芯具有一與所述多模 光纖長(zhǎng)度延伸方向平行的截面，所述包層具有一使所述截面裸露于所述包層外的缺口，所 述截面位于所述缺口處，所述薄膜鍍于所述截面上。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，所述反射式光聲顯微鏡還包 括激發(fā)光路組件和探測(cè)光路組件；所述激發(fā)光路組件用于發(fā)射脈沖激光聚焦到所述待測(cè)物體上，以激發(fā)待測(cè)物體產(chǎn)生光聲信號(hào)；所述探測(cè)光路組件用于發(fā)出連續(xù)激光入射到所述聲信號(hào)探測(cè)器上以進(jìn)行全內(nèi)反射，并 檢測(cè)經(jīng)過全內(nèi)反射后的反射光信號(hào)的折射率變化。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，所述激發(fā)光路組件包括可調(diào) 諧激光器、光闌、擴(kuò)束裝置、聚焦耦合透鏡和第一單模光纖；所述可調(diào)諧激光器用于產(chǎn)生脈沖激光；所述光闌置于所述可調(diào)諧激光器的前方，用于調(diào)整脈沖激光的光束大小；所述擴(kuò)束裝置用于將從所述光闌出來的脈沖激光的光束進(jìn)行擴(kuò)大；所述聚焦耦合透鏡置于所述擴(kuò)束裝置的前方，用于將經(jīng)過光束擴(kuò)大的脈沖激光進(jìn)行聚 焦耦合；所述第一單模光纖置于所述聚焦耦合透鏡的前方，用于將聚焦耦合后的脈沖激光傳輸?shù)剿龇瓷涫斤@微物鏡上。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，所述激發(fā)光路組件還包括平 面光裝置和平面鏡；所述平面光裝置置于所述單模光纖的前方，用于將所述第一單模光纖輸出的激光源擴(kuò) 束成準(zhǔn)平面光；所述平面鏡置于所述平面光裝置的前方，用于改變脈沖激光的方向使脈沖激光能進(jìn)入 到所述反射式顯微物鏡上。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，所述探測(cè)光路組件包括激 光器、波片、第一聚焦耦合透鏡、第二單模光纖、第一準(zhǔn)直耦合器、第二準(zhǔn)直耦合器、第三單 模光纖、第二聚焦耦合透鏡、偏振分束器和平衡探測(cè)器;所述聲信號(hào)探測(cè)器的下方放置一水 槽，所述待測(cè)物體置于所述水槽的下方；所述激光器用于產(chǎn)生連續(xù)激光；所述波片置于所述激光器的前方，用于將所述連續(xù)激光調(diào)成圓偏光；所述第一聚焦耦合透鏡置于所述波片的前方，用于將圓偏光進(jìn)行聚焦耦合；所述第二單模光纖置于所述第一聚焦耦合透鏡的前方，用于將聚焦耦合后的連續(xù)激光 進(jìn)行傳輸；所述第一、第二準(zhǔn)直耦合器置于所述聲信號(hào)探測(cè)器的兩側(cè)，所述第一準(zhǔn)直耦合器用于 將從所述第二單模光纖出來的光進(jìn)行準(zhǔn)直耦合，所述第二準(zhǔn)直耦合器用于將從所述聲信號(hào) 探測(cè)器中出來的光進(jìn)行準(zhǔn)直耦合后輸出到所述第三單模光纖；所述第三單模光纖用于傳輸從所述第二準(zhǔn)直耦合器出來的反射光；所述第二聚焦耦合透鏡用于將所述反射光進(jìn)行聚焦耦合；所述偏振分束器用于將進(jìn)行聚焦耦合后的反射光進(jìn)行分束，分為P偏振光和S偏振光；所述平衡探測(cè)器置于所述偏振分束器后，用于檢測(cè)所述P偏振光和所述S偏振光的折射率變化量。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，所述探測(cè)光路組件包括平 面鏡，所述平面鏡置于偏振分束器的一側(cè)，用于調(diào)整從所述偏振分束器出來的S偏振光的方 向。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，所述聲壓檢測(cè)器還包括成 像裝置，所述成像裝置根據(jù)所述平衡探測(cè)器檢測(cè)到的折射率變化量生成待測(cè)物體的光聲成 像立體圖。13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反射式光聲顯微鏡，其特征在于，所述反射式光聲顯微鏡還 包括三維電動(dòng)平臺(tái)，所述反射式顯微物鏡和所述聲信號(hào)探測(cè)器固設(shè)于三維電動(dòng)平臺(tái)上。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK106092901SQ201610397108
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日 公開號(hào)201610397108.8, CN 106092901 A, CN 106092901A, CN 201610397108, CN-A-106092901, CN106092901 A, CN106092901A, CN201610397108, CN201610397108.8
【發(fā)明人】張崇磊, 邢飛, 閔長(zhǎng)俊, 袁小聰
【申請(qǐng)人】深圳大學(xué)