CN111948145A - 一种基于超声调制的贝塞尔光束大景深光声显微成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像装置，包括脉冲激光器、压电陶瓷圆管、三维扫描器和函数发生器、数字脉冲延时器、D型触发器构成的同步电路。脉冲激光器发射激光脉冲，入射至填充满液体的压电陶瓷圆管，函数发生器对压电陶瓷圆管施加正弦射频信号，压电陶瓷圆管在径向上振动产生超声波，径向上液体折射率表现为零阶贝塞尔函数分布，同步电路同步激光器出光和压电陶瓷圆管的折射率变化，使脉冲激光器在压电陶瓷圆管折射率变化为正最大的时候出光，此时，从压电陶瓷圆管出来的光束为贝塞尔光束，通过第五透镜聚焦在样品上。本发明使用超声调制产生贝塞尔光束，实现光声显微成像成像景深的拓展，利于对生理活动的快速大范围监测。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域，特别是涉及一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像装置及方法。
背景技术
光声成像技术是近些年迅猛发展的生物医学成像技术，它结合了光学成像的高对比度和声学成像的高穿透性和高分辨率，具有成像深度深、空间分辨率高的生物医学成像方式。近些年在生物医学的各个领域有着广泛的应用，如血管结构、肿瘤探测、脑结构和功能成像。光声显微成像是光声成像的重要分支，具有较高的空间分辨率，可实现从细胞到组织的多尺度成像。在光声显微成像中，光焦点和声焦点通常是共轴共焦的，横向分辨率由光焦点和声焦点共同决定，可分为光学分辨光声显微成像系统和声学分辨光声显微成像系统。在声学分辨光声显微成像系统中，入射光为弱聚焦，光焦点尺寸远远大于声焦点大小，因此，横向分辨率由较小的声焦点来决定。在光学分辨光声显微成像系统中，通常使用高数值孔径的物镜对入射光进行强聚焦，光焦点尺寸远远小于声焦点，横向分辨率则取决于光焦点的大小。然而，在光学分辨光声显微成像系统中，对光束进行强聚焦来获得高分辨率会导致成像景深较小，横向分辨率在光焦点外会迅速恶化。较小的成像景深导致系统体积成像速度受限，无法对生理活动等进行快速大范围的监测。
为了解决这个问题，很多研究者提出了不同的方法。一种比较普遍由简单的方法是使用机械扫描的方式，但这种方法存在扫描速度慢、精度有限，引入机械振动等问题。也有研究者通过使用从上下两个方向进行照明以获得两倍的成像景深，但这种方式系统只能为透射式，仅能对透明或者较薄的样品进行大景深成像。也有研究者利用非消色差物镜的色差特性，利用多波长激光器来产生沿轴向的多个焦点，从而获得系统轴向成像范围的提升，但该方法牺牲了系统的功能成像。
发明内容
基于此，有必要针对上述提到的问题，提供一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像装置及方法。
一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像装置，其特征在于：所述的基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像装置主要包括脉冲激光器、压电陶瓷圆管、三维扫描器和函数发生器、数字脉冲延时器。
一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像方法，包括：
S1：脉冲激光器发射激光脉冲，经过扩束系统将光斑大小整形至和压电陶瓷圆管口径相当后入射至填充满光学透明液体的压电陶瓷圆管；
S2：使用函数发生器对压电陶瓷圆管施加一个正弦射频信号，压电陶瓷圆管内外壁发生振动并产生超声波，超声波会周期性地调制局部光学透明液体密度，进而改变光学透明液体折射率分布，径向上光学透明液体折射率分布表现为零阶贝塞尔函数分布，并且和正弦射频信号同步变化；
S3：使用同步电路同步激光器出光和压电陶瓷圆管内液体折射率的变化，使激光器固定在折射率变化的一个相位上出光；
通过控制数字脉冲延时器的延时可以使脉冲激光器在压电陶瓷圆管内液体折射率变为正最大的时候出光，此时压电陶瓷圆管内液体径向折射率分布为零阶贝塞尔函数分布。这样，经超声调制后从压电陶瓷圆管出来的光束为贝塞尔光束。
S4:将获得的贝塞尔光束通过第五聚光透镜聚焦至样品上。产生的光声信号经过声透镜探测，经放大器放大，最后被采集卡采集。
S5:使用三维扫描器进行二维光栅扫描获取三维数据
S1中扩束系统由第一聚光透镜和第二聚光透镜构成。
优选的，压电陶瓷圆管经过极化后在内外壁上加镀形成内电极和外电极，内电极从一端延展到外壁上，所述内电极与所述外电极在外壁上和另一端的端面形成两个间隙。
优选的，激光脉冲竖直入射至压电陶瓷圆管，压电陶瓷圆管为竖直放置，这是为避免横向放置时因为重力导致径向折射率分布不对称。
优选的，所述光学透明液体为硅油，所述硅油的运动粘度为50-150cSt、折射率为1-2、声速为800-1200米/秒。
S2中所述的经超声调制后的光学透明液体折射率分布为
其中n0为介质的静态折射率，cs为介质中的声速，ω为驱动信号的频率，r和t分别表示位置和时间，J0为零阶贝塞尔函数，na是与ω、声介质物理特性有关的常数，折射率分布表现为零阶贝塞尔函数，且随时间与驱动信号同步变化。
优选的，S3所述的同步电路由三维扫描器、函数发生器、D型触发器、数字脉冲延时器构成，使用函数发生器输出正弦射频信号驱动压电陶瓷圆管，正弦射频信号的同步信号接入D型触发器的时钟端，三维扫描器在横向每移动一步会输出位置同步信号，该位置同步信号为TTL方波信号(频率远小于压电陶瓷圆管的正弦驱动信号频率，如几千赫兹)接入D型触发器的D端；
根据D型触发器的特征方程，只有在同步信号上升沿时，D型触发器才被触发，输出信号等于输入信号；D型触发器的输出端接入数字脉冲延时器，数字脉冲延时器输出端用于触发脉冲激光器；
通过调节数字脉冲延时器的延时可以使脉冲激光器在压电陶瓷圆管内液体折射率变化至正最大的时候出光。此时从压电陶瓷圆管出来的光束即为贝塞尔光束。
优选的，S4中声透镜由超声换能器和声光耦合棱镜构成，所述声光耦合棱镜的数值孔径为0.5。
本发明的优点及有益效果是：
本发明的优势是压电陶瓷圆管在正弦射频信号的驱动下产生超声波，超声波调制光学透明液体径向折射率分布为零阶贝塞尔函数分布，继而获得贝塞尔光束。贝塞尔光束相较于高斯光束具有无衍射特性，具有更大的景深。该装置将提升光声显微成像系统的景深，进而提升其体积成像速度，能够更好地对生理活动进行快速大范围高分辨监测，拓展其在生物医学上的应用范围。
附图说明
图1为本发明一实施例中的基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像装置示意图；
图2为压电陶瓷圆管内填充液体折射率变化至正最大时径向分布。
图中：1、脉冲激光器；2、第一聚光透镜；3、第二聚光透镜；4、第一反射镜；5、第二反射镜；6、压电陶瓷圆管；7、第三聚光透镜；8、第四聚光透镜；9、第五聚光透镜；10、函数发生器；11、D型触发器；12、数字脉冲延时器；13、超声换能器；14、声光耦合棱镜；15、水槽；16、样品；17、三维扫描器；18、放大器；19、采集卡；20、工作站。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
本发明的装置和方法：图1为本发明整套成像装置的结构示意图。激光光源为Nd:YLF脉冲激光器1，脉冲激光器1脉冲发放频率为1KHz、波长为523纳秒、脉宽为9纳秒的激光。激光出射后通过由第一聚光透镜2和第二聚光透镜3组成的扩束系统整形至光斑直径20mm，然后经第一反射镜4后将光束由水平转换成竖直，接着垂直入射进压电陶瓷圆管6。从压电陶瓷圆管出来的激光然后通过第三聚光透镜7后被第二反射镜5反射后进入第四聚光透镜8，最后通过第五聚光透镜9强聚焦于样品16上，在焦点区域产生贝塞尔光束，并激发产生光声信号。产生的光声信号被声光耦合棱镜(数值孔径为0.5)14和超声换能器13(中心频率50MHz,奥林巴斯)探测接收，经放大器18放大后被采样率为500MHz的信号采集卡19采集(采样数：1024个)。采集到的信号传输到工作站20进行分析。水槽15的作用是用来耦合光声信号的。三维扫描器17用于在横向和轴向上调节样品16的位置。
压电陶瓷圆管6(PZT-8)装满硅油(100cSt)。压电陶瓷圆管内径为16mm，外径为20mm，长度为20mm。硅油折射率为1.403，声速为1000m/s。当压电陶瓷圆管被一个正弦射频驱动信号所驱动时，硅油折射率表现为与驱动信号同步变化。
使用函数发生器10发出频率为707kHz，峰峰值电压为10Vp-p的正弦驱动信号驱动压电陶瓷圆管6，同时驱动信号的同步信号接入D型触发器11的时钟端。三维扫描器17在横向每移动一步会输出位置同步信号接入D型触发器的D端，该位置同步信号为TTL方波信号(频率远小于压电陶瓷圆管的正弦驱动信号频率，如几千赫兹)。D型触发器的输出端接入一个数字脉冲延时器12,数字脉冲延时器12输出信号作为脉冲激光器1的触发信号，这样脉冲激光器1就和压电陶瓷圆管6驱动信号同步，激光脉冲与压电陶瓷圆管6的某个振动态同步。这样通过调节数字脉冲延时器12的延时可以使激光器在压电陶瓷圆管折射率变化为正最大的时候出光，此时，压电陶瓷圆管内液体径向折射率分布为零阶贝塞尔函数分布，如图2所示。这样，经超声调制后从压电陶瓷圆管出来的光束为贝塞尔光束。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像装置，包括：脉冲激光器(1)、压电陶瓷圆管(6)、三维扫描器(17)、数字脉冲延时器(12)、函数发生器(10)；
所述脉冲激光器(1)和所述数字脉冲延时器(12)、工作站(20)电性连接；
所述函数发生器(10)和D型触发器(11)、压电陶瓷圆管(6)电性连接；
所述工作站(20)和脉冲激光器(1)、采集卡(19)、三维扫描器(17)电性连接。
2.一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像方法，包括：
S1：脉冲激光器(1)发射激光脉冲，经过扩束系统将光斑大小整形至和压电陶瓷圆管(6)口径相当后入射至填充满光学透明液体的压电陶瓷圆管(6)；
S2：使用函数发生器(10)对压电陶瓷圆管(6)施加一个正弦射频信号，压电陶瓷圆管(6)内外壁发生振动并产生超声波，超声波会周期性地调制局部光学透明液体密度，进而改变光学透明液体折射率分布，径向上光学透明液体折射率分布表现为零阶贝塞尔函数分布，并且和正弦射频信号同步变化；
S3：使用同步电路同步脉冲激光器(1)出光和压电陶瓷圆管(6)内液体折射率的变化，使脉冲激光器(1)固定在折射率变化的一个相位上出光；
通过控制数字脉冲延时器(12)的延时使脉冲激光器(1)在压电陶瓷圆管(6)内液体折射率变为正最大的时候出光，此时压电陶瓷圆管(6)内液体径向折射率分布为零阶贝塞尔函数分布，这样，经超声调制后从压电陶瓷圆管(6)出来的光束为贝塞尔光束；
S4:将获得的贝塞尔光束通过第五聚光透镜(9)聚焦至样品(16)上，产生的光声信号经过声透镜探测，经放大器(18)放大，最后被采集卡(19)采集；
S5:使用三维扫描器(17)进行二维光栅扫描获取三维数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像方法，其特征在于：
S1中所述扩束系统由第一聚光透镜(2)和第二聚光透镜(3)构成，
所述压电陶瓷圆管(6)经过极化后在内外壁上加镀形成内电极和外电极，内电极从一端延展到外壁上，所述内电极与所述外电极在外壁上和另一端的端面形成两个间隙，
所述激光脉冲竖直入射至压电陶瓷圆管(6)，为避免横向放置时因为重力导致径向折射率分布不对称，压电陶瓷圆管(6)为竖直放置，所述光学透明液体为硅油，所述硅油的运动粘度为50-150cSt、折射率为1-2、声速为800-1200米/秒。
4.根据权利要求2所述的一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像方法，其特征在于：
S2的经超声调制后的所述光学透明液体折射率分布为
其中n0为介质的静态折射率，cs为介质中的声速，ω为驱动信号的频率，r和t分别表示位置和时间，J0为零阶贝塞尔函数，na是与ω、声介质物理特性有关的常数，折射率分布表现为零阶贝塞尔函数，且随时间与驱动信号同步变化。
5.根据权利要求2所述的一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像方法，其特征在于：
S3所述的同步电路由三维扫描器(17)、函数发生器(10)、D型触发器(11)、数字脉冲延时器(12)构成，使用函数发生器(10)输出正弦射频信号驱动压电陶瓷圆管(6)，正弦射频信号的同步信号接入D型触发器(11)的时钟端，三维扫描器(17)在横向每移动一步会输出位置同步信号接入D型触发器(11)的D端，所述位置同步信号为TTL方波信号；
根据D型触发器(11)的特征方程，只有在同步信号上升沿时，D型触发器(11)才被触发，输出信号等于输入信号；D型触发器(11)的输出端接入数字脉冲延时器(12)，数字脉冲延时器(12)输出端用于触发脉冲激光器(1)。
6.根据权利要求2所述的一种基于超声调制的大景深贝塞尔光束光声显微成像方法，其特征在于：
S4中所述声透镜由超声换能器(13)和声光耦合棱镜(14)构成，
所述声光耦合棱镜的数值孔径为0.5。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20201117 |