RU222926U1 - Optoacoustic probe based on an axicon lens for optical resolution optoacoustic microscopy - Google Patents
Optoacoustic probe based on an axicon lens for optical resolution optoacoustic microscopy Download PDFInfo
- Publication number
- RU222926U1 RU222926U1 RU2023130394U RU2023130394U RU222926U1 RU 222926 U1 RU222926 U1 RU 222926U1 RU 2023130394 U RU2023130394 U RU 2023130394U RU 2023130394 U RU2023130394 U RU 2023130394U RU 222926 U1 RU222926 U1 RU 222926U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optoacoustic
- optical
- axicon
- microscopy
- axicon lens
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Abstract
Полезная модель относится к области оптоакустической микроскопии оптического разрешения. Разработанное устройство представляет собой зонд, состоящий из конической линзы аксикона для фокусировки лазерного излучения на образец и пьезоэлектрического детектора для регистрации ультразвукового отклика. Использование линзы аксикона позволяет добиться удлинения области фокуса лазерного излучения. Технологический результат предлагаемой полезной модели заключается в объединении системы фокусировки оптического излучения и ультразвукового датчика в единый элемент. Данная конфигурация позволяет избежать проблемы юстировки взаимного расположения аксикона и детектора для совмещения оптического и акустического фокусов при сканировании объекта. 4 ил. The utility model relates to the field of optical resolution optoacoustic microscopy. The developed device is a probe consisting of a conical axicon lens for focusing laser radiation onto the sample and a piezoelectric detector for recording the ultrasonic response. The use of an axicon lens makes it possible to lengthen the focal area of laser radiation. The technological result of the proposed utility model is to combine the optical radiation focusing system and the ultrasonic sensor into a single element. This configuration allows us to avoid the problem of adjusting the relative position of the axicon and the detector to combine the optical and acoustic focuses when scanning an object. 4 ill.
Description
Полезная модель относится к области оптоакустической микроскопии (ОАМ) - способа неинвазивной визуализации биологической ткани. Полезная модель представляет собой оптоакустический (OA) зонд ключевую часть оптоакустического микроскопа оптического разрешения (OP). ОАМ-ОР позволяет получать изображения мельчайших структур тканей с высоким контрастом. Пространственное разрешение в ОАМ-ОР системах определяется длиной волны лазерного излучения и может достигать величины менее 1 мкм при глубине визуализации порядка 1 мм. Принцип ОАМ заключается в генерации ультразвуковых волн при поглощении средой зондирующего лазерного излучения. ОАМ-ОР подразумевает использование сфокусированного оптического излучения. Трехмерное изображение ткани в ОАМ-ОР возникает при пространственном сканировании образца OA зондом.The utility model relates to the field of optoacoustic microscopy (OAM), a method for non-invasive visualization of biological tissue. The utility model is an optoacoustic (OA) probe, a key part of an optical resolution (OP) optoacoustic microscope. OAM-OR allows you to obtain images of the smallest tissue structures with high contrast. Spatial resolution in OAM-OR systems is determined by the wavelength of laser radiation and can reach a value of less than 1 μm with an imaging depth of the order of 1 mm. The principle of OAM is the generation of ultrasonic waves when the medium absorbs probing laser radiation. OAM-OR involves the use of focused optical radiation. A three-dimensional image of tissue in OAM-OR occurs when the OA sample is scanned spatially with a probe.
В наиболее простой модели ОАМ-ОР микроскопа для фокусировки оптического излучения с гауссовым профилем используется фокусирующая линза или объектив. В данной конфигурации ОАМ-ОР микроскопа существует проблема малой глубины резкости изображения вследствие короткого фокуса по глубине (десятки микрометров). Размытие фокуса ограничивает качество получаемого трехмерного изображения и делает невозможным визуализацию толстой ткани. Одним из вариантов увеличения глубины фокуса является использование бесселевых пучков вместо гауссовых.In the simplest model of an OAM-OR microscope, a focusing lens or objective is used to focus optical radiation with a Gaussian profile. In this configuration of the OAM-OR microscope, there is a problem of low depth of field of the image due to the short depth focus (tens of micrometers). Focus blur limits the quality of the resulting 3D image and makes it impossible to visualize thick tissue. One option for increasing the depth of focus is to use Bessel beams instead of Gaussian beams.
В патенте CN 101918811 «Confocal photoacoustic microscopy with optical lateral resolution)) (МПК A61B 5/1455, A61B 8/00, G01N 21/00, G01N 29/00, G02B 27/30, публ. 31.07.2013 г.) описана система конфокальной оптоакустической микроскопии оптического разрешения. Оптическое излучение фокусируется на образец с помощью линзы при разведении оптического и акустического путей с помощью системы акустических призм. Недостатками в данном случае являются малая величина глубины фокуса (DOF depth of field) и сложность взаимной юстировки положения оптических и акустических элементов.The patent CN 101918811 “Confocal photoacoustic microscopy with optical lateral resolution)) (IPC A61B 5/1455, A61B 8/00, G01N 21/00, G01N 29/00, G02B 27/30, published 07/31/2013) is described optical resolution confocal optoacoustic microscopy system. Optical radiation is focused onto the sample using a lens while separating the optical and acoustic paths using a system of acoustic prisms. The disadvantages in this case are the small depth of focus (DOF depth of field) and the difficulty of mutual adjustment of the positions of the optical and acoustic elements.
В патенте ПМ RU 215019 «Оптически прозрачный датчик для оптоакустической микроскопии оптического разрешения» (МПК G01H 9/00, G01N 29/06, публ. 24.11.2022 г.) описан оптически прозрачный ультразвуковой датчик для оптоакустической микроскопии оптического разрешения. Для фокусировки лазерного излучения используется объектив. Недостатком в случае использования объектива является малая величина DOF.The patent PM RU 215019 “Optical transparent sensor for optoacoustic microscopy of optical resolution” (IPC G01H 9/00, G01N 29/06, published November 24, 2022) describes an optically transparent ultrasonic sensor for optoacoustic microscopy of optical resolution. A lens is used to focus the laser radiation. The disadvantage when using a lens is the low DOF value.
В приведенных выше системах для зондирования образца используется лазерное излучение с гауссовым профилем пучка. В заявке CN 114324183 «Large-focal-depth ultraviolet acoustic microscopic imaging system and imaging method» (МПК G01N 21/01, G01N 21/17, публ. 14.02.2022 г.) представлена система ультрафиолетовой оптоакустической микроскопии с удлиненным фокусом по глубине (DOF) за счет преобразования гауссова пучка в бесселевоподобный пучок. Недостатком в данной конфигурации является подведение зондирующего оптического излучения и детектирование оптоакустических сигналов с противоположных сторон образца, что накладывает ограничения на образец. Кроме того, многоэлементность оптической системы усложняет ее настройку и юстировку.The above systems use laser radiation with a Gaussian beam profile to probe the sample. Application CN 114324183 “Large-focal-depth ultraviolet acoustic microscopic imaging system and imaging method” (IPC G01N 21/01, G01N 21/17, published 02/14/2022) presents an ultraviolet optoacoustic microscopy system with an extended depth focus ( DOF) by converting a Gaussian beam into a Bessel-like beam. The disadvantage of this configuration is the supply of probing optical radiation and detection of optoacoustic signals from opposite sides of the sample, which imposes restrictions on the sample. In addition, the multi-element nature of the optical system complicates its setup and alignment.
Ближайший аналог заявленного устройства описан в статье «Reflection-mode switchable subwavelength Bessel-beam and Gaussian-beam photoacoustic microscopy in vivo» (Byullee Park, Hoyong Lee, Seungwan Jeon, Joongho Aim, Hyung H. Kim, Chulhong Kim, Journal of Biophotonics, 12(2) 2018 г.). В ней реализована система оптоакустической микроскопии оптического разрешения с возможностью перестройки режима работы с бесселевым (ВВ) или гауссовым (GB) пучком. Для преобразования лазерного луча с гауссовым профилем в луч с бесселевым профилем в работе используется линза аксикон. Ультразвуковой детектор в виде узкой полоски располагался под оптическим объективом. Недостатком прототипа является многоэлементность оптической системы, что приводит к проблеме юстировки взаимного расположения оптических элементов.The closest analogue of the claimed device is described in the article “Reflection-mode switchable subwavelength Bessel-beam and Gaussian-beam photoacoustic microscopy in vivo” (Byullee Park, Hoyong Lee, Seungwan Jeon, Joongho Aim, Hyung H. Kim, Chulhong Kim, Journal of Biophotonics, 12(2) 2018). It implements a system of optoacoustic microscopy of optical resolution with the ability to change the operating mode with a Bessel (BB) or Gaussian (GB) beam. To convert a laser beam with a Gaussian profile into a beam with a Bessel profile, an axicon lens is used in the work. An ultrasonic detector in the form of a narrow strip was located under the optical lens. The disadvantage of the prototype is the multi-element optical system, which leads to the problem of adjusting the relative position of the optical elements.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является разработка конструкции оптоакустического зонда на основе линзы аксикона, которая позволяет совместить оптический и акустический фокусы при сканировании объекта без дополнительной юстировки.The problem to be solved by this useful model is the development of an optoacoustic probe design based on an axicon lens, which allows combining optical and acoustic foci when scanning an object without additional adjustment.
Технический результат достигается за счет того, что разработанный оптоакустический зонд, как и устройство-прототип, содержит линзу аксикон, ультразвуковой детектор с приемным элементом из пьезопленки. Новым является то, что по оси аксикона выполнено цилиндрическое отверстие, в котором расположен цилиндрический ультразвуковой детектор.The technical result is achieved due to the fact that the developed optoacoustic probe, like the prototype device, contains an axicon lens, an ultrasonic detector with a receiving element made of piezo film. What is new is that along the axis of the axicon there is a cylindrical hole in which a cylindrical ultrasonic detector is located.
Устройство поясняется следующими фигурами.The device is illustrated by the following figures.
На фиг.1 представлен оптоакустический зонд: а) схема головки зонда, б) фотография головки зонда, в) фотография оптоакустического зонда.Figure 1 shows an optoacoustic probe: a) diagram of the probe head, b) photograph of the probe head, c) photograph of the optoacoustic probe.
На фиг.2 показана схема хода оптических лучей в оптоакустической зонде.Figure 2 shows a diagram of the path of optical rays in an optoacoustic probe.
На фиг.3 показан профиль зависимости интенсивности излучения от глубины (координата Z).Figure 3 shows the profile of the dependence of radiation intensity on depth (Z coordinate).
На фиг.4 показан показан профиль зависимости интенсивности излучения от радиальной координаты (координата X).Figure 4 shows the profile of the dependence of the radiation intensity on the radial coordinate (X coordinate).
Представленная на фиг.1а головка 1 оптоакустического зонда состоит из конической линзы аксикона 2 со сквозным цилиндрическим отверстием по оси в центре, в которое вставляется цилиндрический ультразвуковой детектор 3. Ультразвуковой детектор 3 изготовлен на основе пьезоэлектрической пленки, в данном случае использовался пьезополимер PVDF-TrFe. The head 1 of the optoacoustic probe shown in Fig. 1a consists of a conical axicon lens 2 with a through cylindrical hole along the axis in the center, into which a cylindrical ultrasonic detector 3 is inserted. The ultrasonic detector 3 is made on the basis of a piezoelectric film, in this case a PVDF-TrFe piezopolymer was used.
На фиг.1в представлена фотография оптоакустического зонда в едином устройстве на стержнях вместе с системой фокусировки излучения из одномодового волокна.Figure 1c shows a photograph of an optoacoustic probe in a single device on rods together with a single-mode fiber radiation focusing system.
На фиг.2 показана схема хода оптических лучей в оптоакустическом зонде, где 4 -адаптер с закрепленным выходным концом одномодового оптического волокна, 5 коллимирующая линза, 1 - головка оптоакустического зонда.Figure 2 shows a diagram of the path of optical rays in an optoacoustic probe, where 4 is an adapter with a fixed output end of a single-mode optical fiber, 5 is a collimating lens, 1 is the head of an optoacoustic probe.
С помощью линзы аксикона 2 происходит фокусировка лазерного излучения на образец и преобразование гауссова профиля излучения в бесселев профиль. Профиль выходного пучка и глубина фокуса определяются углом α аксикона 2 и показателем преломления n материала, из которого изготовлена линза аксикон 2. Интенсивность бесселева пучка в зависимости от пространственных координат определяется по следующей формулеUsing the axicon lens 2, laser radiation is focused on the sample and the Gaussian radiation profile is converted into a Bessel profile. The output beam profile and focal depth are determined by the angle α of axicon 2 and the refractive index n of the material from which the axicon 2 lens is made. The intensity of the Bessel beam, depending on spatial coordinates, is determined by the following formula
где k - волновое число;where k is the wave number;
n - относительный показатель преломления материала аксикона;n is the relative refractive index of the axicon material;
α - угол аксикона;α - axicon angle;
w0 - радиус лазерного луча;w 0 - radius of the laser beam;
I0 - интенсивность входного излучения;I 0 - intensity of input radiation;
(r, z) - радиальная и продольная координаты, соответственно.(r, z) - radial and longitudinal coordinates, respectively.
По результатам расчетов был изготовлен образец линзы аксикона 2 с углом α=49° из стекла К8 с показателем преломления n=1,5191 на длине волны 532 нм. При данных параметрах расчетная глубина фокуса (DOF) составляет 26,8 мм на FWHM (full width at half maximum) в воде, диаметр фокусного пятна на FWHM 1,1 мкм в воде. В отверстие линзы вклеен ультразвуковой детектор 3 с апертурой 3,5 мм.Based on the calculation results, a sample of an axicon lens 2 with an angle α=49° was made from K8 glass with a refractive index n=1.5191 at a wavelength of 532 nm. With these parameters, the calculated depth of focus (DOF) is 26.8 mm at FWHM (full width at half maximum) in water, the diameter of the focal spot at FWHM is 1.1 µm in water. An ultrasonic detector 3 with an aperture of 3.5 mm is glued into the lens hole.
На фиг.3 представлено продольное распределение интенсивности излучения в области пространства за аксиконом. Стрелкой отмечена величина FWHM.Figure 3 shows the longitudinal distribution of radiation intensity in the region of space behind the axicon. The arrow indicates the FWHM value.
На фиг.4 представлено поперечное распределение интенсивности излучения в области пространства за аксиконом. Стрелкой отмечена величина FWHM.Figure 4 shows the transverse distribution of radiation intensity in the region of space behind the axicon. The arrow indicates the FWHM value.
Таким образом, в разработанном оптоакустическом зонде цилиндрический ультразвуковой детектор расположен в отверстие аксикона, т.е. системы фокусировки оптического излучения и ультразвукового датчика объединены в единый элемент. Данная конфигурация позволяет избежать дополнительной юстировки взаимного расположения ультразвукового детектора и аксикона.Thus, in the developed optoacoustic probe, a cylindrical ultrasonic detector is located in the axicon hole, i.e. optical radiation focusing systems and ultrasonic sensor are combined into a single element. This configuration avoids additional adjustment of the relative position of the ultrasonic detector and axicon.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU222926U1 true RU222926U1 (en) | 2024-01-23 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2573179C2 (en) * | 2011-08-04 | 2016-01-20 | Клэрити Медикал Системз, Инк. | High-dioptric range serial wave front sensor providing real-time information |
CN109620162A (en) * | 2019-01-18 | 2019-04-16 | 华南师范大学 | A kind of optoacoustic endoscopy lens device and imaging method based on bessel beam extended focal depth |
WO2022240007A1 (en) * | 2021-05-11 | 2022-11-17 | 경북대학교 산학협력단 | Free-scanning pen-type optoacoustic tomography sensing system for measurement of melanin in skin |
RU215019U1 (en) * | 2022-06-14 | 2022-11-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Бюро Акустических Разработок и Инноваций Нижнего Новгорода" (ООО "БАРИ-НН") | Optically transparent sensor for optical resolution optoacoustic microscopy |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2573179C2 (en) * | 2011-08-04 | 2016-01-20 | Клэрити Медикал Системз, Инк. | High-dioptric range serial wave front sensor providing real-time information |
CN109620162A (en) * | 2019-01-18 | 2019-04-16 | 华南师范大学 | A kind of optoacoustic endoscopy lens device and imaging method based on bessel beam extended focal depth |
WO2022240007A1 (en) * | 2021-05-11 | 2022-11-17 | 경북대학교 산학협력단 | Free-scanning pen-type optoacoustic tomography sensing system for measurement of melanin in skin |
RU215019U1 (en) * | 2022-06-14 | 2022-11-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Бюро Акустических Разработок и Инноваций Нижнего Новгорода" (ООО "БАРИ-НН") | Optically transparent sensor for optical resolution optoacoustic microscopy |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Byullee Park, Hoyong Lee, Seungwan Jeon, Joongho Aim, Hyung H. Kim, Chulhong Kim, Reflection-mode switchable subwavelength Bessel-beam and Gaussian-beam photoacoustic microscopy in vivo, Journal of Biophotonics, 12(2) 2018. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8585587B2 (en) | Determining phase variation of light in an endoscope | |
US11243391B2 (en) | Three-dimensional imaging using swept confocally aligned planar excitation with asymmetrical magnification | |
JP2007501447A (en) | Double clad fiber scanning microscope | |
CN102004307B (en) | System and method for realizing total internal reflection fluorescence microscopy by using concentric double conical surface mirror | |
WO2017049752A1 (en) | Sted super-resolution microscope based on a first-order bessel beam, and adjusting method | |
US7554664B2 (en) | Laser scanning microscope | |
AU2003207507A1 (en) | Apparatus for oct imaging with axial line focus for improved resolution and depth of field | |
JP2000126116A (en) | Photo-diagnosis system | |
TW201142352A (en) | Fluorescence micro imaging system | |
JP7342101B2 (en) | Improved scanning optical microscope | |
US10314491B2 (en) | Optics for apodizing an optical imaging probe beam | |
CN104677830A (en) | Spectrophotometric pupil confocal-photoacoustic microimaging device and method | |
WO2019123958A1 (en) | Objective optical system and microscope system | |
WO2020087998A1 (en) | Lattice light sheet microscope and method for tiling lattice light sheet in lattice light sheet microscope | |
CN202102170U (en) | System for realizing total internal reflection fluorescence microscopy by using concentric double conical surface mirror | |
CN104614349B (en) | Reflective light splitting pupil confocal photoacoustic microscopic imaging device and method | |
JP5213417B2 (en) | Surgical microscope with OCT system | |
JP4885429B2 (en) | Optical stimulator and optical scanning observation device | |
US10905324B2 (en) | Spatial super-resolution apparatus for fluorescence analysis of eye fundus | |
US20120019907A1 (en) | High-resolution surface plasmon microscope that includes a heterodyne fiber interferometer | |
RU222926U1 (en) | Optoacoustic probe based on an axicon lens for optical resolution optoacoustic microscopy | |
JP2015007661A (en) | Scanning optical microscope | |
CN114264614A (en) | Label-free photoacoustic pathological microscopic imaging system and imaging method | |
CN110537898B (en) | Manufacturing method of focus-adjustable photoacoustic endoscopic microscope | |
KR20190116805A (en) | Probe for photoacostic endoscopy and Photoacostic endoscopy system |