一种基于表面波的声信号探测器和反射式光声显微镜

技术领域

本发明属于光声成像声压检测技术领域，尤其涉及一种基于表面波的声信号探测器和反射式光声显微镜。

背景技术

采用压电法(仪器被称为超声换能器)进行声压信号的提取是目前的主流，许多课题组利用压电探测器进行光声成像的研究，取得了丰硕的研究成果。尽管该技术发展相对成熟、应用面也很广泛，但它也存在一些难以克服的缺点。比如，该技术无法同时实现高灵敏度、高频率的检测。采用压电晶体接收超声信号，灵敏度与接收频率是相互矛盾的，压电晶体的面积越小接收频率就越高，而对应的是灵敏度就越低。压电探测器无法实现点探测，它所探测到的信号为压电晶体面积的平均效应。采用压电晶体进行光声信号的拾取，必须在样品与探头之间，受压电材料本身属性的制约，超声换能器普遍存在探测带宽窄(约40～60MHz)和灵敏度低(噪音等效声压：几百～上千帕)的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于表面波的声信号探测器和反射式光声显微镜，旨在解决现有的检测器探测带宽窄的问题。

本发明是这样实现的，一种基于表面波的声信号探测器，包括具有相互平行的两个平面的棱镜，所述相互平行的两个平面中的一个平面镀有薄膜，所述薄膜用于探测经介质传输的光声信号。

进一步地，所述薄膜为金属薄膜或石墨烯薄膜。

本发明还提供一种基于表面波的声信号探测器，包括多模光纤，所述多模光纤包括包层和置于包层内的纤芯，所述多模光纤的纤芯具有一与所述多模光纤长度延伸方向平行的截面，所述包层具有一使所述截面裸露于所述包层外的缺口，所述截面位于所述缺口处，所述截面上镀有薄膜，所述薄膜用于探测经介质传输的光声信号。

进一步地，所述薄膜为金属薄膜或石墨烯薄膜。

本发明还提供一种基于表面波的声压检测器的反射式光声显微镜，包括反射式显微物镜和声信号探测器；

所述反射式显微物镜置于所述声信号探测器的上方，用于将激光源发射的激光聚焦照射到待测物体上，使得所述待测物体吸收所述激光并产生光声信号，所述光声信号反向传输经过待测物体上方的介质发生折射后进入所述声信号探测器；

所述声信号探测器置于所述待测物体的上方且位于所述反射式显微物镜的下方，用于探测经介质传输的光声信号，并根据所述光声信号生成待测物体的用于使待测物体成像的检测谱。

进一步地，所述声信号探测器为上下平面平行且下平面镀有薄膜的棱镜或者镀有薄膜的多模光纤，所述薄膜用于探测经介质传输的光声信号；

所述多模光纤包括包层和置于包层内的纤芯，所述多模光纤的纤芯具有一与所述多模光纤长度延伸方向平行的截面，所述包层具有一使所述截面裸露于所述包层外的缺口，所述截面位于所述缺口处，所述薄膜镀于所述截面上。

进一步地，所述反射式光声显微镜还包括激发光路组件和探测光路组件；

所述激发光路组件用于发射脉冲激光聚焦到所述待测物体上，以激发待测物体产生光声信号；

所述探测光路组件用于发出连续激光入射到所述声信号探测器上以进行全内反射，并检测经过全内反射后的反射光信号的折射率变化。

进一步地，所述激发光路组件包括可调谐激光器、光阑、扩束装置、聚焦耦合透镜和第一单模光纤；

所述可调谐激光器用于产生脉冲激光；

所述光阑置于所述可调谐激光器的前方，用于调整脉冲激光的光束大小；

所述扩束装置用于将从所述光阑出来的脉冲激光的光束进行扩大；

所述聚焦耦合透镜置于所述扩束装置的前方，用于将经过光束扩大的脉冲激光进行聚焦耦合；

所述第一单模光纤置于所述聚焦耦合透镜的前方，用于将聚焦耦合后的脉冲激光传输到所述反射式显微物镜上。

进一步地，所述激发光路组件还包括平面光装置和平面镜；

所述平面光装置置于所述单模光纤的前方，用于将所述第一单模光纤输出的激光源扩束成准平面光；

所述平面镜置于所述平面光装置的前方，用于改变脉冲激光的方向使脉冲激光能进入到所述反射式显微物镜上。

进一步地，所述探测光路组件包括激光器、波片、第一聚焦耦合透镜、第二单模光纤、第一准直耦合器、第二准直耦合器、第三单模光纤、第二聚焦耦合透镜、偏振分束器和平衡探测器；所述声信号探测器的下方放置一水槽，所述待测物体置于所述水槽的下方；

所述激光器用于产生连续激光；

所述波片置于所述激光器的前方，用于将所述连续激光调成圆偏光；

所述第一聚焦耦合透镜置于所述波片的前方，用于将圆偏光进行聚焦耦合；

所述第二单模光纤置于所述第一聚焦耦合透镜的前方，用于将聚焦耦合后的连续激光进行传输；

所述第一、第二准直耦合器置于所述声信号探测器的两侧，所述第一准直耦合器用于将从所述第二单模光纤出来的光进行准直耦合，所述第二准直耦合器用于将从所述声信号探测器中出来的光进行准直耦合后输出到所述第三单模光纤；

所述第三单模光纤用于传输从所述第二准直耦合器出来的反射光；

所述第二聚焦耦合透镜用于将所述反射光进行聚焦耦合；

所述偏振分束器用于将进行聚焦耦合后的反射光进行分束，分为P偏振光和S偏振光；

所述平衡探测器置于所述偏振分束器后，用于检测所述P偏振光和所述S偏振光的折射率变化量。

进一步地，所述探测光路组件包括平面镜，所述平面镜置于偏振分束器的一侧，用于调整从所述偏振分束器出来的S偏振光的方向。

进一步地，所述声压检测器还包括成像装置，所述成像装置根据所述平衡探测器检测到的折射率变化量生成待测物体的光声成像立体图。

进一步地，所述反射式光声显微镜还包括三维电动平台，所述反射式显微物镜和所述声信号探测器固设于三维电动平台上。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：所述的基于表面波的声信号探测器将薄膜镀于棱镜上相互平行的两个平面中的一个面，使得薄膜能探测到经过介质传输的光声信号，该光声信号的变化反映了折射率的变化，从而可以实现点探测。该声信号探测器由于采用了光学传感折射率的方法，使得待测物体具有免标记、非接触式的传感检测特点，并且能够实现探测带宽、检测灵敏的优点。将此基于表面波的声信号探测器应用于反射式光声显微镜中，可以实现生物活体的成像检测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于表面波的声信号探测器的一种结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于表面波的声信号探测器的反射式光声显微镜的结构示意图；

图3是基于表面波的声信号探测器的另一种结构示意图；

图4是采用本发明的基于表面波的声信号探测器测得的光声信号示意图；

图5是采用本发明的基于表面波的声信号探测器检测到的光声信号频谱范围示意图；

图6是采用本发明的基于表面波的声信号探测器的反射式光声显微镜检测到的人体毛发样品的光声成像示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于表面波的声信号探测器，包括具有相互平行的两个平面的棱镜，相互平行的两个平面中的一个平面镀有薄膜，薄膜用于探测经介质传输的光声信号。

该基于表面波的声信号探测器基于全内反射原理、利用表面波高灵敏度传感原理，使用相互平行的两个平面中的镀于其中一个平面的薄膜就可以探测到经介质传输的光声信号。

本实施例中，薄膜为金属薄膜或石墨烯薄膜。棱镜为台型棱镜，该台型棱镜的横截面为圆形或矩形，纵截面为梯形。金属薄膜或石墨烯薄膜作为表面波产生的基底材料，表面金属薄膜的厚度和石墨烯薄膜的厚度可以替换，不同薄膜层厚度会对最高检测灵敏度有影响。金属薄膜可以为金膜、银膜等，优选的，所镀的金属膜的厚度约45nm。石墨烯薄膜可以分为多层进行蒸镀，优选的，石墨烯薄膜具有5层石墨烯，厚度为1.7nm。

如图3所示，一种基于表面波的声信号探测器，包括多模光纤301，多模光纤301包括包层302和置于包层302内的纤芯303，多模光纤301的纤芯303具有一与多模光纤301长度延伸方向平行的截面304，包层302具有一缺口305，截面304位于缺口305处，缺口305使截面304裸露于外面，截面304上镀有薄膜，薄膜用于探测经介质传输的光声信号。

本实施例中，薄膜为金属薄膜或石墨烯薄膜。金属薄膜或石墨烯薄膜作为表面波产生的基底材料，表面金属薄膜的厚度和石墨烯薄膜的厚度可以根据实际应用设置为不同的值，不同薄膜层厚度会对最高检测灵敏度有影响。金属薄膜可以为金膜、银膜等，优选的，所镀的金属膜的厚度约45nm。石墨烯薄膜可以分为多层进行蒸镀，优选的，石墨烯薄膜具有5层石墨烯，厚度为1.7nm。

请参阅图1，图1为本发明其中一种实施例提供的基于表面波的声压检测器的反射式光声显微镜的结构示意图，该基于表面波的声压检测器，包括反射式显微物镜101和声信号探测器102。反射式显微物镜101置于声信号探测器102的上方，用于将激光源发射的激光聚焦照射到待测物体103上。待测物体103吸收激光并产生光声信号，光声信号反向传输经过待测物体上方的介质发生折射后进入声信号探测器102。图1中的待测物体103以小老鼠作为一个示意，但并不限于小老鼠，该待测物体可以是生物厚样品、活体样品，比如：各种细胞、各种动物等。声信号探测器102置于待测物体103的上方，用于探测经介质传输的光声信号，并根据光声信号生成待测物体103的检测谱，该检测谱可以用于使待测物体成像。该基于表面波的声压检测器的反射式光声显微镜整体结构的激发与接收光声信号互不干扰。

声信号探测器102可以为上下平面平行且其中一个平面镀有薄膜的棱镜，或者，可以是镀有薄膜的多模光纤。该棱镜可以为台型棱镜，薄膜可以镀于台型棱镜的下平面，或者，薄膜镀于多模光纤的纤芯截面上。薄膜为金属薄膜或石墨烯薄膜。

金属薄膜或石墨烯薄膜作为表面波产生的基底材料，表面金属薄膜的厚度和石墨烯薄膜的厚度可以替换，不同薄膜层厚度会对最高检测灵敏度有影响。金属薄膜可以为金膜、银膜等，优选的，所镀的金属膜的厚度约45nm。石墨烯薄膜可以分为多层进行蒸镀，优选的，石墨烯薄膜具有5层石墨烯，厚度为1.7nm。

采用金属薄膜作为产生表面波的基底材料，即将金属薄膜镀于台型棱镜或单模光纤的表面上，可以使得SPR差分光声检测理论检测灵敏度可达到10^-8RIU，在水中对应于0.07Pa的声压变化，远高于现有超声换能器的检测灵敏度。同时，激发SPR的响应时间是纳秒量级，对应理想频带宽度能达到1000MHz，也远高于现有超声换能器的频带响应宽度。

石墨烯薄膜相比金属薄膜具有更好的热传导率、更大的热损伤阈值，更适合高功率脉冲激光作为光声信号的激发源。并且，石墨烯薄膜相比金属薄膜具有更高的自由电子密度，因此石墨烯对于光的吸收时间响应更快，能达到皮秒，甚至飞秒量级，其对应的理想频带宽度更宽。

如图3所示，多模光纤301包括包层302和置于包层内的纤芯303，多模光纤301的纤芯303具有一与多模光纤301长度延伸方向平行的截面304，包层302具有一缺口305，截面304位于缺口305处，缺口305使得截面304裸露于包层302外面，薄膜镀于截面304上。具体的，将多模光纤301的包层302沿与长度垂直的方向上截开一段，使纤芯302的外表面裸露出来，裸露出来的纤芯302的外表面可以为截开的一段包层302对应的纤芯303的二分之一外表面、三分之一外表面等。然后再将裸露出来的纤芯302沿着多模光纤301的长度方向截开，得到的截面304与多模光纤301的长度延伸方向相平行，再在截面304上镀上金属薄膜或石墨烯薄膜。

该基于表面波的声信号探测器使用反射式显微物镜将激光聚集照射到待测物体103上，使得待测物体103吸收激光并产生光声信号，然后再采用声信号探测器检测经介质传输发生折射的光声信号，并根据所述折射后的光声信号生成待测物体的检测谱。该声信号探测器由于采用了光学传感折射率的方法，使得待测物体具有免标记、非接触式的传感检测特点，并且能够实现探测带宽、检测灵敏的优点。

请参阅图2，图2为本发明基于表面波的声压检测器的反射式光声显微镜结构示意图，该反射式光声显微镜包括反射式显微物镜101、声信号探测器102、激发光路组件和探测光路组件。

反射式显微物镜101置于声信号探测器102的上方，用于将激光聚焦照射到待测物体103上。待测物体103吸收激光并产生光声信号，光声信号反向传输经过介质发生折射后进入声信号探测器102。

声信号探测器102置于待测物体103的上方，用于检测经介质传输的光声信号，并根据光声信号生成待测物体103的检测谱。探测光路器件102为镀有薄膜的台型棱镜或者镀有薄膜的单模光纤301，薄膜镀于台型棱镜的下表面，或者薄膜镀于单模光纤301的纤芯303截面上。薄膜为金属薄膜或石墨烯薄膜。关于金属薄膜或者石墨烯薄膜的点请参照上一实施例，在此不再赘述。

激发光路组件用于发射脉冲激光聚焦到待测物体103上，以激发待测物体103产生光声信号。

激发光路组件包括可调谐激光器104、光阑105、扩束装置106、聚焦耦合透镜107和第一单模光纤108。

可调谐激光器104用于产生脉冲激光，脉冲激光用于光声成像。作为其中一个例子，该脉冲激光的波长为532nm、脉冲宽度为1.8ns，其它波长和脉冲宽度的脉冲激光也可以实现光声成像，在光声成像的过程中，需要根据脉冲激光的波长和脉冲宽度进行调整其它光学器件的参数。

光阑105置于可调谐激光器104的前方，用于调整脉冲激光的光束大小。

扩束装置106用于将从光阑105出来的脉冲激光的光束进行扩大。扩束装置106包括透镜1061、针孔镜头1062和透镜1063。

聚焦耦合透镜107置于扩束装置106的前方，用于将经过光束扩大的脉冲激光进行聚焦耦合。

第一单模光纤108置于聚焦耦合透镜107的前方，用于将聚焦耦合后的脉冲激光传输到反射式显微物镜101上。第一单模光纤108的激光从光纤端口111中进行输出。利用光纤对脉冲激光进行耦合传输，就是利用光纤传输的稳定性，保证在平台扫描成像的过程中，光信号在系统的核心部分包括反射式显微物镜101，台型棱镜中没有变化，从而能够保证在均一条件下实现光声成像。

激发光路组件还包括平面光装置109和平面镜110。平面光装置109置于单模光纤108的前方，用于将第一单模光纤108输出的激光源扩束成准平面光。平面镜110置于平面光装置109的前方，用于改变脉冲激光的方向使其能进入到反射式显微物镜101上。

脉冲激光经过光阑105、扩束装置106和聚焦耦合透镜107后，进入高数值孔径的反射式显微物镜101作为激发源，产生声压信号。声压信号的产生是由于脉冲激光经高数值孔径的反射式显微物镜101聚焦到待测物体103上，样品通过吸收，因瞬时热弹性效应产生的宽带超起波(即光声信号)。产生的光声信号通过介质传递到声信号探测器102的表面，引起折射率的变化。该介质可以为空气、液体，比如，水、油、溶液等。折射率变化是由于声信号引起介质密度的微小变化，比如，水或者空气，物质密度的变化，表现之一就是折射率的变化。

探测光路组件用于发出连续激光入射到声信号探测器102上以进行全内反射，并检测经过全内反射后的反射光信号的折射率变化。

探测光路组件包括激光器201、波片202、第一聚焦耦合透镜203、第二单模光纤204、第一准直耦合器205、第二准直耦合器206、第三单模光纤207、第二聚焦耦合透镜208、偏振分束器210和平衡探测器211。声信号探测器102的下方放置一水槽213，待测物体103置于水槽213的下方。

激光器201用于产生连续激光。

波片202置于激光器201的前方，用于将连续激光调成圆偏光，该波片202可以为四分之一波片。

第一聚焦耦合透镜203置于波片202的前方，用于将圆偏光进行聚焦耦合。

第二单模光纤204置于第一聚焦耦合透镜203的前方，用于将聚焦耦合后的连续激光进行传输。第二单模光纤204的激光从光纤端口217进行输出。即将连续激光耦合进入光纤，实现光纤传输，聚焦于声信号探测器102的表面。

第一、第二准直耦合器205、206置于声信号探测器102的两侧。第一准直耦合器205用于将从第二单模光纤204出来的光进行准直耦合。第二准直耦合器206用于将从声信号探测器102中出来的光进行准直耦合后输出到第三单模光纤207。

第三单模光纤207用于传输从第二准直耦合器206出来的反射光。第三单模光纤207的激光从光纤端口216中进行输出。在探测光路中，利用第二单模光纤204、第三单模光纤207和第一、第二准直耦合器205、206进行耦合传输，光纤传输使得连续激光具有稳定性，从而保证了平台扫描成像过程中，光信号在系统的核心部分包括反射式显微物镜101和声信号探测器102中没有变化，从而保证在均一条件下实现光声成像。

第二聚焦耦合透镜208用于将反射光进行聚焦耦合。

偏振分束器210用于将进行聚焦耦合后的反射光进行分束，分为P偏振光和S偏振光。

平衡探测器211置于偏振分束器210后，用于检测P偏振光和S偏振光的折射率变化量。

探测光路组件还可以包括平面镜209，平面镜209置于偏振分束器的一侧，用于调整从偏振分束器210出来的S偏振光的方向。

连续激光经过四分之一波片202调制成圆偏光，经第一聚焦耦合透镜203聚焦耦合，利用第二单模光纤204进行传输，入射到台型棱镜的表面，利用全内反射，检测红光的反射光信号，反射光再经过第三单模光纤207传输，第二聚焦耦合透镜208聚焦耦合，偏振分束器210分为P偏振与S偏振两部分光，利用平衡探测器211检测圆偏振光中P偏振分量和S偏振分量的强度差，实现台型棱镜表面的折射率变化的测量，通过检测共光路中的P和S偏振光分量的强度实现差分检测，可以有效的降低环境干扰，包括激光器的不稳定，环境震动，温度变化等因素的影响，提高系统的检测灵敏度。

声压检测器还包括成像装置212、控制数据卡215和三维平台，成像装置212根据平衡探测器211检测到的折射率变化量生成待测物体的光声成像立体图，该成像装置可以为台式电脑、笔记本电脑等。该三维平台可以是三维电动平台、也可以是三维手动平台。反射式显微物镜101、声信号探测器102等器件固设于三维电动平台上。图中虚线框214部分的光学器件反射式显微物镜101、声信号探测器102、平面光装置109、平面镜110、第一准直耦合器205、第二准直耦合器206和水槽213均可以固设于三维电动平台上。控制数据卡215与成像装置212连接，用于控制三维平台的高精度移动，以及控制可调谐激光器104和平衡探测器211，以确保三维平台、可调谐激光器104和平衡探测器211之间的同步。成像装置212还用于对控制数据进行存储和分析。通过三维电动平台的三维扫描实现光声成像，该三维电动平台具有扫描范围大的优点，适用于生物厚样品、活体样品的光声成像。

在光声成像过程中，待测物体103放置在扫描平台下方，待测物体103可以是活体组织样品。利用三维电动平台扫描，实现光聚焦照射在待测物体103的不同部位，当脉冲激光经反射式显微物镜101聚焦激发待测物体103，由于待测物体103吸收产生光声信号，光声信号反向传输进入水槽213经水传导到声信号探测器102的表面，引起表面折射率的微弱变化，因为脉冲光信号不会引起表面折射率的变化，因此通过检测表面折射率的变化可以得到确切的光声信号。由于声信号探测器102不同部位对于光吸收并不相同，会产生不同强度声谱的光声信号。不同强度的光声信号造成表面折射率大小的变化，不同声谱的光声信号也会引起折射率变化的时间响应不同。利用声信号探测器102检测折射率大小变化量和时间响应特性，从而可以分析出待测物体103的物质成分。利用三维平台，纵向扫描可以实现不同深度待测物体103的检测，横向扫描实现同一深度平面内待测物体103的检测，成像分辨率由三维平台精度与光声信号检测谱宽决定，将待测物体103不同部位的扫描信息组合就可以实现一副完整的光声成像立体图。如图4所示，为基于表面波的声信号探测器测得的光声信号示意图，如图5所示，为采用本发明的基于表面波的声信号探测器检测到的光声信号频谱范围示意图。

基于表面波的声压检测器的反射式光声显微镜可以分为激发光路组件和探测光路组件，激发光路部分主要由可调谐激光器104、光阑105、扩束装置106、聚焦耦合透镜107和第一单模光纤108等光学器件组成，探测光路部分主要由激光器201、波片202、第一聚焦耦合透镜203、第二单模光纤204、第一准直耦合器205、第二准直耦合器206、第三单模光纤207、第二聚焦耦合透镜208、偏振分束器210和平衡探测器211等光学器件组成。

激发光路中的脉冲激光从可调谐激光器104出来，经过光阑，扩束，光纤耦合，单模光纤传输，平面镜反射进入反射式显微物镜101。脉冲激光经过高数值孔径的反射式显微物镜101聚焦激发待测物体103，利用瞬时热弹性效应产生的宽带超声波(即光声信号)，采用脉冲光激发，是由于声信号是一个宽谱信号，可以通过检测光声信号的时间响应，利用时域-频域变化分析，得到光声信号的整个宽谱信息。入射的激光将有很大部分被吸收或透过待测物体103，如果待测物体103属于薄层或透明体激光将能透过，其反射比例较小，而产生的光声信号基本属于各向同向传输，通过探测光路检测后向传输的光声信号，最大的优势是可以避免激发光路中的激光的干扰，可以实现活体厚样品的检测。探测光路中，连续激光经过1/4波片202调制成圆偏光，经聚焦耦合，利用单模光纤传输，入射到台式棱镜表面，利用全内反射，检测红光的反射光信号，反射光经聚焦耦合，第三单模光纤207传输，偏振分束器210分为P偏振与S偏振两部分光，利用平衡探测器211检测圆偏振光中P偏振分量和S偏振分量的强度差，实现台型棱镜表面的折射率变化的测量，通过检测共光路中的P和S偏振光分量的强度实现差分检测，可以有效的降低环境干扰，提高系统的检测灵敏度。由于台型棱镜的表面或单模光纤301的纤芯303截面镀金属薄膜或石墨烯薄膜，可以进一步增大由表面微弱折射率变化引起的两种偏振光分量的反射强度差，起到放大信号的作用，提高检测灵敏度。如图6所示，为采用基于表面波的声信号探测器的反射式光声显微镜检测得到的人体毛发样品的光声成像示意图。

本发明的基于表面波的声信号探测器的反射式光声显微镜使用反射式显微物镜将激光聚集照射到待测物体103上，使得待测物体103吸收激光并产生光声信号，然后再采用声信号探测器102检测经介质传输发生折射的光声信号，并根据折射后的光声信号生成待测物体的检测谱。本发明中光学表面波传感技术采用光学传感折射率的方法实现，具有免标记、非接触式的传感检测特点，可广泛应用于细胞和分子水平检测。由于任何微小的变化和作用都极易引起折射率的改变，因此声波振动引起的溶液折射率轻微变化也可以被光学表面波探测到。表面波在声波探测带宽、灵敏度等方面均有优势：表面波传播距离短，时间响应快，一般为1ns以内，可以实现更高的探测带宽；并且表面波对折射率微小变化有超强敏感性，可以实现10Pa水平的探测灵敏度；同时，由于表面波对不同偏振的响应特性，利用偏振差分方法可以极大提高信号对比度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。