本發(fā)明涉及超聲探測(cè)技術(shù)，具體涉及一種基于全反射的超聲探測(cè)和光聲成像裝置及其方法。

背景技術(shù)：

超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域都有很廣的應(yīng)用。例如超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像；超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵；超聲檢測(cè)心臟、胎兒等等。目前，探測(cè)超聲波的方法主要是用超聲換能器進(jìn)行探測(cè)。超聲換能器由壓電材料制成，對(duì)于壓電晶片共振頻率的超聲波探測(cè)靈敏度較高，但能有效探測(cè)的頻域范圍有限，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)損失部分頻率信息。此外，受電子學(xué)背景噪聲的影響，壓電材料越小噪聲越大，這就限制了基于壓電材料的探測(cè)器尺寸。到目前為止，還沒(méi)有一種方法能在工藝簡(jiǎn)單、操作方便的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)寬頻帶的超聲波進(jìn)行探測(cè)。光聲成像是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種非入侵式和非電離式的新型生物醫(yī)學(xué)成像方法。光聲效應(yīng)的原理是生物組織受到短脈沖激光的照射會(huì)產(chǎn)生超聲波。光聲成像的本質(zhì)也是對(duì)寬頻的超聲波進(jìn)行有效探測(cè)。因此，發(fā)明一種工藝簡(jiǎn)單、操作方便且能對(duì)寬頻帶的超聲波進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前現(xiàn)有的超聲換能器不能探測(cè)寬頻光聲信號(hào)和尺寸瓶頸的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于全反射的超聲探測(cè)和光聲成像裝置及其方法，利用接近全反射時(shí)P偏振光和S偏振光的能量差，通過(guò)選擇合適的探測(cè)光的入射角度和調(diào)節(jié)P偏振光和S偏振光的共模抑制比來(lái)對(duì)寬頻超聲波進(jìn)行高靈敏探測(cè)。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于全反射的超聲探測(cè)和光聲成像裝置。

本發(fā)明的基于全反射的超聲探測(cè)裝置包括：探測(cè)光裝置、超聲探頭、偏振分束器、平衡探測(cè)器、示波器或采集卡；其中，超聲探頭包括棱鏡和匹配液體層，匹配液體層采用粘附在棱鏡下底表面的水滴或水槽，由被探測(cè)物的性質(zhì)決定；探測(cè)光裝置發(fā)出圓偏振光，經(jīng)第一透鏡聚焦后作為探測(cè)光，從超聲探頭的棱鏡的側(cè)面入射至棱鏡內(nèi)，聚焦在棱鏡的下底面，并在焦點(diǎn)處發(fā)生全內(nèi)反射，在焦點(diǎn)處形成探測(cè)窗口；通過(guò)微調(diào)減小入射角到剛好不發(fā)生全反射；以這個(gè)接近全反射角的角度作為入射角，當(dāng)棱鏡下底表面的匹配液體層里有超聲波時(shí)，引起匹配液體內(nèi)水的折射率改變，調(diào)制反射光中的P偏振光和S偏振光的能量發(fā)生不同響應(yīng)的非線性變化，在入射角接近全反射角的范圍內(nèi)，P偏振光和S偏振光對(duì)水的折射率的變化最敏感，二者的信號(hào)區(qū)別也最大；反射光經(jīng)第二透鏡聚焦后，通過(guò)偏振分束器將反射光中的s偏振光和p偏振光分開(kāi)成兩束，分別由高帶寬的平衡探測(cè)器的兩個(gè)探頭接收；s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)后被示波器或采集卡接收記錄，在示波器上觀察到的電壓曲線為對(duì)應(yīng)s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差隨時(shí)間的變化曲線，或者由采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)被探測(cè)物的性質(zhì)，匹配液體層可選擇水滴或水槽。

本發(fā)明的基于全反射的光聲成像裝置包括：探測(cè)光裝置、光聲成像探頭、二維掃描臺(tái)、激發(fā)光、偏振分束器、平衡探測(cè)器、示波器或采集卡；其中，光聲成像探頭包括棱鏡和匹配液體層，匹配液體層采用粘附在棱鏡下底表面的水滴或水槽，由成像樣本的性質(zhì)決定；探測(cè)光裝置發(fā)出圓偏振光，經(jīng)第一透鏡聚焦后作為探測(cè)光，從光聲成像探頭的棱鏡的側(cè)面入射至棱鏡內(nèi)，聚焦在棱鏡的下底面，并在焦點(diǎn)處發(fā)生全內(nèi)反射，在焦點(diǎn)處形成探測(cè)窗口；通過(guò)微調(diào)減小入射角到剛好不發(fā)生全反射；以這個(gè)接近全反射角的角度作為入射角；成像樣本放置在二維掃描臺(tái)上，成像樣本的上表面緊貼匹配液體層后探測(cè)窗口的位置；激發(fā)光照射在成像樣本上，激發(fā)成像樣本產(chǎn)生超聲波，引起水的折射率改變，調(diào)制反射光中的P偏振光和S偏振光的能量發(fā)生不同響應(yīng)的非線性變化，在入射角接近全反射角的范圍內(nèi)，P偏振光和S偏振光對(duì)水的折射率的變化最敏感，二者的信號(hào)區(qū)別也最大；反射光經(jīng)第二透鏡聚焦后，通過(guò)偏振分束器將反射光中的s偏振光和p偏振光分開(kāi)成兩束，分別由高帶寬的平衡探測(cè)器的兩個(gè)探頭接收；平衡探測(cè)器將s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)后被示波器或采集卡接收記錄，在示波器上觀察到的電壓曲線為對(duì)應(yīng)s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差隨時(shí)間的變化曲線，或者由采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；同時(shí)，二維掃描臺(tái)帶動(dòng)成像樣本進(jìn)行二維掃描；對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建形成成像樣本的光聲圖像。

棱鏡的下底面面積大于上底面面積。

水槽包括水槽基板和通孔，在水槽基板內(nèi)開(kāi)設(shè)通孔，水槽基板的下表面密封粘貼在棱鏡的下底表面，通孔內(nèi)盛放水，從而水與棱鏡的下底表面直接接觸。

探測(cè)光裝置包括：激光器、衰減片、起偏器和1/4玻片；其中，激光器發(fā)出激光，通過(guò)衰減片調(diào)節(jié)強(qiáng)度后，通過(guò)起偏器變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過(guò)1/4玻片轉(zhuǎn)為圓偏振光。

探測(cè)光入射至棱鏡的下底面，反射光中的P偏振光和S偏振光的能量發(fā)生不同響應(yīng)的非線性變化，在入射角接近全反射角的范圍內(nèi)，P偏振光和S偏振光對(duì)水的折射率的變化最敏感，二者的信號(hào)區(qū)別也最大；激發(fā)光激發(fā)成像樣本產(chǎn)生超聲波，改變匹配液體層中水的折射率，折射率改變導(dǎo)致s偏振光和p偏振光的吸收為不同的非線性變化，經(jīng)平衡探測(cè)器探測(cè)到的兩信號(hào)做差并轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，通過(guò)采集卡，得到成像樣本的光聲信號(hào)。由二維平移臺(tái)帶動(dòng)成像樣本進(jìn)行二維掃描，便可得到成像樣本的二維光聲圖像。

接近全反射角的角度為10^-7～10^-5度。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于全反射的超聲探測(cè)和光聲成像的方法。

本發(fā)明的基于全反射的超聲探測(cè)方法，包括以下步驟：

1)制備超聲探頭：

將匹配液體層粘附在棱鏡下底表面，匹配液體層采用水滴或水槽；

2)搭建光路：

探測(cè)光裝置發(fā)出圓偏振光，經(jīng)第一透鏡聚焦后作為探測(cè)光，超聲探頭的棱鏡的側(cè)面入射至棱鏡內(nèi)，聚焦在棱鏡的下底面，并在焦點(diǎn)處發(fā)生全內(nèi)反射，在焦點(diǎn)處形成探測(cè)窗口，通過(guò)微調(diào)，將入射角減小10^-7～10^-5度，剛好不發(fā)生全反射，此時(shí)反射光經(jīng)過(guò)平衡探測(cè)器后，在示波器上的信號(hào)幅值達(dá)到最大；以這個(gè)接近全反射角的角度作為入射角，反射光經(jīng)第二透鏡聚焦后，通過(guò)偏振分束器將反射光中的s偏振光和p偏振光分開(kāi)成兩束，分別由高帶寬的平衡探測(cè)器的兩個(gè)探頭接收；

3)超聲波探測(cè)：

當(dāng)棱鏡下底表面的匹配液體層里有超聲波時(shí)，引起匹配液體內(nèi)水的折射率改變，調(diào)制反射光中的P偏振光和S偏振光的能量發(fā)生不同響應(yīng)的非線性變化，在入射角接近全反射角的范圍內(nèi)，P偏振光和S偏振光對(duì)水的折射率的變化最敏感，二者的信號(hào)區(qū)別也最大；反射光經(jīng)第二透鏡聚焦后，通過(guò)偏振分束器將反射光中的s偏振光和p偏振光分開(kāi)成兩束，分別由高帶寬的平衡探測(cè)器的兩個(gè)探頭接收；s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)后被示波器接收，在示波器上觀察到的電壓曲線為對(duì)應(yīng)s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差隨時(shí)間的變化曲線；或者，s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)后由采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

本發(fā)明的基于全反射的光聲成像方法，包括以下步驟：

1)制備光聲成像探頭：

將匹配液體層粘附在棱鏡下底表面，匹配液體層采用水滴或水槽；；

2)搭建光路：

探測(cè)光裝置發(fā)出圓偏振光，經(jīng)第一透鏡聚焦后作為探測(cè)光，光聲成像探頭的棱鏡的側(cè)面入射至棱鏡內(nèi)，聚焦在棱鏡的下底面，并在焦點(diǎn)處發(fā)生全內(nèi)反射，在焦點(diǎn)處形成探測(cè)窗口，通過(guò)微調(diào)，將入射角減小10^-7～10^-5度，剛好不發(fā)生全反射，此時(shí)反射光經(jīng)平衡探測(cè)器后，在示波器上的信號(hào)幅值達(dá)到最大；以這個(gè)接近全反射角的角度作為入射角，反射光經(jīng)第二透鏡聚焦后，通過(guò)偏振分束器將反射光中的s偏振光和p偏振光分開(kāi)成兩束，分別由高帶寬的平衡探測(cè)器的兩個(gè)探頭接收；

3)光聲信號(hào)調(diào)節(jié)：

將成像樣本放置在二維掃描臺(tái)上，成像樣本緊貼匹配液體層后的探測(cè)窗口的位置；激發(fā)光照射在成像樣本上，激發(fā)成像樣本產(chǎn)生超聲波，引起水的折射率改變，調(diào)制反射光中的P偏振光和S偏振光的能量發(fā)生不同響應(yīng)的非線性變化，在入射角接近全反射角的范圍內(nèi)，P偏振光和S偏振光對(duì)水的折射率的變化最敏感，二者的信號(hào)區(qū)別也最大；在全反射角附近調(diào)節(jié)探測(cè)光的入射角、激發(fā)光的焦點(diǎn)以及成像樣本的位置，使得探測(cè)光點(diǎn)和激發(fā)光點(diǎn)重合并聚焦在成像樣本上，通過(guò)示波器觀察到信噪比最高的信號(hào)；

4)光聲信號(hào)探測(cè)：

將高帶寬的平衡探測(cè)器輸出的信號(hào)連接至采集卡，由采集卡采集電壓信號(hào)，同時(shí)，由二維掃描臺(tái)帶動(dòng)成像樣本做二維掃描，對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，形成成像樣本的光聲圖像。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明通過(guò)全內(nèi)反射裝置下，接近全反射角時(shí)，探測(cè)光對(duì)介質(zhì)折射率極為敏感的效應(yīng)，利用光探測(cè)方法的高帶寬的優(yōu)點(diǎn)，能夠探測(cè)傳統(tǒng)超聲換能器所不能探測(cè)的寬頻超聲信號(hào)；

(2)本發(fā)明基于全反射的原理，在反射點(diǎn)處探測(cè)超聲波信號(hào)，工藝簡(jiǎn)單、操作方便，易小型化集成陣列實(shí)現(xiàn)大面積的超聲波探測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于全反射的超聲探測(cè)裝置的實(shí)施例一的示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于全反射的超聲探測(cè)裝置的實(shí)施例一的超聲探頭的放大示意圖；

圖3為本發(fā)明的基于全反射的超聲探測(cè)裝置的實(shí)施例一的頻譜相應(yīng)曲線圖

圖4為本發(fā)明的基于全反射的光聲成像裝置的實(shí)施例二的示意圖；

圖5為本發(fā)明的基于全反射的光聲成像裝置的實(shí)施例二的光聲圖像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

實(shí)施例一

如圖1所示，本實(shí)施例的基于全反射的超聲探測(cè)裝置包括：探測(cè)光裝置1、超聲探頭2、偏振分束器3、平衡探測(cè)器4和示波器5。探測(cè)光裝置包括：激光器11、衰減片12、起偏器13和1/4玻片14，激光器11發(fā)出激光，通過(guò)衰減12片調(diào)節(jié)強(qiáng)度后，通過(guò)起偏器13變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過(guò)1/4玻片14轉(zhuǎn)為圓偏振光，經(jīng)第一透鏡L1聚焦后作為探測(cè)光，入射至超聲探頭的棱鏡，如圖2所示。超聲探頭2包括棱鏡22和匹配液體層21，匹配液體層采用粘附在棱鏡下底表面的水槽；探測(cè)光，從超聲探頭的棱鏡22的側(cè)面入射至棱鏡內(nèi)，聚焦在棱鏡的下底面，并在焦點(diǎn)處發(fā)生全內(nèi)反射，在焦點(diǎn)處形成探測(cè)窗口，如圖2所示；通過(guò)微調(diào)減小入射角10^-7～10^-5，剛好不發(fā)生全反射；以這個(gè)接近全反射角的角度作為入射角，反射光經(jīng)反射鏡M反射后經(jīng)第二透鏡L2聚焦，通過(guò)偏振分束器3將反射光中的s偏振光和p偏振光分開(kāi)成兩束，分別由高帶寬的平衡探測(cè)器4的兩個(gè)探頭接收；s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)后被示波器5接收記錄，在示波器上觀察到的電壓曲線為對(duì)應(yīng)s偏振光和p偏振光的強(qiáng)度差隨時(shí)間的變化曲線；然后，將高帶寬的平衡探測(cè)器4的輸出信號(hào)連接至采集卡，從而超聲波信號(hào)通過(guò)光信號(hào)的強(qiáng)度差的變化轉(zhuǎn)化成可被探測(cè)的電壓信號(hào)。

在本實(shí)施例中，激光器11采用HeNe激光器，起偏器13采用偏振片。

激發(fā)光為532nm的激光，本發(fā)明的探測(cè)器在-3dB衰減處的頻率約為105MHz，實(shí)現(xiàn)了寬頻的探測(cè)。

用532nm的激光激發(fā)出寬頻的超聲波，探測(cè)此超聲波，本發(fā)明的探測(cè)裝置在約-6dB衰減處的頻率約為137.2MHz，實(shí)現(xiàn)了寬頻的探測(cè)，如圖3所示。

實(shí)施例二

如圖4所示，本實(shí)施例的基于全反射的超聲探測(cè)裝置包括：探測(cè)光裝置1、光聲成像探頭7、二維掃描臺(tái)6、激發(fā)光、偏振分束器3、平衡探測(cè)器4、示波器5、數(shù)據(jù)采集卡和二維掃描臺(tái)；其中，光聲成像探頭2放置在二維掃描臺(tái)上；光聲成像探頭2包括匹配液體層21和棱鏡22；探測(cè)光裝置1包括：激光器11、衰減片12、起偏器13和1/4玻片14，激光器11發(fā)出激光，通過(guò)衰減12片調(diào)節(jié)強(qiáng)度后，通過(guò)起偏器13變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過(guò)1/4玻片14轉(zhuǎn)為圓偏振光，經(jīng)第一透鏡L1聚焦后，以全反射角的方向入射至光聲成像探頭的棱鏡。成像樣本放置在二維掃描臺(tái)6上，激發(fā)光照射到成像樣本上，產(chǎn)生超聲信號(hào)。

本發(fā)明的基于全反射的光聲成像方法，包括以下步驟：

1)制備光聲成像探頭：

將匹配液體層粘附在棱鏡下底表面，匹配液體層采用水滴或水槽；；

2)搭建光路：

探測(cè)光裝置發(fā)出圓偏振光，經(jīng)第一透鏡聚焦后作為探測(cè)光，光聲成像探頭的棱鏡的側(cè)面入射至棱鏡內(nèi)，聚焦在棱鏡的下底面，聚焦在棱鏡的下底面，并在焦點(diǎn)處發(fā)生全內(nèi)反射，在焦點(diǎn)處形成探測(cè)窗口，通過(guò)微調(diào)減小入射角到剛好不發(fā)生全反射，此時(shí)示波器的信號(hào)幅值最大；以這個(gè)接近全反射角的角度作為入射角，反射光經(jīng)第二透鏡聚焦后，通過(guò)偏振分束器將反射光中的s偏振光和p偏振光分開(kāi)成兩束，分別由高帶寬的平衡探測(cè)器的兩個(gè)探頭接收；

3)光聲信號(hào)調(diào)節(jié)：

將成像樣本放置在二維掃描臺(tái)上，成像樣本緊貼匹配液體層后的探測(cè)窗口的位置；激發(fā)光照射在成像樣本上，激發(fā)成像樣本產(chǎn)生超聲波，引起水的折射率改變，調(diào)制反射光中的P偏振光和S偏振光的能量發(fā)生不同響應(yīng)的非線性變化，在入射角接近全反射角的范圍內(nèi)，P偏振光和S偏振光對(duì)水的折射率的變化最敏感，二者的信號(hào)區(qū)別也最大；在全反射角附近調(diào)節(jié)探測(cè)光的入射角、激發(fā)光的焦點(diǎn)以及成像樣本的位置，使得探測(cè)光點(diǎn)和激發(fā)光點(diǎn)重合并聚焦在成像樣本上，通過(guò)示波器觀察到信噪比最高的信號(hào)；

4)光聲信號(hào)探測(cè)：

將信號(hào)連接至采集卡，由采集卡采集電壓信號(hào)，同時(shí)，由二維掃描臺(tái)帶動(dòng)成像樣本做二維掃描，對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建形成成像樣本的光聲圖像。

本實(shí)施例中，以小白鼠以耳朵的血管為成像樣本，用532nm的激光激發(fā)出寬頻的超聲波，并把小白鼠與二維平移臺(tái)固定，耳朵通過(guò)幾滴水滴緊貼棱鏡下底表面，進(jìn)行二維掃描成像，實(shí)現(xiàn)了光聲成像，如圖5所示。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。