[发明专利]一种非接触光声成像装置及方法

权利要求书

1.一种非接触光声成像方法，其特征在于，该方法基于一种非接触光声成像装置实现，所述装置包括探测光源(1)、光纤隔离器(2)、2×2光纤耦合器(3)、光纤环形器A(4)、光纤环形器B(8)、3×3光纤耦合器(12)、准直器A(13)、透镜A(14)、反射镜A(15)、准直器B(16)、二向色镜(17)、反射镜B(18)、反射镜C(19)、透镜B(20)、激光器(22)、反射镜D(23)、光电探测器A(24)、光电探测器B(25)、光电探测器C(26)、高通滤波器A(27)、高通滤波器B(28)、高通滤波器C(29)、数据采集卡(30)和电脑(31)；

所述探测光源(1)、光纤隔离器(2)、2×2光纤耦合器(3)通过光纤依次连接；所述2×2光纤耦合器(3)的输出端分别通过光纤环形器A1端口(5)连接光纤环形器A(4)、通过光纤环形器B1端口(9)连接光纤环形器B(8)；

所述光纤环形器A(4)通过光纤环形器A2端口(6)连接准直器A(13)、通过光纤环形器A3端口(7)与3×3光纤耦合器(12)的输入端连接；所述的准直器A(13)、透镜A(14)和反射镜A(15)依次同轴设置；

所述光纤环形器B(8)通过光纤环形器B2端口(10)连接准直器B(16)、通过光纤环形器B3端口(11)与3×3光纤耦合器(12)的输入端连接；

所述激光器(22)发射的激光依次经过反射镜D(23)和二向色镜(17)，与经过准直器B(16)的探测光汇合后依次通过反射镜B(18)、反射镜C(19)、透镜B(20)聚焦于置于载物台(21)上的样品(32)内部；所述激光器(22)与数据采集卡(30)连接；

所述3×3光纤耦合器(12)的输出端分别通过光纤连接光电探测器A(24)、光电探测器B(25)、光电探测器C(26)；所述光电探测器A(24)、光电探测器B(25)、光电探测器C(26)分别连接高通滤波器A(27)、高通滤波器B(28)、高通滤波器C(29)；三个高通滤波器与电脑(31)中的数据采集卡(30)连接；

所述非接触光声成像方法包括以下步骤：

步骤1光声激发过程

激光器(22)发射激光，激光聚焦于样品(32)内部，样品吸收能量产生超声波，超声波导致激发点的光学折射率变化，进而导致激发点的光学反射率变大，使探测光反射光强增大；

步骤2光声检测过程

探测光源(1)发出探测光依次通过光纤隔离器(2)、2×2光纤耦合器(3)后分成参考光和样品光；所述的参考光经光纤环形器A1端口(5)进入光纤环形器A(4)，并从光纤环形器A2端口(6)输出，依次通过准直器A(13)、透镜A(14)和反射镜A(15)后原路返回并通过光纤环形器A3端口(7)进入3×3光纤耦合器(12)；所述的样品光经光纤环形器B1端口(9)进入光纤环形器B(8)，从光纤环形器B2端口(10)输出，经准直器B(16)准直成平行光，经二向色镜(17)后与激光合为一束光，再依次经过反射镜B(18)、反射镜C(19)和透镜B(20)聚焦于置于载物台(21)上的样品(32)内部；背向散射光原路返回并通过光纤环形器B3端口(11)进入3×3光纤耦合器(12)；

两路光进入3×3光纤耦合器(12)后输出三路信号，三路信号分别进入光电探测器A(24)、光电探测器B(25)和光电探测器C(26)发生干涉并转换成电信号，再分别经高通滤波器A(27)、高通滤波器B(28)和高通滤波器C(29)滤除干扰后进入电脑(31)中，数据采集卡(30)进行信号采集；

其中，3×3光纤耦合器(12)进行三相位解调的过程如下：

样本不同深度的背向散射光导致的干扰表示为：

其中，I_R为来自参考臂的光强度；I_s，i为来自样品第i深度的光强度；ΔI_s(t)为在光声激发位置产生的探测光强度变化；为在I_R和ΔI_s(t)之间的时变相位差；为I_R和I_s，i之间的时变相位差；为ΔI_s(t)和I_s，i之间的时变相位差；和均表示随机环境干扰；除ΔI_s(t)外的其他项均通过高通滤波器滤除，且与I_s，i的相关项忽略不计，则测得的信号为：

通过3×3光纤耦合器(12)解调反射强度变化ΔI_s(t)后，数据采集卡(30)采集的三路干涉信号表示为：

其中，是式(1)中所示的之和；和表示三路输出信号之间的相位差；光纤耦合器的分光比为K₁∶K₂∶K₃；

由式(3)的三路干涉信号得到ΔI_s(t)：

其中，G＝K₂/K₁；H＝K₃/K₁；

步骤3信号采集过程

步骤1中激光器(22)发出激光的同时，激光器(22)发出触发信号，数据采集卡(30)对光声信号进行同步采集。