一种基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系统

摘要

本发明公开了一种基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系统，其特征是：所述光声显微系统包括探测光、探测光光束整形单元、光束偏振及相位调制单元、傅立叶变换单元、激发光、激发光光束整形单元、激发共振耦合光声信号单元和控制与信号采集单元。本发明中的基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系统，不仅解决了传统光声带宽窄等的问题，并且与光学显微有机结合，以最大的能量利用效率激发金膜的SPR，有效降低了背景噪音，提高了光声信号的检测灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学成像技术领域，尤其是一种基于完美涡旋光(perfectoptical vortex，POV)激发SPR的光声显微系统。

背景技术

光声成像是一种基于光声效应的新兴的生物医学成像技术，这种成像方法结合了光激发与声探测的优点。该技术通过检测短脉冲激光光源照射到吸收物质后，因吸收体瞬时热弹性效应产生的宽带超声波(即光声信号)，实现对组织光吸收特性的直接测量。光声显微成像是近几年新兴的影像技术，凭借特异性的光学吸收对比机制，在血管生理学、肿瘤学及脑科学等众多领域展现出巨大的应用潜力和市场前景。近几年发展的具备光学分辨率的光声显微技术，横向分辨率达到微米级别，可清晰成像红血球细胞、毛细血管、及黑色素肿瘤等组织的微观形态结构。然而，绝大多数的光声显微成像技术依赖于压电型超声换能器进行光声波检测。受材料固有属性的限制，超声换能器的检测灵敏度和带宽均有限。首先，换能器的声压探测灵敏度通常在上千帕量级，导致光声成像的信噪比较低，严重影响光声图像质量。其次，换能器的探测带宽范围普遍在几十兆赫兹，使光声成像的纵向分辨率在几十微米，既影响了光声成像的深度定位精度，又容易引起饱和效应。

然而，基于压电型超声换能器的光声信号检测方式，具有探测灵敏度低和检测带宽窄的缺陷，限制了光声成像信噪比和分辨率的提高。对于超声换能器来讲，受压电材料本身属性的制约，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。换能器带宽限制了光声成像的纵向分辨率，不仅影响深度定位的精准度，而且使三维图像严重失真。同时，有限的声探测带宽导致光声谱信息的损失，而且会引起饱和效应，从而无法准确反映物质的光学吸收特性。

为了突破传统超声换能器的制约，我们可以引入表面等离激元共振传感(SurfacePlasmon Resonance，SPR)技术。SPR属于全光学传感，对外界干扰具有极高的响应速度，理论上可以达到几十到几百兆赫兹的频带检测；并且由于SPR对于不同折射率所对应的激发角度不同，所以通过一个轻微的折射率变化，SPR便有较大的灵敏度响应。因此，SPR较之超声换能器有很大的优势。

目前,基于表面等离激元共振传感(SPR)进行光声信号探测，主要分两大类：第一种是棱镜型SPR；另一种是基于紧聚焦型物镜激发的SPR。在棱镜型SPR的光声系统中，由于棱镜自身占据较大空间，使其难以放置在高数值孔径显微物镜的出光口处(工作距离通常仅为几毫米)。取而代之的是，将棱镜SPR与显微物镜置于生物样品两侧，形成光声信号的透射探测模式，但是该方法仅适应于细胞或薄层离体组织，无法进行厚生物样品与活体组织成像。另外，棱镜型SPR很难引入特殊光束(如：涡旋光束，柱形矢量光束)进行激发，制约了其灵敏度和动态范围的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系统，不仅解决了传统光声带宽窄等的问题，并且与光学显微有机结合，以最大的能量利用效率激发金膜的SPR，有效降低了背景噪音，提高了光声信号的检测灵敏度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系统，其特征是：所述光声显微系统包括探测光、探测光光束整形单元、光束偏振及相位调制单元、傅立叶变换单元、激发光、激发光光束整形单元、激发共振耦合光声信号单元和控制与信号采集单元；

所述探测光由波长λ＝633nm氦氖激光器(HE-NE激光器)发射出的功率10mw、光束直径1mm的线偏振光；

所述探测光光束整形单元为入射的线偏振光经过衰减片，再经过扩束模块将光束扩束；

所述光束偏振及相位调制单元为入射到起偏器和1/2λ波片，转换成某一角度的线偏振光，经空间光调制器进行波前整形；

所述傅立叶变换单元为入射到傅立叶透镜中,将空间光调制器上的“相位图案”转换为完美涡旋光，并传递至油浸物镜的入瞳处，经聚焦实现单一角度的SPR激发；

所述激发光由波长λ＝532nm纳秒脉冲激光器发射出的光声激发光束，主要用于激发光声信号；

所述激发光光束整形单元为光声激发光束的扩束、整形与传递光路；

所述激发等离子体共振耦合光声信号单元为经油浸物镜聚焦，入射至金膜下方的待测生物样品上，实现光声信号的激发；

所述控制与信号采集单元为TM波和TE波经金膜反射，进入波长λ＝633nm的窄带滤光片上，将波长λ＝532nm的光过滤掉，之后经过偏振分光镜，分成TM波和TE波分别等光程的进入差分探测器中，经数据采集卡采集存储，控制与信号采集器获得光声信号；并且对生物样品进行二维扫描，加之声信号本身具有深度信息，控制与信号采集器可实现三维成像。

作为本发明的优选方案，所述油浸物镜是一种紧聚焦型物镜，其数值孔径(NA)为1.4。通过大数值孔径激发SPR的系统，这样可以很好地与光学显微技术结合，然而，由于只有特定角度的TM波可以激发SPR，导致大部分激光光能量无法耦合进入金膜，造成光能量损耗；同时这些经金膜反射的光进入差分探测器中形成噪声，影响了检测灵敏度。采用紧聚焦型物镜激发SPR，这种油浸物镜不仅激发纳米级厚度金膜产生SPR，还可以聚焦光声激发光束，实现了反射式光声信号检测(激发光与声探测位于生物样品同侧)，克服了棱镜型SPR的缺陷。

作为本发明的优选方案，所述完美涡旋光为一种带有螺旋角动量的涡旋光束，其与光轴垂直的二维平面形成的光斑呈较细的圆环状分布，经过油浸物镜聚焦以后，在金膜上的TM波以特定激发角度入射实现SPR激发。SPR具有高灵敏度的优点可以探测比较微弱的光声信号，并且由于是光学传感，所以响应速度很快，从而大大的增加了系统的探测带宽，优化了原有的探测光声波机制。普通光场激发方式导致绝大部分光能量被反射，激发光利用率非常有限。由于只有特定角度的TM波可以激发SPR，而POV具有独特的环状光斑的光学特性，通过透镜紧聚焦之后可以实现单一的入射角度，因而在SPR的基础上引入POV不仅解决了传统光声带宽窄等的问题，并且与光学显微有机结合，以最大的能量利用效率激发金膜的SPR，有效降低了背景噪音，提高了光声信号的检测灵敏度。

作为本发明的优选方案，所述SPR在纯水中激发的单一角度为71.75°。由于激发SPR需要特定角度的TM波，所以SPR激发的单一角度为71.75°。

作为本发明的优选方案，所述扩束模块由两个能够改变激发光直径和发散角的透镜组合而成。通过这种设置，使得入射平行光光斑变大，能够充满物镜的全部入瞳面，从而满足SPP的激发角度。

作为本发明的优选方案，所述完美涡旋光的产生还可采用锥镜或数字微镜(DMD)来实现。完美涡旋光的产生不仅可以采用空间光调制器来实现，还可以通过采用锥镜或数字微镜(DMD)来实现，光束通过锥镜上或数字微镜(DMD)上的“相位全息图”并经过傅立叶变换单元转换为完美涡旋光，并传递至油浸物镜的入瞳处，经聚焦实现单一角度的SPR激发。

作为本发明的优选方案，所述光声显微系统分为探测部分和激发部分，所述探测部分采用探测光为λ＝633nm线偏振光，经过衰减片、扩束模块、偏振片、1/2λ波片、空间光调制器调制成POV，经过分束器进入NA＝1.4的油浸物镜聚焦满足波矢匹配条件从而激发金膜表面激发等离子体共振，TM波耦合进入金膜内形成表面波，TE波通过全反射反射到偏振分光镜中，后用波长l＝633nm窄带滤光片滤掉散射的波长λ＝532nm的激发光，经过偏振分光镜将TE波和TM波分开，然后TE波和TM波分别通过反光镜反射和透镜折射保证等光程进入差分探测器进行强度的探测；所述激发部分采用一波长为532nm的纳秒脉冲激光器发射激发光，激发光经扩束模块准直扩束，由二向色镜和油浸物镜组成的组合透镜聚焦于金膜下方的待测生物样品上，受激产生的光声信号由如上所述的探测部分进行检测。上述光声显微系统采用的大NA油浸物镜除了激发SPR外，还可对光声激发光束进行聚焦，这种激发/检测共光路的设计、与信号的反射探测模式，不仅极大简化了光路，而且适合成像较厚生物样品以及活体组织，具有更广泛的适用性；在光声成像中，传播至金膜/水界面处的光声压导致折射率发生变化，引起SPR模式改变，使耦合进入金属薄膜内的TM波能量变化，通过探测这一变化，实现光声信号的检测；受光声压干扰，反射的TM波和TE波强度差发生变化，经差分检测可进行光声信号的探测；由于POV独特的圆环状光斑的光学特性，通过透镜紧聚焦之后可以实现单一的入射角度，在SPR的基础上引入这种POV能够保证TM模式光能量可以高效率的耦合进入金膜，提高激发光能量的利用率，降低背景噪音，改善光声信号的检测灵敏度；其中探测部分的波矢匹配是实现表面等离激元共振传感的关键所在，只有满足特定角度的TM模式入射光可以有效激发SPR。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明中的基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系采用一种基于表面等离激元共振传感的新型光声信号探测方法，可大幅提高信号的探测灵敏度与带宽；而且，该发明引入空间光调制器构造完美涡旋光，实现SPR的单一角度激发，可以进一步提高激发光的利用率，降低信号检测的背景噪音，增强了检测灵敏度，实现光声信号的高灵敏度、高信噪比、高能量利用率的宽谱检测，从而使折射率的测量灵敏度达到10^-6RIU级别，对应的声压检测灵敏度为几十帕；其中SPR激发光与光声信号激发光采用同一油浸物镜，既实现了光声信号的反射式探测，又很好的降低光路的复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例1的系统流程图；

图2是本发明实施例1的系统图；

图3是本发明实施例1中空间光调制器上的“相位图案”；

图4是本发明实施例1中激发SPR产生的POV环图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行具体描述。

实施例1

如图1-3所示，本实施例中的基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系统，光声显微系统包括探测光1、探测光光束整形单元2、光束偏振及相位调制单元3、傅立叶变换单元4、激发光5、激发光光束整形单元6、激发共振耦合光声信号单元7和控制与信号采集单元8；探测光1由波长λ＝633nm氦氖激光器11(HE-NE激光器)发射出的功率10mw、光束直径1mm的线偏振光；探测光光束整形单元2为入射的线偏振光经过衰减片12，再经过扩束模块将光束扩束；扩束模块由两个能够改变激发光直径和发散角的透镜13组合而成；光束偏振及相位调制单元3为入射到偏振片14和1/2λ波片15，转换成某一角度的线偏振光，经空间光调制器16进行波前整形；傅立叶变换单元4为入射到傅立叶透镜26中，将空间光调制器16上的“相位图案”转换为完美涡旋光，并传递至油浸物镜17的入瞳处，经聚焦实现单一角度的SPR激发；激发光5由波长λ＝532nm纳秒脉冲激光器18发射出的光声激发光束，主要用于激发光声信号；激发光光束整形单元6为光声激发光束经过衰减片12、透镜13和二向色镜19的扩束、整形与传递光路；激发等离子体共振耦合光声信号单元7为经油浸物镜17聚焦，入射至金膜20下方的待测生物样品21上，实现光声信号的激发；控制与信号采集单元8为TM波和TE波经金膜20反射，进入波长λ＝633nm的窄带滤光片22上，将波长λ＝532nm的光过滤掉，之后经过偏振分光镜23，分成TM波和TE波分别等光程的进入差分探测器24中，经数据采集卡采集存储，控制与信号采集器28获得光声信号；并且对生物样品21进行二维扫描，加之声信号本身具有深度信息，控制与信号采集器28可实现三维成像。

油浸物镜17是一种紧聚焦型物镜，其数值孔径(NA)为1.4。

如图4所示，完美涡旋光为一种带有螺旋角动量的涡旋光束，其与光轴垂直的二维平面形成的光斑呈较细的圆环状分布，经过油浸物镜17聚焦以后，在金膜20上的TM波以特定激发角度入射实现SPR激发。

SPR在纯水中激发的单一角度为71.75°。由于激发SPR需要特定角度的TM波，所以SPR激发的单一角度为71.75°

光声显微系统分为探测部分和激发部分，探测部分采用探测光1为λ＝633nm线偏振光，经过衰减片12、扩束模块、偏振片14、1/2λ波片15、空间光调制器16调制成POV，经过分束器25进入NA＝1.4的油浸物镜17聚焦满足波矢匹配条件从而激发金膜20表面激发等离子体共振，TM波耦合进入金膜20内形成表面波，TE波通过全反射反射到偏振分光镜23中，后用波长l＝633nm窄带滤光片22滤掉散射的波长λ＝532nm的激发光，经过偏振分光镜23将TE波和TM波分开，然后TE波和TM波分别通过反光镜27反射和透镜13折射保证等光程进入差分探测器24进行强度的探测；激发部分采用一波长为532nm的纳秒脉冲激光器18发射激发光5，激发光5经扩束模块准直扩束，由二向色镜19和油浸物镜17组成的组合透镜聚焦于金膜20下方的待测生物样品21上，受激产生的光声信号由如上所述的探测部分进行检测。

本发明采用空间光调制器16构造了完美涡旋光束，提高了TM波的SPR激发效率，增强了检测灵敏度，降低了背景噪音，从而使折射率的测量灵敏度达到10^-6RIU级别，对应的声压检测灵敏度为几十帕。此外，本发明是基于SPR光学表面波方法探测，对超声波引起的折射率变化具有极高的响应速度，所以理论上本发明的探测带宽可以达到Ghz的级别，但由于光电平衡探测器，信号放大器的限制(目前可以做到500mhz以上)，探测的带宽会有一定的降低。

实施例2

本实施例中的基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系统与实施例1的区别在于：

所述完美涡旋光的产生还可采用锥镜来实现。完美涡旋光的产生不仅可以采用空间光调制器来实现，还可以通过采用锥镜来实现，光束通过锥镜转换为完美涡旋光，并传递至油浸物镜的入瞳处，经聚焦实现单一角度的SPR激发。

实施例3

本实施例中的基于完美涡旋光激发SPR的光声显微系统与实施例1的区别在于：

所述完美涡旋光的产生还可采用数字微镜(DMD)来实现。完美涡旋光的产生不仅可以采用空间光调制器来实现，还可以通过采用数字微镜(DMD)来实现，光束通过数字微镜(DMD)上的“相位全息图”并经过傅立叶变换单元转换为完美涡旋光，并传递至油浸物镜的入瞳处，经聚焦实现单一角度的SPR激发。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。