用于物体的光声检测的系统和方法

1.本发明涉及用于光声检查的系统和方法，特别是用于物体的光声检查(诸如光声应用或光声光谱学)的系统和方法。本发明还涉及该系统用于物体的光声检查的用途。


背景技术：

2.每当时变电磁能量被吸收时，几乎任何材料(包括生物组织)都可以感生出以压力波形式传播的声音。当感生出这些热生成的声波的刺激辐射是光学的时，术语“光声(photoacoustic)”适用于这种效应。
3.光声应用是检查物体的已知技术。具体而言，光感生声波被用来检测物体的不同位置处的光学吸收系数或物体的传播特性。因此，光声应用可被用来监测物体的各种特性(例如，声速散布)。此外，通过使用所生成的声波的散射，可以使用各种光声(pa)成像技术来重建物体的内部结构。
4.光声光谱学是材料分析的另一重要领域。它使用材料内(即物体内)的光吸收光谱来确定特定材料的浓度或分布。这可以通过基于光声效应直接测量所生成的声波来实现。在光信号可以在物体内强烈散射的情况下，光声光谱学与正常光谱学相比是有利的，因为声学信号由于其长波长而不容易散射，使得声学信号相比于正常光谱学中的透射光信号而言是更容易测量的。
5.wo2012/057760a1、us2004/0145737a1和us2010/0033720 a1公开了执行光声光谱学的系统。这些系统使用带有衍射光栅的光源来将光学光束引导成朝向物体。检测器被用来检测在物体内生成的声波。
6.已知系统的缺点是pa效应的效率。具体而言，pa效应的效率不足以生成足够强的声学信号。这主要是由于从光热效应到声学信号的能量传递效率低。此外，随着声波向所有方向传播，在检测位置处测得的振动将更加微弱。
7.从理论角度来看，已经进行了研究以提高pa效应的效率。wenyu bai和gerald j.diebold，“photoacoustic effect generated by moving optical sources:motion in one direction(通过使光源移动来生成的光声效应：单向运动)”，journal of applied physics 119，124904(2016)，doi:10.1063/1.4944648，公开了当光源的运动与声波的运动同步时，声波振幅可增加。然而，没有提出该理论的实际应用。


技术实现要素：

8.本发明的目标是提供一种具有经改进的信噪比(snr)的用于光声检查的系统，尤其是对物体进行光声检查的系统。
9.根据本发明，该目标通过一种用于物体的光声检测的系统来达成，该系统包括：宽带发射源，其被配置以生成发射光束；
10.连接到所述宽带发射源的引导装置，所述引导装置包括配置以将所述发射光束拆分成至少第一和第二分量的至少一个频谱拆分器，其中所述引导装置被配置成以n次将所
述第一分量顺序地引导到所述物体上的n个第一位置以在所述物体内生成n个第一声波，n是超过1的自然数，其中所述n个第一位置和n次使得所述n个第一声波至少半相长地干涉以在所述物体内生成第一传播声波，其中所述引导装置被配置成以所述n次将所述第二分量顺序地引导到所述物体上的n个第二位置以在所述物体内生成n个第二声波，其中所述n个第二位置和n次使得所述n个第二声波至少半相长地干涉以在所述物体内生成第二传播声波，所述第一n个位置和所述第二n个位置彼此不同；以及
11.振动感测系统，其被配置成在所述物体上的第一检测位置处检测所述第一传播声波，并在所述物体上的第二检测位置处检测所述第二传播声波。
12.通过使用引导装置将发射光束顺序地引导到物体上的不同位置，在物体内生成多个声波。通过适当地选择位置和时间，多个声波它们至少半相长地干涉，以生成具有大于各个体声波中的任一者的振幅的传播声波。因此，所得到的传播声波具有经增强的信号强度，使得它与任何个体声波相比更易于被振动感测系统检测到，从而与仅生成单个声波的系统相比改进了snr。
13.使用宽带源和至少一个频谱拆分器允许针对不同波长在物体内生成多个(即第一和第二)传播声波。与发射单一波长的发射源相比，这提高了可针对物体生成pa光谱的速度。
14.在本发明的优选实施例中，引导装置包括多个频谱拆分器，每一频谱拆分器对应于多个位置中的一个。
15.在每一位置处提供一频谱处分器避免了必须提供一个或多个移动频谱拆分器以覆盖所有位置。将容易明白，此类移动光谱拆分器将使系统在设置期间和操作期间更加复杂，因为光谱拆分器的移动必须与发射光束需要撞击物体的位置和时间相协调。
16.在本发明的有利实施例中，宽带源包括多个宽带源，每一宽带源对应于一频谱拆分器，并且引导装置包括开关阵列，该开关阵列被配置成顺序地激活多个宽带源中的至少一个。
17.此类系统具有不需要移动宽带源的优点，如上所述，这造成了较不复杂的系统。
18.在本发明的替换有利实施例中，引导装置包括路由装置，该路由装置被配置成将来自宽带源的发射光束顺序地引导到多个频谱拆分器中的一个。
19.此类系统具有不需要移动宽带源的优点，如上所述，这造成了较不复杂的系统。
20.此外，这两个替换实施例在设计系统时提供了灵活性。在开关阵列减少了移动部件的总数的同时，路由装置允许仅使用单个宽带源。
21.根据本发明的一实施例中，振动感测系统包括振动传感器，诸如加速度计，优选地是非接触式振动传感器，诸如具有至少一个膜的片上干涉仪，更优选地是激光多普勒测振仪。
22.非接触式振动传感器是优选的，因为这避免了必须将振动传感器放置成与物体直接接触。激光多普勒测振仪(ldv)是有利的，因为与加速度计相比，它具有更宽的带宽。此外，ldv也非常灵敏，这有助于检测传播声波。
23.在本发明的优选实施例中，振动感测系统包括配置以检测不同传播波中的每一者的多光束激光多普勒测振仪，所述多光束激光多普勒测振仪优选地是用光子集成电路来实现的。
24.在宽带源的情况下，使用多光束ldv是测量不同传播波的简单方式，同时只需要单个检测设备。此外，此类ldv可以用光子集成电路(pic)来实现，如在yanlu li等人的“six-beam homodyne laser doppler vibrometry based on silicon photonics technology(基于硅光子学技术的六束零差激光多普勒测振法)”，2018年2月2日，optical society of america(美国光学学会)，optics express，第26卷第3期中公开的。
25.在本发明的一实施例中，多个第一/第二位置基本上沿信号方向对准，并基于物体内的声速来间隔开一定距离，当从所述多个第一或第二位置中的最后一个位置观看时，第一/第二检测位置位于沿所述信号方向更远的位置。
26.在这一实施例中，通过使用沿其生成传播声波的直线来简化系统设置。此外，使用物体内的声速作为位置的基础可以改善多个个体声波的相长干涉效果。
27.在本发明的一实施例中，该系统还包括靠近每一检测位置放置的机械腔和/或膜，该机械腔优选地具有与待在检测位置处检测的物体内的各个传播声波的声学频率相似的机械共振频率。
28.该实施例通过使用机械腔和/或膜进一步增强信号振幅。通过具有与传播声波的声学频率相似的机械共振频率，可以进一步增强被测的振动。
29.本发明的目标是提供一种具有经改进的信噪比(snr)的用于光声检查的方法，尤其是对物体进行光声检查的方法。
30.该目标是通过对物体进行光声检查的方法来达成的，该方法包括以下步骤：a)生成宽带发射光束；b)将所述宽带发射光束拆分成至少两个分量；c)在初始时间将所述发射光束的每一分量引导成朝向所述物体上的初始位置以在所述物体内生成初始声波；d)在所述初始时间之后的预定时间区间，将所述发射光束的每一分量引导成朝向所述物体上的另一位置以在所述物体内产生另一声波，所述另一位置基于所述物体内的声速，使得所述初始声波和所述另一声波至少半相长地干涉以在所述物体内生成针对每一分量的传播声波；以及e)在检测位置处检测每一传播声波。
31.通过将发射光束顺序地引导到物体上的不同位置，在物体内生成多个声波。通过适当地选择位置和时间(即基于物体内的声速)，多个声波它们至少半相长地干涉，以生成具有大于各个体声波中的任一者的振幅的传播声波。因此，所得到的传播声波具有经增强的信号强度，使得它与任何个体声波相比更易于被检测到，从而与仅生成单个声波的方法相比改进了snr。此外，将宽带发射光束拆分成至少两个分量允许在物体内产生不同波长的多个传播声波。与发射单一波长的发射源相比，这提高了可针对物体生成pa光谱的速度。
32.在本发明的一实施例中，针对多个其他位置重复步骤d)，每一其他位置基于所述物体内的声速来间隔开一定距离。
33.通过增加位置的数量，个体声波的数量增加，这进而也增加了所得的传播声波的振幅，因为每一声波都对传播声波的生成有所贡献。
34.在本发明的一实施例中，步骤a)至d)包括使用开关阵列周期性地激活来自多个发射源的至少一个发射源。
附图说明
35.本发明将通过以下描述和所附附图来进一步解释。
36.图1示出了用于对物体(其不构成本发明的一部分)进行光声检查的系统的示例。
37.图2示出了用于对物体(其不构成本发明的一部分)进行光声检查的系统的示例。
38.图3a和3b示出了根据本发明的、用于对物体进行光声检查的系统的实施例。
39.图4解说了根据本发明的用于对物体进行光声检查的方法。
40.图5a至5g示出了根据图2的系统的仿真结果。
具体实施方式
41.将参照具体实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺度和相对尺度并不必然对应于对本发明实践的实际简化。
42.此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等被用于在类似元素之间进行区分，而不一定用于描述顺序或时间次序。这些术语可在适当情况下互换，并且本发明的各实施例可按不同于本文中所描述或解说的其他顺序操作。
43.此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、底部、上方、下方等被用于描述性目的。如此使用的这些术语在合适的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的各实施例可以按不同于本文中所描述或解说的其他取向操作。
44.此外，尽管被称为“优选”，但各实施例被解释为可实现本发明的示例性方式，而不是限制本发明的范围。
45.本发明一般涉及物体的光声检查，并可被用于各种目的。示例包括测量食物化合物(例如，检测微量污染或其他不需要物质)、油化合物评估、生物组织中的非接触葡萄糖感测、气体化合物评估，等等。因此，将容易明白，术语“物体”应作广义解释，并且可包括固体、液体、气体、血浆和其他物质状态。
46.光声检测基于光声(pa)效应，即在材料样品(即物体)中的光吸收后声波的形成。
47.本发明的主要思想是通过使用沿物体移动的光声声源在物体中引入音爆。换言之，由于pa效应，在物体中感应出多个个体声波。这些个体声波相互干涉并生成传播声波(即音爆)。然后，该波可由振动感测系统在物体上的检测位置处检测。
48.如本文所使用的，术语“半相长干涉”是指传播声波的声学振幅高于来自任何单个声源的声学振幅。振幅比较优选地在检测位置处进行。在数学上，这可以表示成|a_res|》|a_k|，k＝1,
…
,n，其中a_res是传播声波在检测位置处的振幅，a_k是个体声波k在检测位置处的振幅，且n是个体声波的总数。
49.图1示出了用于物体10的光声检查的系统100。系统100包括发射光束115的扫描源110。引导装置120集成在扫描源110内，并允许光束115如箭头125所示地旋转，即引导装置120包括旋转光束115的路由装置(未示出)。这种旋转使得光束115能够以连续的方式在物体10的表面区域15(即直线)上移动。归因于pa效应，光束115使得在物体内生成多个个体声波，这些声波相互干涉以生成如箭头20所示的传播声波。系统100还包括振动感测系统125，其在至少一个检测位置25处检测物体内的传播声波。
50.在光束115在表面15上的移动速度类似于物体内的声速的情况下，诸个体声波的干涉被优化。然而将很容易明白，当诸个体声波的干涉次优时，即当仅存在半相长干涉时，
系统100也在检测位置25处达到经改进的snr。
51.在所示实施例中，引导装置120沿物体10的表面上的直线15旋转光束115。这使得传播波20也沿该相同方向(也称为信号方向)传播。因此，将检测位置放置在沿着该信号方向的更远位置处以检测传播波20的峰值振幅是有利的。
52.图2示出了用于物体10的光声检查的系统200。系统200包括开关源阵列210，该阵列发射多个光束2151、
……
、215n，其中n是大于1的自然数，表示可从开关源阵列220输出的光束215的总数。引导装置220集成在开关源阵列210内并控制在特定时刻输出哪些光束2151、
……
、215n。来自开关源阵列210的每一输出在物体10上具有对应的撞击位置151、
……
、15n。引导装置220能够控制光束2151、
…
、215n撞击物体10上的目标位置15的位置和时间。归因于pa效应，光束2151、
……
、215n使得在物体内生成多个个体声波，这些声波相互干涉以生成如箭头20所示的传播声波。系统200还包括振动感测系统225，其在至少一个检测位置25处检测物体内的传播声波。
53.开关源阵列210的使用允许改变撞击位置151、
……
、15n的配置。一种有利配置是，撞击位置以基于物体10内的声速的距离彼此对准，并且开关源阵列210以如下定时来输出后续光束2151、
……
、215n：使得下一光束的撞击位置以与物体10内的声速相似的速度沿信号方向移动。然而将很容易明白，当诸个体声波的干涉次优时，即当仅存在半相长干涉时(这可通过各种各样的可设想的配置来获得)，系统200也在检测位置25处达到经改进的snr。
54.系统100、200中的发射源通常是发射单波长光束的激光器。优选地，使用可调谐激光器，其允许测试物体的多个吸收线。
55.图3a和3b示出了根据本发明的、用于对物体10进行光声检查的系统300的实施例。系统300包括多个宽带光源3051、
……
、305n，其中n是表示宽带光源的总数的、大于一的自然数。每一宽带源3051、
……
、305n朝形成引导装置320的一部分的多个光谱拆分器3401、
……
、340n发射光束3151、
……
、315n。每一光谱拆分器340i将宽带发射315i拆分成多个分量345
i1
、
……
、345
im
，其中m是大于一的自然数，其表示分量的总数(在所示实施例中m等于三)。引导装置320还包括用于每一分量的光学聚焦装置3501、
……
、350m，用于将该分量聚焦到物体10上的单个目标位置15
i1
、
……
、15
im
上。在所示实施例中，宽带源3051、
……
、305n集成到与图2的实施例类似的光学开关阵列310中。引导装置320还包括控制该开关阵列310以便控制各个源3051、
……
、305n的激活的装置。引导装置320能够控制光束分量345
11
、
……
、345
nm
撞击物体10上的目标位置15
11
、
……
、15
nm
的位置和时间。归因于pa效应，光束分量345
11
、
……
、345
nm
使得在物体内生成多个个体声波，这些声波相互干涉以生成如图3a中的虚线201、
……
、20m所示的m个传播声波。系统300还包括振动感测系统325，其在至少m个检测位置251、
……
、25m处检测物体内的传播声波。
56.开关源阵列310的使用允许改变撞击位置15
11
、
……
、15
nm
的配置。一种有利配置是，不同光束分量345
11
、
……
、345
nm
的撞击位置以基于物体10内的声速的距离彼此对准，并且开关源阵列310以如下定时来输出后续光束3151、
……
、315n：使得下一光束的撞击位置以与物体10内的声速相似的速度沿信号方向移动。然而将很容易明白，当诸个体声波的干涉次优时，即当仅存在半相长干涉时(这可通过各种各样的可设想的配置来获得)，系统300也在检测位置251、
……
、25m处达到经改进的snr。
57.上述系统的振动感测系统130、230、330通常包括用于检测传播声波20的振动传感器，诸如加速度计。非接触式振动传感器是优选的，因为这避免了必须将振动传感器放置成与物体10直接接触。激光多普勒测振仪(ldv)是有利的，因为与加速度计相比，它具有更宽的带宽。此外，ldv也非常灵敏，这有助于检测传播声波。在图3a和3b的系统中，多光束ldv(例如，由光子集成电路pic实现，如在yanlu li等人的“six-beam homodyne laser doppler vibrometry based on silicon photonics technology(基于硅光子学技术的六束零差激光多普勒测振术)”，2018年2月2日，optical society of america(美国光学学会)，optics express，第26卷第3期中公开的)是有利的，因为这允许使用单个设备同时测量不同的传播声波201、
……
、20m。将容易明白，每一传播声波20也可以由多个振动传感器同时检测，例如多个ldv，每一ldv检测同一传播声波的不同位移分量。
58.系统100、200、300可以通过提供靠近检测位置25的机械腔和/或膜来进一步增强，因为这增强了传播声波20的信号振幅。优选地，机械腔具有传播声波在物体内的声学频率相似的机械共振频率，因为这进一步增强了振动振幅。在实践中，这可以通过具有在物体10内传播声波的频率的6db频带内的机械腔共振频率来实现。
59.将容易明白，上述系统100、200、300可被用于光声检查，诸如光声应用或光声光谱学。
60.图4解说了优选地通过使用上述系统100、200、300对物体10进行光声检查的方法400。
61.该方法从生成410光束115、215、315开始。在初始时间t0，光束115、215、315被引导420朝向物体10上的初始位置15，以在物体10内生成初始声波。在图2和图3的系统中，初始位置可以是第一位置151，即距检测位置25最远的位置。随后，一个或多个其他光束115、215、315被引导朝向430物体10上的其他位置。在图1的系统中，初始位置和其他位置形成一条连续线，而在图2和图3的系统中，这些位置彼此不同并间隔开一定距离。时间和位置(即，撞击位置沿物体10的移动速度)使得初始声波和其他声波至少半相长地干涉，以在物体10内生成传播声波20。最后，在检测位置25处检测440所生成的声波20。步骤410、420和430可由开关阵列210、310联合执行，如上文参考图2和3所述。
62.通过将发射光束顺序地引导到物体上的不同位置，在物体内生成多个声波。通过适当地选择位置和时间(即基于物体内的速度)，多个声波它们至少半相长地干涉，以生成具有大于各个体声波中的任一者的振幅的传播声波。因此，所得到的传播声波具有经增强的信号强度，使得它与任何个体声波相比更易于被检测到，从而与仅生成单个声波的方法相比改进了snr。
63.图5a至5g将用于解说当使用图2中所示的系统200时的仿真结果，其中该系统具有不同数量n的个体声波。
64.将使用以下假设和符号。假设撞击位置处的输入光功率是p
in
，并且所生成的用于声学能量的功率是pa＝kp
in
，其中k是能量传递比率。假设k在所有情况下都是相同的。所生成的声波功率其中a是表面的面积，p是声压，ρ是质量密度，且c是声速。如果将输入光功率拆分成n个撞击位置(也称为光斑)，则每个光斑的声功率是p
ae
＝pa/n，并且对应的
声压将是每个光斑的体积被假设为是相同的。光斑的半径被表示为rs。该半径由光被的大小、光的吸收深度和散射大小来确定。光斑的边界处的面积是rs处的声压将是当声压传播到半径为r的区域时，声压将是因此，声压下降与半径成反比。声波的波长是其中f是声频。在半径rs和时间t处的声压向量可以表示成：
[0065][0066]
在表面上传播的声音是横波，其振动方向是该表面的法线方向。如果有若干个声源，则声压可被求和以获得最终声压。
[0067]
p
total
＝∑pn(r，t)
[0068]
还假设当声压波传播通过各撞击位置时，另一声源不会改变该声压波。这在光-声源不强时是有效的。n个光斑被用于增强传播声波的声压，其中各光斑以均匀间距d成一直线。为了产生最优干涉，光信号15的生成具有受控的时间延迟，以确保其与两个相邻点之间的声压行进时间相兼容。例如，如果d＝λ/α，则两代光束的时间延迟δt是因此，所有光斑的声压具有在一个方向上的相长干涉。在仿真中使用以下值：rs＝0.1mm，λ＝1mm，f＝1mhz，使得c＝λf＝1km/s。
[0069]
图5a示出了当只有单个光斑(即n＝1)时，物体上的不同位置的最大声压级(以db＝20*log(p)为单位)。图5b示出了间隔距离是d＝λ/4的两个光斑(即n＝2)的相同标绘。图5b示出，正y方向的声压级更强，而负y方向的声压级更弱。图5c至5e分别示出了4个光斑、8个光斑和16个光斑的结果。很明显，通过增加光斑的数量，声压功率被聚焦到一个方向。
[0070]
图5e还示出了y＝1mm处的线。图5f示出了不同n值时沿这条线的声压。图5f示出，通过将声源扩展到更多的光斑，声压在一个方向上有了相长性增强，即声音在空间域中更局部地聚焦。从图5f中可以看出，在x方向距中心5mm处，n＝1的声压下降约15db，而n＝16的声压级下降30db。因此，如果以5mm的间距放置几条线(即，若干个并行的开关阵列210)，不同线的串扰将是-30db。图5g示出了与图5f类似的视图，但y＝0.5mm。比较表明，当振动测量位置到压力源的距离减小时，传播声波的尺寸缩小。
[0071]
尽管已经关于特定实施例描述了本公开的各方面，但是将容易理解，这些方面可以在如权利要求限定的本发明的范围内以其他形式实施。