[發明專利]一種基于CARS的斷層掃描成像裝置、檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201711242905.X
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN109856112B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 夏栩笙;劉金波;郭敬為;袁紅;桑鳳亭
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 王丹;李洪福

1.一種基于CARS的斷層掃描成像裝置，其特征在于，包括：

探測光源，其用以輸出由泵浦光以及斯托克斯光所合成的探測激光光束；

待測樣品承載臺；

光學機械裝置，其用以使得所述探測激光光束穿過承載于其上的待測樣品時能夠改變光束到座標原點距離l和入射角θ；

濾光片，其用以濾除泵浦光以及斯托克斯光；

以及探測器，其用以對待測樣品受激所產生的相干反斯托克斯拉曼散射光進行檢測；

其中，所述探測激光光束穿過待測樣品，基于待測樣品的三階非線性效應所產生相干反斯托克斯拉曼散射光，經由濾光片濾除混雜于相干反斯托克斯拉曼散射光中的泵浦光以及斯托克斯光后，由探測器對待測樣品受激所產生的相干反斯托克斯拉曼散射光進行檢測；

所述裝置依據檢測需求設置探測激光光束以及探測器類型；若檢測溫度斷層掃描參數則所述探測激光光束選擇寬帶激光光束，同時所述探測器選擇光譜儀光纖；若檢測樣品濃度分布掃描參數則所述探測激光光束選擇窄帶激光光束，同時所述探測器選擇Pin管；

所述裝置還包括數據分析器，其用以依據探測器所檢測的相干反斯托克斯拉曼散射光信號分析獲得待測樣品各斷層所對應的樣品濃度分布掃描參數或者溫度斷層掃描參數；

所述樣品濃度分布掃描參數的分析過程為：若假定所述Pin管所檢測到相干反斯托克斯拉曼散射光信號強度為I，泵浦光信號強度為I_p，斯托克斯光信號強度為I_s；待測樣品的濃度為f，則依據非線性光學的理論，上述物理量對應的關系為其中，比例系數k通過測已知濃度的被測樣品進行標定，對應的樣品濃度分布掃描參數即樣品濃度場為非均勻場f(x,y)，對應的樣品中各處產生相干反斯托克斯拉曼散射光信號強度也是非均勻場，表示為

自上述公式(1)可知，鑒于探測器所檢測的相干反斯托克斯拉曼散射光信號的電流強度反映的是I(x，y)沿著光線的積分值，則引入Radon變換進行求解，即若探測激光光束的入射光線到光軸座標原點距離和入射角分別為l和θ，入射光線所在的直線為L，則I(x，y)對應的Radon變換式如下式(2)所示函數

則公式(2)對應的傅里葉變換與和I(x，y)的傅里葉變換存在如下關系：

式中為對入射光線到座標原點距離l作傅立葉變換，表示I(x，y)的傅里葉變換

最后通過光學機械裝置不斷改變光束到座標原點距離l和入射角θ，遍歷所有可能的值，以獲得全部

對所述作逆傅里葉變換求出對應的I(x，y)后，基于求出待測樣品各斷層所對應的樣品濃度分布掃描參數f(x，y)。

2.根據權利要求1所述的基于CARS的斷層掃描成像裝置，其特征在于：

所述探測激光光束依據待測樣品所對應的拉曼頻移設置泵浦光以及斯托克斯光之間的頻率差。

3.根據權利要求1所述的基于CARS的斷層掃描成像裝置，其特征在于：

所述溫度斷層掃描參數的分析過程為：

首先通過光譜儀光纖探測待測樣品中多個轉動能級的粒子分布構成的連續轉動光譜P支光譜以及Q支光譜所構成的函數I_λ(l，θ)＝∫_L I(x，y)dL，并通過光學機械裝置遍歷l和θ；其中下標λ表示波長為λ的光譜線在光譜儀上的積分；

其次依據所述P支光譜和Q支光譜計算對應的溫度，所述計算過程為

對I_λ(l，θ)中的l作傅里葉變換，得到

再對kx，k_y分別作傅里葉逆變換，得到

最后根據光譜分布函數I_λ(x，y)求解出溫度分布函數T(x，y)。

4.一種基于CARS的斷層掃描成像的檢測系統，其包括權利要求1-3任意一項所述的斷層掃描成像裝置。