辐照介质的装置和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年9月24日提交的美国专利申请No.12/566,592的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于辐照介质的装置和方法。

背景技术：

光散射是可能阻碍、甚至阻止查看散射过程为主导的介质的内部或者通过散射过程为主导的介质进行查看的基本事件之一。这是因为散射光不沿通过介质的直线传播，散射光的随机路径引起光的方向性及其相关联的信息的损失。因此，可能难以通过检测散射或漫射的可见光来提取关于在其中发生这样的散射的介质的详细内部信息。例如，在处理生物组织的医学应用中，在使光通过组织时所发生的散射可能使得难以通过检测散射光来获得内部信息。

另外，还存在下述增长的需求，即，能够使光能集中在散射介质中的目标位置处，例如以使得可在光动力治疗中处理异常组织，以及实现迄今为止在有意无序的随机材料中不可获得的独特的、有前景的功能。

直到最近还没有实现使光聚焦在散射介质内部的一个点处或者使光通过散射介质聚焦在一个点处的能力。然而，最近几年，提出了优化入射光的波前以抑制散射效应的技术。

在美国专利申请公开No.2009/0009834中，公开了一种光学相位共轭技术，该技术可用于通过全息记录材料来记录透射通过散射介质的散射光的波前，并且产生相位共轭波，该相位共轭波的相位基本上与所记录的波前的相位相反。产生相位共轭波，以使得它被构造为进入散射介质并且可通过散射介质查看。

由于弹性光学散射是确定性的且时间可逆的过程，所以光学相位共轭可使其轨迹通过散射介质折回到其原始入射点。如美国专利申请公开No.2009/0009834中所公开的方法利用这种能力，这种能力可有效地抑制散射效应并且提高散射介质的所获得图像的空间分辨率。

然而，美国专利申请公开No.2009/0009834公开了其中所述的光学相位共轭方法仅能够使光聚焦在散射介质正后面的、入射光最初射入的区域处。因此，如其中所述的，该方法不能任意地使光聚焦在散射介质内部的任何特定点处。然而，美国专利申请公开No.2009/0009834进一步建议，可以使用其中所述的相位共轭方法来照射引起介质内部的强前向散射的特定散射体中的一些。

然而，仅当介质的散射属性如此低以至于可以认为散射仅在介质中的强散射体所在的几个特定点处发生时，这种情形才可适用。另外，可能需要知道所述特定点(位置)，以便能够在更多的应用(诸如成像或治疗)中利用这种聚焦效应。

在许多情况下，诸如在包括生物组织的高散射介质中，这种情形是不实用的。例如，在强散射介质中，其中可发生的多个散射过程可能使得指定哪些散射体为主导并且是主要引起前向散射的原因非常困难(有时候，散射可能甚至不在前向方向上)。因此，可能难以使用光学相位共轭来使通过多个散射过程创建的光路折回和照射该光路。这样的多个散射过程可能由于例如在介质中存在过多散射体而引起。

此外，因为即使当光聚焦在“强散射体”的大致附近时，“强散射体”在介质内部的位置通常也是未知的，所以确定光学相位共轭折回以聚焦在这样的散射介质中的精确位置是有挑战性的。

因此，这些要点是在散射介质中应用相位共轭法所要考虑的。

技术实现要素：

本发明的实施例提供用于辐照介质的装置和方法。

根据本发明的一方面，一种装置包括：第一辐照单元，其包括发射电磁波的电磁波源，以用在介质中散射的所述电磁波辐照所述介质；超声器件，其将超声波发送到所述介质，以在所述介质中的某位置处对所述电磁波的频率进行调制；和第二辐照单元，其用参考波辐照全息材料，以记录与由调制的电磁波与参考波之间的干涉产生的干涉图案对应的信息。在所述信息被记录在所述全息材料上之后，所述第一辐照单元被构造为辐照所述全息材料，以使得所述全息材料产生重构波，所述重构波在所述介质中的所述位置处辐照所述介质。

根据本发明的另一方面，一种装置包括：第一辐照单元，其包括第一电磁波源，以用在介质中散射的电磁波辐照所述介质；超声器件，其将超声波发送到所述介质，以在所述介质中的某位置处对所述电磁波的频率进行调制；第二辐照单元，其用参考波辐照全息材料，以记录与由调制的电磁波与参考波之间的干涉产生的干涉图案对应的信息；和第三辐照单元，其包括第二电磁波源，以辐照所述全息材料使得所述全息材料产生在所述介质中的所述位置处辐照所述介质的重构波。

根据本发明的另一方面，一种方法包括：用电磁波辐照介质，所述电磁波在所述介质中散射并且在所述介质中的某位置处被调制频率；获得与由调制的电磁波和参考波之间的干涉产生的干涉图案对应的信息；和基于所获得的信息来产生辐照所述介质的相位共轭波。

根据本发明的另一方面，一种装置包括：辐照器，其包括发射电磁波的电磁波源，以用在介质中散射的所述电磁波辐照所述介质；调制器，其在所述介质中的某位置处对所述电磁波的频率进行调制；探测器，其获得与由调制的电磁波与参考波之间的干涉产生的干涉图案对应的信息；和产生器，其基于所获得的信息来产生辐照所述介质的相位共轭波。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步特征将变得明白。

附图说明

图1A示出散射介质中的多个散射光。

图1B示出散射介质中的频移光的“重发射”。

图1C示出聚焦在散射介质中的光。

图2A示出第一步(记录处理)的布置。

图2B示出第二步(用于辐照的再现处理)的布置。

图3A示出示例性实施例中的第一步的布置。

图3B示出示例性实施例中的第二步的布置。

图4示出另一示例性实施例的布置。

图5示出示例性操作流程。

图6示出另一示例性实施例的布置。

具体实施方式

以下将参照附图对根据本发明的实施例进行描述。

图1A示出散射介质101中的多个光散射和位置102。在位置102处，可对入射光束100的频率进行调制。一旦入射光束100进入包括散射粒子199的散射介质101，光100就在介质101中的整个传播期间经历多次散射，并且最终作为散射光103从介质101的表面射出。此时，入射光100的一部分可到达位置102，并且可在位置102处被调制频率。例如，超声波可用于在所述位置处对入射光100的频率进行调制。可替换地，可利用可在介质中的某局部位置处对入射光的频率进行调制的手段来代替超声波。

在称之为声光成像或超声调制断层成像的技术中，当散射介质101被超声波辐照时，该介质的折射率被调制，并且另外，所施加的超声波的频率引起散射介质101中的散射体的位移。一旦入射光100的所述部分到达在介质101中的所述位置处的超声辐照体(irradiated volume)，该光的光学相位可被超声波的频率调制，这引起光的频率偏移。

图1B示出在介质101中的交互(频移)光104的产生和传播。超声波的频率使交互光104的频率偏移(被调制)。因此，光104的频率不同于入射光100和没有被超声波调制的散射光103。起源于位置102处的超声辐照体的该频移光104在经历多次散射的同时保持传播，并且从介质101射出。

换句话讲，位置102处的超声辐照体的作用可以如同在散射介质101内部存在产生频率不同于原始光的光的另一光源一样。该频移光104显然起源于位置102处的超声辐照体。

一旦主要与该频移光104对应的波前被记录并且通过其相位共轭105被重放，该相位共轭就可使其轨迹折回，并且到达图1C中所示的位置102或者朝向位置102行进。为了实现相位共轭(即，重构波、相位共轭波)，可利用全息技术。在全息技术中，可将由调制光与参考波之间的干涉引起的干涉图案记录在全息材料中，并且还可通过光电探测器(诸如CCD传感器和CMOS传感器)检测干涉图案。通过光电探测器检测干涉图案的技术称之为数字全息技术。相位共轭波可基于所获得的与干涉图案对应的信息来产生。例如，如本文在后一部分中所提及的，当干涉图案被记录在全息材料中时，可通过泵浦光来产生共轭波。另一方面，如本文第四实施例中所述的，当通过阵列传感器获得所述信息时，可通过使用产生器(诸如空间光调制器)来产生共轭波。

使辐照聚焦在散射介质中的方法通常可涉及两个步骤。第一步是记录步骤，第二步是再现(重构)步骤。

图2A显示用于第一步的布置的说明性示图。相干光源200发射初始光束。该初始光可被分束器201分离为入射光束211和参考光束212。通常，光源200所发射的波长的范围可为从可见光(可见射线)到近红外光(近红外射线)。例如，发射从大约380nm到大约2500nm(诸如从400nm到1500nm)的波长的电磁波源可用作光源200。

外部调制器(诸如声光调制器(AOM)202和204)可独立地用下述频率的时钟来驱动，所述频率被调整以使得它们之间的频率差大致等于施加于超声系统207的频率。例如，如果AOM 202的频率为f₁(＝70MHz)并且超声的频率为f_a(＝2MHz)，则AOM 204的频率f₂为f₁+f_a(＝72MHz)。入射光束211和参考光束212分别通过AOM202和AOM 204。

调整这些AOM的调制频率的另一种方式是，可将AOM 202放置在参考光束212的路径上，而不是入射光束211的路径上。因此，参考光束212可通过两个AOM，而入射光束211不通过AOM。第一AOM的频率可被设置为例如f₁＝-70MHz，第二AOM的频率可被设置为f₂＝+72MHz，以使得f₁+f₂＝2MHz，2MHz等于超声频率f_a(＝2MHz)。可替换地，可以相同的频率设置将两个AOM放置在入射光束211的路径上，而不是参考光束212的路径上。

超声器件207发送超声波，以创建其大小和位置可被先验确定的聚焦体(focus volume)208。可以辐射脉冲超声，以实现小的纵向聚焦体。超声的脉宽可根据聚焦体208的大小和在散射介质209中的超声波的速度来设置。此外，可使用频闪辐照，在频闪辐照中，可使来自光源200的辐照的定时同步，以仅在当超声脉冲位于将聚焦的位置时的时间段期间辐照介质209。为了将体208设置在介质209中的某位置处，可利用聚焦的超声。

控制并调整可移动反射镜203，以使得入射光211进入散射介质209。第一辐照单元可包括包含辐照介质209的光源200的系统，可选地，还可包括控制光源200的输出的控制器。在散射介质209中，入射光束211被多次散射，该光的某些部分可通过多个散射过程到达超声聚焦体208，并且在体208的位置处与超声交互。

作为光与超声之间交互的结果，超声聚焦体208可将该光重发射为频移光。频移光的至少一部分以及非频移光被反射回去并且从介质209的、入射光211进入的表面射出。从介质209的表面射出的信号光束被显示为散射波前210。散射波前210还可从与入射光束211进入的点不同的位置射出。该波前210射入到全息材料206上。

被AOM 204调整为具有与频移光的频率相同的频率的参考光束212可被反射镜205反射，以照射全息材料206。第二辐照单元可包括辐照全息材料206的系统，诸如反射镜205。

信号光束(包括交互光和非交互光这二者)与参考光束212之间的干涉在全息材料206的内部产生干涉图。该干涉图可主要由两个成分构成。一个成分是非频移光与参考光212之间的干涉。另一成分是频移光与参考光束212之间的干涉。

由不同光频率形成的前一干涉成分以与施加于超声器件207的拍频速度相同的拍频速度移动。通常，该速度如此快，以至于干涉条纹被平均化，并且不能被刻写在全息材料206内部。由相同频率形成的后一干涉成分可在全息材料206内部创建静态干涉图案。

带通滤波器也可用于除去非频移光并且高效率地聚集频移光以形成全息图。例如，Fabry-Perot干涉计或低温致冷光谱烧孔晶体可以是合适的。代替全息材料206，阵列传感器(诸如CCD传感器或CMOS传感器)也可用于获得与干涉图案对应的信息。

因此，起源于局部超声聚焦体208的频移光可对于在全息材料206中创建静态全息图提供主要贡献。换句话讲，与参考光束和频移光之间的干涉对应的信息可被记录在全息材料206中。

由于光的相位共轭可使其轨迹折回，所以该刻写的波前的相位共轭可传播回超声聚焦体208。这意味着作为频移光的相位共轭的入射光可向回聚焦在散射介质209中的局部体208上。

图2B显示用于第二步的布置的说明性示图，第二步是辐照体208的再现步骤。

如图2B所示，由光源200发射的光最终作为泵浦光束213在基本上与参考光束212的方向相反的方向上照射全息材料206。可替换地，如第三实施例中所述的，还可利用另一泵浦光光源来代替光源200。在所述信息被记录在全息材料上之后，第一辐照单元可因此被构造为辐照全息材料，而不通过介质209。泵浦光束213可以是连续波或脉冲波。

该泵浦光在全息材料206内部产生所记录的波前的相位共轭波210’。相位共轭波210’朝向散射介质209传播，并且进入介质209。该相位共轭波210’可使其在记录步骤中经历的原始轨迹在散射介质209中折回，并且返回到超声聚焦体208。结果，相位共轭光210’可使该局部体208聚焦。换句话讲，全息材料可产生在介质中的所述位置处辐照介质的重构波，并且重构波可包括行进到介质209中的体208的位置的相位共轭波。另外可利用控制器，其控制重构波的强度，以使得重构波的强度不同于用于获得调制的电磁波210的电磁波211的强度。控制器可调整光的强度，例如，以使得通过使用控制器，重构波变为比用于获得调制电磁波210的电磁波211的强度弱或强。为了检测来自介质的信号，可使用光电探测器和/或超声探测器。探测器可以是使用响应于重构波对介质209的辐照而从介质209输出的信号来形成层析图像的图像形成单元。

超声聚焦体208的属性(比如，体大小、形状、位置)可通过操作超声器件207及其控制单元(未显示)来控制。该特征在实际情况下可能是非常重要的。因此，可能产生能够折回到在散射介质内部可控的特定局部体的相位共轭波。通过将该实施例应用为在处理多个散射光的成像中的辐照装置或者方法，可提高输出图像的信噪比(SNR)。另外，该实施例可通过使光聚焦在散射介质内部来改进该成像方法的测量深度。辐照方法可应用于各种类型的成像方法和涉及使光集中在散射介质中的其它装置。可选地，还可将泵浦光束213的能量调整为低于用于创建全息图的光能。

这里，散射介质可以是例如生物组织或任何其它混浊介质或无序材料。

全息材料206可以是常规乳液或光折射晶体，所述光折射晶体诸如铌酸锂、砷化镓、BSO(硅酸铋)、或者例如美国专利No.6,653,421中所述的光折射聚合物。此外，稍后显示的数字全息技术可以适用。

频移光的强度可以大得足以创建用于产生相位共轭波的全息图。该强度取决于介质的位置和散射介质209中的超声聚焦体208的大小。建立超声焦点208以便使光聚焦在散射介质209内部深处的可能方式之一可以是从下述状态开始以形成全息图，所述状态为超声焦点在频移光相对容易被检测到的相对浅的区域处。

作为下一步骤，可将超声焦点208设置在介质中的频移光仍可被检测到的稍深一点的点处，即使入射光没有被充分优化以使光聚焦，但是仍比普通辐照更好地聚焦。一旦新显现(develop)的全息图完成，入射的相位共轭波就可聚焦在散射介质中的这个新点上。通过逐步地重复该处理，可使焦点在散射介质中加深。

使超声焦点加深的另一种方式可以是，以较大的超声聚焦体(大得足以显现全息图)开始，并且逐渐地将超声聚焦体缩小到预定大小。

此外，在医学应用中，例如为了使用该实施例使异常组织区域成像(监测)或者治疗异常组织区域，可通过使用由其它模态(诸如X射线、MRI、超声或任何其它诊断结果)提供的先验信息来将超声焦点设置在异常区域。

以下将对根据本发明的第一实施例的辐照装置和方法进行描述。图3A和图3B分别是示出记录步骤(图3A)和再现步骤(图3B)的示例性构造的示意图。

第一实施例包括声光成像技术。激光器300发射初始光，该初始光在图3A中被分束器301分离为入射光束314和参考光束315。入射光束314和参考光束315分别进入AOM 302和AOM 305。这两个AOM的频率通常为50MHz到80MHz，并且略微相差等于施加于超声系统311的频率的量，该量的范围为大约1兆赫到几十兆赫。这些AOM的作用可以与上述相同。

透镜系统303控制入射光314的束大小，可移动反射镜304控制散射介质312的表面上的入射点。一旦入射光束314进入散射介质312，光就在介质312内部经历多个散射过程。

预先操作与介质312声学匹配的超声系统311，以在散射介质312的某位置处形成大小通常为几mm的聚焦体313。超声系统311包括例如线性阵列探头。因此，可通过使用阵列探头进行电子聚焦来在散射介质312中的任何位置处产生超声聚焦体313。可替换地，可通过机械地扫描超声换能器来在所需位置处提供超声聚焦体313，所述超声换能器包括凹口球形超声换能器或者包括声学透镜的换能器。作为这样的换能器，可利用使用压电现象的换能器、使用光共振的换能器或者使用电容变化的换能器。

入射光束314的至少一部分可到达超声聚焦体313，并且在那与超声交互。一些交互光可反射回来，以作为频移光316从散射介质312射出。透镜系统310将射出的散射光聚集到动态全息器件307(诸如光折射晶体)上。

例如，光折射晶体可以是铌酸锂，其大小范围为几毫米到几厘米，其厚度大于几百微米，以便获得足够的衍射效率。

具有与频移光316相同频率的参考光束315通过反射镜306照射光折射晶体307，以使得参考光与频移光316发生干涉。因此，频移光的波前可在光折射晶体307中被记录为静态折射率光栅。

在全息图创建之后参考光束315随后在光折射晶体307上的照射充当前向泵浦光。前向泵浦光束315被光折射晶体307内部创建的折射率光栅衍射。该衍射光和透射通过光折射晶体307的频移光316彼此干涉，并且可通过聚光透镜系统308被光电探测器309检测到，例如，如美国专利申请No.2008/0037367中所公开的那样。关于光电探测器309，可使用单传感器，诸如光电倍增管(PMT)或雪崩式光电二极管(APD)。可替换地，可使用多传感器，诸如CCD或CMOS。光电探测器309可用于监测全息材料。

随着形成全息图，光电探测器309的输出可增大。在全息图创建之后，该输出信号不增大。因此，通过监测该输出信号，可确认光折射晶体307内部的全息图的创建。

同时，可移动反射镜304改变其角度，以使得入射光束317基本上在与图3B中的前向泵浦光束315的方向相反的方向上进入光折射晶体307。该入射光束317充当反向泵浦光，并且产生在光折射晶体307中的刻写的波前的相位共轭(相位共轭波)。该相位共轭束318传播通过透镜系统310，进入散射介质312。

由于相位共轭束318可使其轨迹折回到散射介质312中的超声聚焦体313，所以越来越多的光可进入该超声聚焦体313，并且与超声交互。因此，更多的频移光316从该局部体313重新发射，并且通过图3B中的光折射晶体307与透镜系统308、310和光电探测器309被检测到。结果，可提高作为用于声光成像的信号的频移光的强度。

在以上整个测量处理期间，可能的是，超声系统311可继续发送超声波以形成聚焦体313，并且光束315可继续作为参考光以及前向泵浦光照射光折射晶体307。同时，反向泵浦光束317可在与泵浦光315相反的方向上照射光折射晶体307，以产生相位共轭束318。

在这种类型的动态全息方法中，在光折射晶体307中刻写的全息图自适应地跟随其频移波前的改变。该自适应改变的全息图可帮助由反向泵浦光317产生的相位共轭束318(具有相位共轭波)以使该光在稍微改变的散射环境下聚焦在介质312中。尤其是在生物组织的情况下，主要由于生物行为，而导致散射环境(包括散射体的位置)随时间推进而改变。由于再现步骤中的频移光的波前可能与记录步骤中的波前不同，所以该动态全息图方法由于自适应性对于产生这种介质中的相位共轭是有效的。

可临到图3A中的入射光束314或相位共轭光束318进入散射介质(图3A和图3B中未显示)之前监测并调整图3A中的入射光束314或相位共轭光束318的功率。可控制激光器300的功率，以使得输入功率大得足以获得足够的频移光，以便显现可通过来自光电探测器309的输出信号确认的全息图，而当散射介质为生物活组织时，为了安全起见，保持该功率低于最大曝光量。

另外，该系统可在记录处理与再现处理之间改变光的强度。例如，首先，可注入相对强的光强度，以获得足以创建全息图的频移光316。接着，在再现步骤，可使用相对减小的强度作为反向泵浦光束317以产生相位共轭束318，以便节省功耗，同时由于聚焦效应而保持足够的SNR(信噪比)。

此外，散射介质312内部的超声聚焦体313可被扫描，并且该体的每个位置可依次经受以上处理，从而如例如美国专利No.6,957,096中所述的那样获得介质312中的光学属性分布，诸如吸收和散射。图像产生单元(未显示)可根据各个聚焦体313的位置映射这些光学属性，以获得这些光学属性的三维空间分布。光电探测器可用于检测响应于重构波的辐照而从介质输出的信号。

此外，上述处理可使用激光源300的多个所需波长来执行，并且可以可选地改变光折射晶体307以获得机能信息，诸如散射介质312的组分(比如，氧血红蛋白、去氧血红蛋白、水、脂肪、胶原)的比例和介质312的氧饱和指数(诸如当散射介质312为用于医学应用的生物组织时)。以下文献的全文内容通过引用以如同充分、完整阐述的方式并入本文：于2004年5月18日授权的Sfez等人的美国专利No.6,738,653和于2008年2月14日公开的Gross等人的美国专利申请公开No.2008/0037367。

现在将对根据本发明的第二实施例的辐照装置和方法进行描述。本实施例中的成像系统的构造与图3A和图3B中所示的第一实施例中的成像系统的构造相同，除了在散射介质312周围添加光电探测器(未显示)之外。第二实施例中的成像系统包括称为扩散光学断层成像(DOT)的技术。

所述流程也可与第一实施例中的流程相同，直到在光折射晶体307中显现全息图为止。一旦已在光折射晶体307中创建全息图，反向泵浦光束317就照射光折射晶体307，以产生相位共轭束(包括相位共轭波)318。此刻，可关闭超声系统311来执行DOT测量。

在该相位共轭束318进入散射介质312之后，它可折回到超声聚焦体313，而且折回到原始入射点。充分地放置在散射介质312周围的光电探测器可检测存在的散射光。在利用DOT中所使用的技术时，可通过控制超声聚焦体313的位置来限制或减少散射介质312内部的光路。因此，该成像系统可用于减小不适定性(ill-posedness)，不适定性是DOT中的问题之一。如实施例中所述的，当光聚焦在散射介质中的某位置处时，分析响应于聚焦的辐照而从介质输出的信号可变得更容易。

通过以不同的入射光点重复以上测量处理，所述系统可收集数据以重构光学属性(诸如吸收光学属性)的内部分布的图像，如在DOT中一样。图像形成系统(未显示)基于测量数据重构这些图像，以获得介质312内部的吸收和散射属性分布的三维图像。

还可以的是，如第一实施例中那样，在多个波长上执行测量以获得光谱信息，从而提取生物组织的机能信息。

这里，可通过在辐照步骤使用脉冲激光器以及时间相关光子计数系统(未显示)来执行时域测量，或者可通过对激光器300输出以及例如锁定检测系统(未显示)的强度进行调制来执行频域测量。以下文献的全部内容通过引用以如同本文充分、完整阐述的方式并入本文：于1995年8月15日授权的Tsuchiya的美国专利No.5,441,054；于1995年12月19日授权的Tsuchiya的美国专利No.5,477,051；于1996年5月21日授权的Tsuchiya的美国专利No.5,517,987；于1995年6月13日授权的Tromberg等人的美国专利No.5,424,843。

将对根据本发明的第三实施例的辐照装置和方法进行描述。图4是示出具有根据实施例的辐照装置的成像系统的示例性构造的示意图。本实施例的系统可包括两个组合系统，这两个组合系统为声光成像系统和光声成像系统。

激光源400(作为第一辐照单元的一部分的第一电磁波源)发射初始光，该光被分束器401分离为入射光束415和参考光束416。AOM 402和AOM 405具有与以上已经描述的调整频率的作用相同的作用。入射光束415通过光学系统406进入散射介质409。

可与介质409声学匹配的、包括超声器件的超声系统407以超声聚焦体408的大小和位置在散射介质409内部的方式控制超声聚焦体408。起源于局部体408的频移光417的至少一部分从散射介质409射出，并且射入到光折射器件410上，以通过与从反射镜403和404(作为第二辐照单元的一部分)反射的参考光束416发生干涉来创建全息图。

在光折射器件410内部创建全息图期间，光电探测器412可通过聚光透镜系统411监测声光信号418(其为频移光)，以与如以上在第一实施例中所述的方式相同的方式确认显现。此时，该频移光信号被存储到存储器(未显示)中，以用于重构图像。

一旦全息图的创建完成，包括用于光声成像的脉冲激光源414(第二电磁波源)的第三辐照单元发射几纳秒的脉冲光。脉冲光基本上在参考光束416的相反方向上照射光折射器件410，以产生在光折射器件410中刻写的频移波前的相位共轭。相位共轭束(包括相位共轭波)419反向传播到散射介质409。

超声系统407可将其工作模式从发送模式变为接收模式以便检测光声信号，而不改变用于发送模式的聚焦设置。

由于入射相位共轭束419可使轨迹折回到散射介质409中的局部体409，所以该入射光束419可聚焦在局部体408处，局部体408是用于光声成像的测量体。

局部体408中吸收的光能局部地引起温度升高，从而导致该局部区域的体扩大，并且产生声波(光声信号)。根据方程(1)，光声信号P与该点处的局部吸收系数μ_a和光辐射能流率(light fluence rate)Φ成比例。

P＝Γμ_aΦ (1)

其中，Γ是Grueneisen系数(热-声转换效率)。

因此，更高辐射能流率产生更大的光声信号。由于入射相位共轭束419可使光聚焦在局部体408处，所以从该局部体408产生更大的光声信号。被设置为在接收模式下聚焦该体408的超声系统407检测起源于该体408的光声信号。可替换地或者另外，可提供另一超声探测器，以检测响应于重构波419的辐照而从介质409输出的信号。

图5显示该系统的示例性操作流程。首先，在S500，设置关于超声系统407的聚焦的参数条件，诸如聚焦体的大小或位置，然后，超声系统407发送脉冲超声波，以形成超声聚焦体408。在S501，激光器400辐射初始光束。

在S502，通过声光成像，光探测器412监测声光信号(频移光)，并且在S503，光电探测器412确认全息图的创建是否完成。可重复S502和S503中的这些处理，直到确认全息图的创建为止。另外，在完成全息图之后移到S504之前，可存储声光信号。

一旦全息图显现，就在S504，关闭激光器400，并且将超声系统407的工作模式从发送模式变为接收模式。此后，在S505，激光器414基本上在参考光束416的相反方向上将脉冲光束辐射到光折射器件410，以产生相位共轭光束419。在S506，超声系统407检测光声信号。

这是示例性基本操作流程，如果需要改变用于光声成像的测量位置，则超声系统可改变其聚焦位置，并且返回到S500，重复整个流程(S500至S506)。

图像产生处理可在测量之后。图像产生单元(未显示)可通过使用以上数据来重构三维图像。图像产生单元根据超声聚焦体408的位置来映射通过光声测量获得的吸收信号。此时，读取在S503存储的声光信号，并且使用该声光信号来以相同的方式产生散射分布图像。由于光声图像对吸收敏感，而声光图像对散射敏感，所以通过组合这两个测量结果，可产生吸收和散射分布图像。

此外，可在S500之前增加一个附加的步骤。也就是说，可从超声系统407发送脉冲超声波，并且超声系统407可接收用作反射波的超声回波。可在相对于散射介质409改变发送脉冲超声波的方向的同时执行该超声回波测量，从而获得关于散射介质409内部的结构数据。可通过利用通过超声回波测量而获得的结构数据，例如，通过设置在回波图像中可看到特性差异的位置处，来设置超声聚焦体408。

可替换地，可通过分析在S503获得并且存储的声光信号来选择光声成像的测量点。首先，可使用声光成像系统来找到将被光声系统测量的区域。如果在声光信号中找到明显改变，则用于光声成像的激光器414发射脉冲光。或者还可能的是，使用光声成像系统来搜索特性区域，而不是在决定超声聚焦体408之前使用声光成像系统。

本实施例的成像系统还可通过图3A和图3B中所示的构造来实现。在这种情况下，光源单元300可从至少两个不同激光器发射光。一个可以是用于声光系统的激光器，另一个可以是用于光声系统的脉冲激光器。激光器可在记录步骤与再现步骤之间从一个切换到另一个。

通过使光聚焦在光声成像的测量体，可提高光声成像的测量深度和SNR。以下文献的全部内容通过引用以如同充分、完整阐述的方式并入本文：于1983年5月31日授权的Bowen的美国专利No.4,385,634、于1998年11月24日授权的Oraevsky等人的美国专利No.5,840,023、和于1998年2月3日授权的Kruger的美国专利No.5,713,356。可实现包括两个组合系统(其为声光成像系统和光声成像系统)的成像系统来获得更清晰的图像或者对于诊断有用的图像。

将对根据本发明的第四实施例的辐照装置和方法进行描述。图6是示出将光递送到无序散射材料中的特定位置中的光辐照装置的示例性构造的示意图。

包括激光源600的辐照器发射初始光，该初始光被分束器601分离为入射光束616和参考光束617。透镜系统606扩展入射光束616，以辐照材料607。可将AOM 603和604以及反射镜602和613放置在参考光束617的路径上，以使得参考光的频率是可调整的。

包括超声系统609的调制器可与材料609声学匹配，并且辐照超声波。超声系统609使超声聚焦体608形成在材料607中。

如以上已经所述的，起源于聚焦体608的一些频移光619从材料607的表面射出，并且通过透镜系统610和二向色反射镜611被引向包括CCD传感器612的探测器。这里，具有图像增强器的CMOS传感器或区域传感器或者EMCCD(电子倍增CCD)也可适用。参考光束617被反射镜605反射，最终到达CCD 612，以创建全息图，该全息图基于在CCD 612上的参考光束617与频移光619之间的干涉。

在该系统中提供处理单元(未显示)。该处理单元控制包括空间光调制器(SLM)614(诸如，硅上液晶(LCOS))的产生器，以便通过利用数字全息技术来产生可等效于相位共轭(相位共轭波)的重构光。

频移光的干涉图可通过相移数字全息技术来获得。在CCD 612平面，非频移光、频移光和参考光射入。例如根据以下方程通过调整AOM 603和604来调整参考光的频率(f_R)。

f_R＝f_U+f_A+f_C/N (2)

其中，f_U是未偏移光的频率，f_A是超声的频率，f_C是CCD 612的帧率，N是用于相移法的测量数量。由于CCD 612充当低通滤波器，所以主要是频移光619与参考光束617之间的干涉图的成分承载条纹，该成分随时间缓慢变化，以使得CCD 612可高效率地检测干涉图(数字全息图)。

相位分布通过用相移法从数字全息图计算在每个像素上检测到的频移光的相位来获得。处理单元根据通过数字全息图获得的相位分布来在SLM 614中设置每个像素的相位值。此时，CCD 612与SLM614之间的光学长度的差异或者任何其它系统误差可被校准，并且相位值可被校正。可替换地，CCD 612和SLM 614可被布置为使得从材料607的射出面到这些器件的光学长度相同。

SLM 614对激光器615发射的光的相位进行调制。该相位调制显现重构光束618，该重构光束618可以等效于相位共轭，并且可使轨迹折回到材料607中的超声聚焦体608。通过SLM 614显现的重构光束618被构造为辐照材料607。在所述装置可用于在材料内部创建图像的情况下，如已经在其它实施例中所述的，由重构光束618辐照材料而导致的从该材料输出的信号可被检测到以形成图像。

如果与SLM 614相比CCD 612具有更多像素，则CCD 612可执行像素合并(binning)，以使得它们之间的像素的数量相等，并且这些像素彼此对应。

此外，可应用数字全息技术中所使用的任何其它数字技术来改进重构光的特性。

在第四实施例中所述的辐照装置还可应用于生物组织中的治疗或处治，诸如光动力治疗。第五实施例中的系统构造可以与图6中所示的系统构造相同。

一旦已获得数字全息图并且SLM 614已经准备好根据数字全息图进行相位调制，激光器615就可发出具有与由激光器600发射的用于创建数字全息图的光相比相对强的功率的光。激光器615的光功率可根据处治来控制。

此外，根据治疗或处治的目的，可应用许多类型的激光器(比如，飞秒脉冲到皮秒、毫微秒、微秒等)。

用于治疗的、其相位可由SLM 614控制的重构光束618可到达超声聚焦体608，以将光能递送到需要处治的那个组织区域。超声聚焦体608的位置可通过参照其它诊断结果来设置。

通过使用根据本发明的实施例，可以高效率地、以较小的损伤将高能量密度的光递送到特定点。

所述实施例还可应用于荧光成像，荧光成像例如通过将超声聚焦体设置到荧光探头所在的点来使用化学探头(分子)以获得生物化学信息(诸如组织的异常)。用于其辐照的再现步骤可以与以上已经所述的再现步骤相同。如果化学探头的位置不确定，则可简单地扫描超声聚焦体，以一次一个位置的方式辐照散射介质内部。通过使光聚焦在荧光探头所在的位置处，可获得目标(例如，肿瘤)的高对比度图像。

如已经所述的，根据本发明的实施例可应用于各种用于使光集中在散射介质内部的可控的特定点处的目的的光学成像或治疗或装置。

尽管已参照示例性实施例对根据本发明的实施例进行了描述，但是应该理解本发明不限于上述实施例。应该给予权利要求的范围以最广泛的解释以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。