一種聲學超透鏡的鏡結構體和聲學超透鏡及其成像裝置製造方法
2023-06-04 20:32:36 1
一種聲學超透鏡的鏡結構體和聲學超透鏡及其成像裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種聲學超透鏡的鏡結構體和聲學超透鏡及其成像裝置，所述聲學超透鏡包括鏡結構體和輕質介質，所述聲學超透鏡成像裝置包括信號發生器、功率放大器、發射換能器、聲學超透鏡、接收換能器陣列，所述信號發生器通過傳輸線與功率放大器相連，所述功率放大器通過傳輸線與所述發射換能器相連，所述鏡結構體的正面為聲學超透鏡的透鏡接收面，所述聲學超透鏡的透鏡接收面正對於所述發射換能器的信號發射方向，所述接收換能器陣列包括多個接收換能器，所述接收換能器安裝於所述聲學超透鏡正方形通孔的幾何中心處。本發明能夠對一定距離之外的物體進行高解析度的聲學成像，能夠將倏逝波很好地接收、放大並用於提高成像質量。
【專利說明】一種聲學超透鏡的鏡結構體和聲學超透鏡及其成像裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及聲學成像領域，特別是一種聲學超透鏡的鏡結構體和聲學超透鏡及其成像裝置。
【背景技術】
[0002]聲學成像是探測物質結構和組成成分的一種基本方法。傳統的聲學成像設備由於衍射極限的限制，其成像解析度只能達到探測波長的二分之一。那些橫向波矢大於背景介質的波矢k的波稱為倏逝波，它們攜帶著物體的細節信息。在所有自然介質中，倏逝波一旦離開物體，即進行指數型的衰減，無法被傳統成像設備接收，從而限制著成像解析度。
[0003]近年來，聲學超構材料由於其新穎的聲學效應和潛在的應用價值受到廣泛關注。其中就有一些理論上、實驗上利用聲學超構材料來打破成像衍射極限的嘗試，得到各種各樣的聲學超構材料也顯示了人為控制、操縱倏逝波以提高成像解析度的可能性。例如，文獻 S.Zhang, L.L.Yin, and N.Fang, Phys.Rev.Lett.102, 194301 (2009)和 F.Lemoult, M.Fink, and G.Lerosey, Phys.Rev.Lett.107, 064301 (2011)設計了 由負密度、負體積模量的雙負聲學超構材料，並以此製作出一個超透鏡。倏逝波在經過該結構時不僅沒有衰減，反而得到 T 增強。文獻 J.Zhu, J.Christensen, J.Jung, L.Mart in-Moreno, X.Yin, L.Fok, X.Zhang, and F.J.Garcia-Vidal, Nat.Phys.7, 52 (2011)設計了一個三維穿孔結構的聲學超透鏡。該結構利用穿孔內Fabry-Perot共振與倏逝波之間的耦合，使得倏逝波能夠傳輸至輸出端，最後得到五十分之一波長的高解析度，這是目前為止在實驗上能夠達到的最高解析度。
[0004]但是，在所有這些研究中，被成像的物體一定要放置在成像設備的表面處，這樣才能保證倏逝波信號在完全消失前被設備接收到。這裡的「表面」是指物體到成像設備接收端的距離不能超過探測聲波波長的千分之一，有些甚至要求物體直接與成像設備的接收端緊貼在一起。這一要求無疑嚴重影響了實際應用中的可行性，比如醫學診斷上對皮下組織結構的檢查、工業無損檢測對材料內部缺陷的探測等，它們均無法滿足這個要求。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在於，傳統的聲學成像設備由於衍射極限的限制，其成像解析度只能達到探測波長的二分之一，而高解析度的聲學超透鏡要求被成像的物體必須放置在成像設備的表面處，嚴重影響了實際應用中的可行性。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]一種聲學超透鏡的鏡結構體，所述的鏡結構體為由硬質材料製成的直方體結構，所述直方體的兩個正方形的面分別為透鏡正面和透鏡底面；在所述透鏡正面和透鏡底面之間設有直方體結構的通孔，所述通孔有多個，呈橫縱正方格狀排列；在透鏡正面所在平面，所述通孔的邊長a與相鄰通孔之間的固體壁厚度之和小於5mm。
[0008]優選的，所述通孔的邊長a與相鄰通孔之間的固體壁厚度B1之和小於1mm。[0009]優選的，在透鏡正面所在平面，所述通孔的邊長a不小於相鄰通孔之間的固體壁
厚度％。
[0010]優選的，所述鏡結構體的材質為銅或鋼。
[0011]一種聲學超透鏡，包括輕質介質和上述權利要求1?4任一項所述的鏡結構體；所述輕質介質填充在所述鏡結構體的通孔中；所述輕質介質的密度Pa小於所述鏡結構體密度Pb的1/5。
[0012]優選的，所述的輕質介質為氣體。
[0013]優選的，所述的輕質介質為水。
[0014]一種聲學超透鏡成像裝置，包括信號發生器、功率放大器、發射換能器、接收換能器陣列、權利要求5?7任一項所述的聲學超透鏡；所述信號發生器通過傳輸線與功率放大器相連，所述功率放大器通過傳輸線與所述發射換能器相連；所述信號發生器產生電信號，所述功率放大器將電信號功率放大，所述發射換能器將電信號轉化為與電信號頻率相同的聲波信號，所述接收換能器列陣用於接收聲波信號並將所述聲波信號轉化為電信號；所述鏡結構體的正面為聲學超透鏡的透鏡接收面，所述聲學超透鏡的透鏡接收面正對於所述發射換能器的信號發射方向；所述接收換能器陣列包括多個接收換能器；所述接收換能器放置在所述鏡結構體的通孔的幾何中心；所述鏡結構體的每個通孔的幾何中心對應一個接收換能器；放置在所述鏡結構體的通孔內的多個接收換能器組成所述接收換能器陣列；所述信號發生器工作頻率對應的波長為λ與所述聲學超透鏡的鏡結構體高度L之間滿足條件:L=n λ/2，其中η為正整數。
[0015]其中，直方體是指有兩個相互平行的面是正方形的長方體；鏡結構體的高度L是指所述鏡結構體正面和底面之間的距離。
[0016]本發明的技術效果在於:
[0017]1、本發明利用倏逝波在各項異性的聲學超透鏡中傳播時，其聲壓幅值的放大倍數與倏逝波橫向波矢量ky之間呈線性遞增關係，換而言之，越大的橫向波矢量ky攜帶物體越為細節的信息，而越大ky的在該結構內部傳播時被放大的倍數也越大，這樣，不同波矢量被放大倍數不同，從整體上看成像結果相當於提高了像的對比度，從而可以用來提高醫療診斷、工業無損檢測等成像設備的成像對比度。
[0018]2、本發明採用的聲學超透鏡不同於負折射率超透鏡。實現負折射率的主要途徑是利用微結構的局域共振，而這種共振帶來很大的能量損耗會嚴重影響倏逝波的耦合模式，從而影響成像解析度。本發明的聲學超透鏡不存在局域共振現象，能量損耗很小，倏逝波能夠很好地被接收、放大並用於提高成像質量。
[0019]3、本發明的聲學超透鏡在實現高解析度成像的同時，還實現了對距離接收端一定距離I的目標物體進行成像，可應用於醫學診斷上對皮下組織結構的檢查和工業無損檢測上對材料內部缺陷的探測。
[0020]4、本發明的超透鏡結構簡單、易於製備、工作元件體積小、可設計性強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021 ] 圖1為聲學超透鏡示意圖。
[0022]圖2為聲學超透鏡成像裝置示意圖。【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本
【發明內容】
作進一步詳細說明。
[0024]實施例1
[0025]結合圖1，一種聲學超透鏡的鏡結構體，所述的鏡結構體為由硬質材料製成的直方體結構，所述鏡結構體材料可以是銅或鋼等，所述直方體的兩個正方形的面分別為透鏡正面和透鏡底面；在所述透鏡正面和透鏡底面之間設有直方體結構的通孔，所述通孔有多個，呈橫縱正方格狀排列；在透鏡正面所在平面，因為所述通孔的邊長a與相鄰通孔之間的固體壁厚度^之和Λ決定了聲學超透鏡的解析度，A越小則代表理論解析度可以越高，一般取激勵聲波的數十分之一，而激勵聲波的頻率一般為千赫茲級，所以所述通孔的邊長a與相鄰通孔之間的固體壁厚度B1之和應小於5_，優選的所述通孔的邊長a與相鄰通孔之間的固體壁厚度％之和小於1_。作為優選方案，在透鏡正面所在平面，所述通孔的邊長a不小於相鄰通孔之間的固體壁厚度a1;因為通孔過小會導致黏滯阻抗的產生，從而降低成像質量。
[0026]實施例2
[0027]結合圖1，一種聲學超透鏡，包括輕質介質和實施例1中所述的鏡結構體；所述輕質介質填充在所述鏡結構體的通孔中；所述輕質介質的密度Pa小於所述鏡結構體密度Pb的1/5 ;所述輕質介質可以為氣體，如空氣、氮氣、氧氣等，也可以是水；
[0028]該聲學超透鏡的等效聲學密度P和體積模量K的表達式為:
【權利要求】
1.一種聲學超透鏡的鏡結構體，其特徵在於，所述的鏡結構體為由硬質材料製成的直方體結構，所述直方體的兩個正方形的面分別為透鏡正面和透鏡底面；在所述透鏡正面和透鏡底面之間設有直方體結構的通孔，所述通孔有多個，呈橫縱正方格狀排列；在透鏡正面所在平面，所述通孔的邊長a與相鄰通孔之間的固體壁厚度ai之和小於5_。
2.—種聲學超透鏡的鏡結構體，其特徵在於，所述通孔的邊長a與相鄰通孔之間的固體壁厚度S1之和小於1mm。
3.根據權利要求1所述的聲學超透鏡的鏡結構體，其特徵在於，在透鏡正面所在平面，所述通孔的邊長a不小於相鄰通孔之間的固體壁厚度&1。
4.根據權利要求1所述的聲學超透鏡的鏡結構體，其特徵在於，所述鏡結構體的材質為銅或鋼。
5.一種聲學超透鏡，其特徵在於，包括輕質介質和上述權利要求1?4任一項所述的鏡結構體；所述輕質介質填充在所述鏡結構體的通孔中；所述輕質介質的密度於所述鏡結構體密度Pb的1/5。
6.根據權利要求5所述的聲學超透鏡，其特徵在於，所述的輕質介質為氣體。
7.根據權利要求5所述的聲學超透鏡，其特徵在於，所述的輕質介質為水。
8.—種聲學超透鏡成像裝置，其特徵在於，包括信號發生器、功率放大器、發射換能器、接收換能器陣列、權利要求5?7任一項所述的聲學超透鏡；所述信號發生器通過傳輸線與功率放大器相連，所述功率放大器通過傳輸線與所述發射換能器相連；所述信號發生器產生電信號，所述功率放大器將電信號功率放大，所述發射換能器將電信號轉化為與電信號頻率相同的聲波信號，所述接收換能器列陣用於接收聲波信號並將所述聲波信號轉化為電信號；所述鏡結構體的正面為聲學超透鏡的透鏡接收面，所述聲學超透鏡的透鏡接收面正對於所述發射換能器的信號發射方向；所述接收換能器陣列包括多個接收換能器；所述接收換能器放置在所述鏡結構體的通孔的幾何中心；所述鏡結構體的每個通孔的幾何中心對應一個接收換能器；放置在所述鏡結構體的通孔內的多個接收換能器組成所述接收換能器陣列；所述信號發生器工作頻率對應的波長為λ與所述聲學超透鏡的鏡結構體高度L之間滿足條件: L=n λ/2，其中η為正整數。
【文檔編號】G01N29/00GK103913787SQ201410157527
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】程營, 劉曉峻, 周晨, 魏琦, 吳大建 申請人:南京大學