[發(fā)明專利]一種聲學(xué)超透鏡的鏡結(jié)構(gòu)體和聲學(xué)超透鏡及其成像裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410157527.5
• 申請(qǐng)日: 2014-04-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103913787A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程營(yíng);劉曉峻;周晨;魏琦;吳大建
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B3/12
• 分類號(hào): G02B3/12;G01N29/22;G01N29/00
• 代理公司: 江蘇銀創(chuàng)律師事務(wù)所 32242
• 代理人: 何震花

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及聲學(xué)成像領(lǐng)域，特別是一種聲學(xué)超透鏡的鏡結(jié)構(gòu)體和聲學(xué)超透鏡及其成像裝置。

背景技術(shù)

聲學(xué)成像是探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成成分的一種基本方法。傳統(tǒng)的聲學(xué)成像設(shè)備由于衍射極限的限制，其成像分辨率只能達(dá)到探測(cè)波長(zhǎng)的二分之一。那些橫向波矢大于背景介質(zhì)的波矢k的波稱為倏逝波，它們攜帶著物體的細(xì)節(jié)信息。在所有自然介質(zhì)中，倏逝波一旦離開(kāi)物體，即進(jìn)行指數(shù)型的衰減，無(wú)法被傳統(tǒng)成像設(shè)備接收，從而限制著成像分辨率。

近年來(lái)，聲學(xué)超構(gòu)材料由于其新穎的聲學(xué)效應(yīng)和潛在的應(yīng)用價(jià)值受到廣泛關(guān)注。其中就有一些理論上、實(shí)驗(yàn)上利用聲學(xué)超構(gòu)材料來(lái)打破成像衍射極限的嘗試，得到各種各樣的聲學(xué)超構(gòu)材料也顯示了人為控制、操縱倏逝波以提高成像分辨率的可能性。例如，文獻(xiàn)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(shè)計(jì)了由負(fù)密度、負(fù)體積模量的雙負(fù)聲學(xué)超構(gòu)材料，并以此制作出一個(gè)超透鏡。倏逝波在經(jīng)過(guò)該結(jié)構(gòu)時(shí)不僅沒(méi)有衰減，反而得到了增強(qiáng)。文獻(xiàn)J.Zhu,J.Christensen,J.Jung,L.Martin-Moreno,X.Yin,L.Fok,X.Zhang,and?F.J.Garcia-Vidal,Nat.Phys.7,52(2011)設(shè)計(jì)了一個(gè)三維穿孔結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超透鏡。該結(jié)構(gòu)利用穿孔內(nèi)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，最后得到五十分之一波長(zhǎng)的高分辨率，這是目前為止在實(shí)驗(yàn)上能夠達(dá)到的最高分辨率。

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(shè)備的表面處，這樣才能保證倏逝波信號(hào)在完全消失前被設(shè)備接收到。這里的“表面”是指物體到成像設(shè)備接收端的距離不能超過(guò)探測(cè)聲波波長(zhǎng)的千分之一，有些甚至要求物體直接與成像設(shè)備的接收端緊貼在一起。這一要求無(wú)疑嚴(yán)重影響了實(shí)際應(yīng)用中的可行性，比如醫(yī)學(xué)診斷上對(duì)皮下組織結(jié)構(gòu)的檢查、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)對(duì)材料內(nèi)部缺陷的探測(cè)等，它們均無(wú)法滿足這個(gè)要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，傳統(tǒng)的聲學(xué)成像設(shè)備由于衍射極限的限制，其成像分辨率只能達(dá)到探測(cè)波長(zhǎng)的二分之一，而高分辨率的聲學(xué)超透鏡要求被成像的物體必須放置在成像設(shè)備的表面處，嚴(yán)重影響了實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種聲學(xué)超透鏡的鏡結(jié)構(gòu)體，所述的鏡結(jié)構(gòu)體為由硬質(zhì)材料制成的直方體結(jié)構(gòu)，所述直方體的兩個(gè)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(shè)有直方體結(jié)構(gòu)的通孔，所述通孔有多個(gè)，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(zhǎng)a與相鄰?fù)字g的固體壁厚度a₁之和小于5mm。

優(yōu)選的，所述通孔的邊長(zhǎng)a與相鄰?fù)字g的固體壁厚度a₁之和小于1mm。

優(yōu)選的，在透鏡正面所在平面，所述通孔的邊長(zhǎng)a不小于相鄰?fù)字g的固體壁厚度a₁。

優(yōu)選的，所述鏡結(jié)構(gòu)體的材質(zhì)為銅或鋼。

一種聲學(xué)超透鏡，包括輕質(zhì)介質(zhì)和上述權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的鏡結(jié)構(gòu)體；所述輕質(zhì)介質(zhì)填充在所述鏡結(jié)構(gòu)體的通孔中；所述輕質(zhì)介質(zhì)的密度ρ_A小于所述鏡結(jié)構(gòu)體密度ρ_B的1/5。

優(yōu)選的，所述的輕質(zhì)介質(zhì)為氣體。

優(yōu)選的，所述的輕質(zhì)介質(zhì)為水。

一種聲學(xué)超透鏡成像裝置，包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射換能器、接收換能器陣列、權(quán)利要求5～7任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超透鏡；所述信號(hào)發(fā)生器通過(guò)傳輸線與功率放大器相連，所述功率放大器通過(guò)傳輸線與所述發(fā)射換能器相連；所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電信號(hào)，所述功率放大器將電信號(hào)功率放大，所述發(fā)射換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為與電信號(hào)頻率相同的聲波信號(hào)，所述接收換能器列陣用于接收聲波信號(hào)并將所述聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；所述鏡結(jié)構(gòu)體的正面為聲學(xué)超透鏡的透鏡接收面，所述聲學(xué)超透鏡的透鏡接收面正對(duì)于所述發(fā)射換能器的信號(hào)發(fā)射方向；所述接收換能器陣列包括多個(gè)接收換能器；所述接收換能器放置在所述鏡結(jié)構(gòu)體的通孔的幾何中心；所述鏡結(jié)構(gòu)體的每個(gè)通孔的幾何中心對(duì)應(yīng)一個(gè)接收換能器；放置在所述鏡結(jié)構(gòu)體的通孔內(nèi)的多個(gè)接收換能器組成所述接收換能器陣列；所述信號(hào)發(fā)生器工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λ與所述聲學(xué)超透鏡的鏡結(jié)構(gòu)體高度L之間滿足條件：L=nλ/2，其中n為正整數(shù)。