[發(fā)明專利]一種用于超聲場可視化和測量的光學(xué)全息成像系統(tǒng)和方法

有效

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• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114689162B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程茜;曹君妹;解維婭;張夢嬌;陳盈娜;高雅;陳一銘;吳詩穎;李佳琰;廖江南;余東;徐文逸;葉皖力;王一凡
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G06T5/50;G06T17/00
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 蔡彭君

本發(fā)明涉及一種用于超聲場可視化和測量的光學(xué)全息成像系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括液體槽、超聲場生成子系統(tǒng)、光場生成與感知子系統(tǒng)以及超聲場可視化與測量子系統(tǒng)；液體槽內(nèi)盛放有液體介質(zhì)，超聲場生成子系統(tǒng)包括超聲場發(fā)射模塊和聲邊界模塊，光場生成與感知子系統(tǒng)包括光發(fā)射模塊和光場空間變換模塊，超聲場可視化與測量子系統(tǒng)包括步進(jìn)旋轉(zhuǎn)臺、高速平面光場拍攝裝置和主機(jī)，光發(fā)射模塊出射的光束依次通過三維動態(tài)超聲場、光場空間變換模塊后，將攜帶超聲場空間信息的光入射到高速平面光場拍攝裝置，主機(jī)對高速平面光場拍攝裝置的圖像進(jìn)行處理和分析，得到超聲場圖像，由主機(jī)基于超聲場圖像進(jìn)行三維動態(tài)超聲場的重建和測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲成像領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于三維動態(tài)超聲場可視化和測量的光學(xué)全息成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

一直以來，超聲在醫(yī)療成像、工業(yè)控制、設(shè)備檢測等方面都發(fā)揮著巨大的作用。近年來，聲學(xué)超材料和超表面發(fā)展迅速，聲學(xué)超材料和超表面通過設(shè)計結(jié)構(gòu)對超聲場進(jìn)行調(diào)控，可以產(chǎn)生一些奇異的物理性質(zhì)，如負(fù)的彈性模量、負(fù)密度、負(fù)折射率等等自然界中聲學(xué)材料沒有的特征，開啟了聲學(xué)器件設(shè)計的新思路，啟發(fā)研究人員做出各種新奇的聲學(xué)結(jié)構(gòu)。

在相關(guān)研究中，由于聲場傳播復(fù)雜，因此介質(zhì)中的聲場調(diào)控不僅需要進(jìn)行理論設(shè)計，對實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也有很迫切的需求。然而目前超材料研究的大部分工作主要集中在空氣介質(zhì)中，比起空氣介質(zhì)，流體中超聲頻段的超材料的研究和應(yīng)用卻相對較少，其中一個重要的原因便是經(jīng)過調(diào)控的復(fù)雜超聲場難以被實(shí)驗(yàn)所測量驗(yàn)證。在空氣介質(zhì)中，可以通過設(shè)置多組傳感器和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)三維的聲場可視化。而在液體中由于測量設(shè)備昂貴，點(diǎn)對點(diǎn)測量和后處理復(fù)雜，三維聲場的可視化更加困難。

目前測量水中聲信號最普遍的方法是采用水聽器，在位移臺的控制下對超聲場進(jìn)行掃描和探測。然而，對于高頻超聲，如0.5-5MHz，波長為0.3-3mm，水聽器的探頭尺寸(通常為1-3mm)與聲波波長相當(dāng)，甚至大于聲波波長，這種侵入性的測量既會改變被測聲場也無法滿足測量分辨率。并且，對于三維超聲場的測量，水聽器逐點(diǎn)探測的方式需要耗費(fèi)大量的時間進(jìn)行信號的采集和處理。

現(xiàn)有技術(shù)中，中國專利CN110243460B提出了一種利用電機(jī)和探頭進(jìn)行超聲場測量和可視化的方法，但該方法只能探測到聲源發(fā)射的超聲場，而不能對反射等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的超聲場進(jìn)行測量。另一專利CN105043531B公開了一種超聲場測量裝置及方法相比，此專利著重于測量超聲場的聲壓，只能對均勻分布的簡單超聲場聲壓進(jìn)行檢測，觀測角度唯一。

因此，有必要對液體中復(fù)雜超聲場的三維可視化和定量測量進(jìn)行研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于超聲場可視化和測量的光學(xué)全息成像系統(tǒng)和方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種用于超聲場可視化和測量的光學(xué)全息成像系統(tǒng)，包括液體槽、超聲場生成子系統(tǒng)、光場生成與感知子系統(tǒng)以及超聲場可視化與測量子系統(tǒng)；

所述液體槽內(nèi)盛放有液體介質(zhì)，所述超聲場生成子系統(tǒng)包括超聲場發(fā)射模塊和聲邊界模塊，所述超聲場發(fā)射模塊用于生成在液體介質(zhì)內(nèi)沿特定方向傳播的三維動態(tài)超聲場；

所述光場生成與感知子系統(tǒng)包括光發(fā)射模塊和光場空間變換模塊，所述光發(fā)射模塊用于生成傳播方向與超聲場傳播方向正交的光場；

所述超聲場可視化與測量子系統(tǒng)包括步進(jìn)旋轉(zhuǎn)臺、高速平面光場拍攝裝置和主機(jī)，所述步進(jìn)旋轉(zhuǎn)臺與超聲場發(fā)射模塊連接，步進(jìn)旋轉(zhuǎn)臺的工作帶動超聲場發(fā)射模塊旋轉(zhuǎn)，從而帶動三維動態(tài)超聲場旋轉(zhuǎn)，所述高速平面光場拍攝裝置與主機(jī)通信連接，光發(fā)射模塊出射的光束依次通過所述三維動態(tài)超聲場、光場空間變換模塊后，將攜帶超聲場空間信息的光入射到所述高速平面光場拍攝裝置，所述主機(jī)對高速平面光場拍攝裝置的圖像進(jìn)行處理和分析，得到超聲場圖像，由所述主機(jī)基于超聲場圖像進(jìn)行三維動態(tài)超聲場的重建和測量。