[發(fā)明專利]一種共振全息傳感的聲學(xué)三維成像方法及圖像傳感器

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310435136.4
• 申請(qǐng)日: 2023-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN116609785A
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號(hào): G01S15/89
• 分類號(hào): G01S15/89;G01S7/539
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 姚璐華

1.一種共振全息傳感的聲學(xué)三維成像方法，其特征在于，包括：

通過(guò)激勵(lì)超聲聲源發(fā)射超聲波照射目標(biāo)物體，并用聲學(xué)透鏡聚焦接收所述目標(biāo)物體反射的超聲回波，形成含有強(qiáng)度分布和相位分布的成像聲場(chǎng)，且成像于聲學(xué)圖像傳感器表面；所述聲學(xué)圖像傳感器放置于所述聲學(xué)透鏡的像方焦平面上，用于接收所述成像聲場(chǎng)的強(qiáng)度和相位的空間分布信息；所述聲學(xué)圖像傳感器為表面設(shè)置有亥姆霍茲型微腔超表面的聲電轉(zhuǎn)換像素單元陣列；所述亥姆霍茲型微腔超表面的每個(gè)結(jié)構(gòu)單元與一個(gè)所述聲電轉(zhuǎn)換像素單元對(duì)應(yīng)，或與多個(gè)并聯(lián)排布的所述聲電轉(zhuǎn)換像素單元對(duì)應(yīng)；

所述成像聲場(chǎng)通過(guò)所述聲學(xué)圖像傳感器中所述亥姆霍茲型微腔超表面的各個(gè)結(jié)構(gòu)單元的表面通孔進(jìn)入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部微腔；所述內(nèi)部微腔的底部由所述聲電轉(zhuǎn)換像素單元的疊層振膜構(gòu)成；所述疊層振膜設(shè)置有參考振膜和傳感振膜；所述參考振膜和所述傳感振膜依次上下疊層連接；

通過(guò)在所述參考振膜的激勵(lì)電極上施加與所述超聲回波同頻率的參考信號(hào)，促使所述參考振膜內(nèi)部的參考?jí)弘妼影l(fā)生諧振形變，繼而驅(qū)動(dòng)參考振膜和傳感振膜一起同頻振動(dòng)，并同時(shí)向所在的內(nèi)部微腔輻射出與所述超聲回波頻率一致的參考聲場(chǎng)；

所述參考聲場(chǎng)與從各個(gè)所述表面通孔進(jìn)入的所述成像聲場(chǎng)在對(duì)應(yīng)的所述內(nèi)部微腔中進(jìn)行局域共振和疊加合成，并通過(guò)干涉作用將所述成像聲場(chǎng)的強(qiáng)度信息和相位信息轉(zhuǎn)換成共振放大的干涉聲場(chǎng)；各個(gè)所述內(nèi)部微腔中的干涉聲場(chǎng)一起組成所述目標(biāo)物體反射的所述超聲回波的全息聲場(chǎng)；

所述全息聲場(chǎng)在各個(gè)所述內(nèi)部微腔中反作用于各個(gè)聲電轉(zhuǎn)換像素單元的疊層振膜，并與所述參考信號(hào)激勵(lì)的同頻振動(dòng)疊加，形成全息共振，驅(qū)使所述參考振膜和所述傳感振膜一起振動(dòng)，以使所述傳感振膜中的傳感壓電層在傳感電極層上感應(yīng)出對(duì)應(yīng)的共振全息信號(hào)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聲學(xué)三維成像的共振全息傳感方法，其特征在于，包括：

對(duì)傳遞至信號(hào)處理單元的所述共振全息信號(hào)進(jìn)行峰值檢波與去噪處理，得到預(yù)處理共振全息信號(hào)；

對(duì)所述預(yù)處理共振全息信號(hào)進(jìn)行像素陣列尋址讀出和相位重建成像，形成所述目標(biāo)物體超聲回波波前分布的三維圖像。

3.一種共振全息傳感的聲學(xué)圖像傳感器，應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的共振全息傳感的聲學(xué)三維成像方法，其特征在于，包括：

所述聲學(xué)圖像傳感器由上至下依次設(shè)置有亥姆霍茲型微腔超表面、RS型疊層MUT單元陣列和專用集成電路；所述RS型疊層MUT單元的振膜為具有雙壓電層的RS型疊層振膜，或?yàn)殡娙菔組UT振膜上復(fù)合單壓電層的RS型疊層振膜中的一種；

所述亥姆霍茲型微腔超表面包括陣列排布的表面通孔，以及與之一一對(duì)應(yīng)連通的內(nèi)部微腔；每個(gè)所述內(nèi)部微腔的腔底由一個(gè)所述RS型疊層MUT單元的RS型疊層振膜構(gòu)成，或由多個(gè)并聯(lián)的所述RS型疊層MUT單元的RS型疊層振膜排布構(gòu)成；

所述RS型疊層MUT單元陣列為多個(gè)呈像素化陣列排布的RS型疊層MUT單元；每個(gè)所述RS型疊層MUT單元均包括懸置的RS型疊層振膜和周邊的支撐基底；其中所述RS型疊層振膜為多層結(jié)構(gòu)，由上至下依次設(shè)置有硅層、二氧化硅層、參考電極層、參考?jí)弘妼印⒐搽姌O層、傳感壓電層和傳感電極層；

各個(gè)所述RS型疊層MUT單元的參考電極層相互連接合為單一電極；各個(gè)所述RS型疊層MUT單元中的所述參考?jí)弘妼拥臉O化方向相同，所述傳感壓電層的極化方向相同，所述傳感壓電層的極化方向與所述參考?jí)弘妼拥臉O化方向相反；各個(gè)所述RS型疊層MUT單元的公共電極層為一個(gè)共用的完整無(wú)縫金屬薄層且接地連接，用于屏蔽每個(gè)所述RS型疊層MUT單元的所述參考?jí)弘妼优c所述傳感壓電層之間的電荷串?dāng)_；

所述專用集成電路為多個(gè)信號(hào)處理單元電路通過(guò)陣列排布組成的集成電路，每個(gè)所述信號(hào)處理單元電路對(duì)應(yīng)處理一個(gè)RS型疊層MUT單元輸出的所述共振全息信號(hào)，或多個(gè)并聯(lián)的RS型疊層MUT單元輸出的所述共振全息信號(hào)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的共振全息傳感的聲學(xué)圖像傳感器，其特征在于，所述RS型MUT單元的RS型疊層振膜中的所述硅層在陣列組成中相互蝕刻分離，呈像素化陣列排布。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的共振全息傳感的聲學(xué)圖像傳感器，其特征在于，所述RS型MUT單元的RS型疊層振膜為設(shè)置有多個(gè)壓電層的疊層振膜。