[發明專利]一種共振全息傳感的聲學三維成像方法及圖像傳感器

在審

• 申請號: 202310435136.4
• 申請日: 2023-04-21
• 公開（公告）號: CN116609785A
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 彭波
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89;G01S7/539
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 姚璐華

本發明公開了一種共振全息傳感的聲學三維成像方法及圖像傳感器，應用于聲學成像領域,該成像方法利用聲學透鏡聚焦接收目標物體反射的超聲回波，形成成像聲場并成像于聲學圖像傳感器表面，該聲學圖像傳感器由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依次層疊構成，且呈像素化陣列排布，成像聲場經超表面的各個表面通孔進入對應的內部微腔，并與底部的RS型疊層振膜輻射出的參考聲場進行共振干涉，形成全息聲場并反作用于RS型疊層振膜，生成全息共振信號，該信號經峰值檢波、去噪處理、尋址讀出和相位重建后，形成目標物體超聲回波的三維圖像。本發明能夠克服現有聲學三維成像技術面臨的大視場、高分辨以及快速實時的成像難題。

技術領域

本發明應用于聲學成像領域，特別涉及一種共振全息傳感的聲學三維成像方法及圖像傳感器。

背景技術

在醫學超聲診療、水聲聲吶探測等聲學成像領域，目前的系統設備大都采用常規B型掃描的成像體制，利用脈沖回波飛行時間獲取目標的方位和距離信息，再通過掃描生成二維的方位-距離像，但成像效果存在信息不直觀，理解困難等問題。為了能夠實現直觀可視的聲學三維成像，人們探究了外置參考聲源直接干涉記錄聲場波前，以及虛擬干涉檢波掃描聲場波前的聲學全息三維成像方法。但由于沒有高分辨、大陣列的波前信息記錄介質，這些成像方法要么圖像尺寸受制于換能器的陣列孔徑，探測范圍有限，要么掃描拼接導致成像實時性降低。

近年來科研人員基于常規壓電換能器拼接形成的二維陣列，結合脈沖飛行時間和波束形成算法，嘗試研究另一種形式的三維成像方法—波束形成三維成像，但該方法存在硬件電路復雜、波束算法耗時等問題。即使采用陣列壓縮稀疏，甚至聲透鏡直接形成多波束的方式來簡化信號處理，也不可避免地帶來圖像質量和成像實時性的問題。

借助MEMS(微機電系統)和半導體工藝的微納制造能力，CMUT(電容式微機械超聲換能器)和PMUT(壓電式微機械超聲換能器)都能夠在硅基上實現大規模陣列和高度集成。但由于聲學信號的時域振動特性，與常規換能器陣列的信號處理方式一樣，人們也不得不采用大量通道并行采樣MUT(微機械超聲換能器)陣列中各個陣元的聲壓信號。雖然兩者能夠與專用集成電路(ASIC)前端集成，擴大陣列規模，然而大規模陣列也不可避免地存在大量引線扇出和信號處理的問題。采用行列交叉尋址和陣列離散稀疏等方法簡化，也只是陣列規模與成像質量和實時性之間的折中考慮。

因此，不管是常規的聲學全息成像，還是近年來的波束形成成像，甚至是MUT陣列成像，聲學三維成像目前面臨的大視場、高分辨的實時成像問題并未得到有效解決。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種共振全息傳感的聲學三維成像方法及圖像傳感器，解決現有的聲學三維成像技術中難以實現大視場、高分辨的實時成像問題。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種共振全息傳感的聲學三維成像方法，包括：

通過激勵超聲聲源發射超聲波照射目標物體，并用聲學透鏡聚焦接收所述目標物體反射的超聲回波，形成含有強度分布和相位分布的成像聲場，且成像于聲學圖像傳感器表面；所述聲學圖像傳感器放置于所述聲學透鏡的像方焦平面上，用于接收所述成像聲場的強度和相位的空間分布信息；所述聲學圖像傳感器為表面設置有亥姆霍茲型微腔超表面的聲電轉換像素單元陣列；所述亥姆霍茲型微腔超表面的每個結構單元與一個所述聲電轉換像素單元對應，或與多個并聯排布的所述聲電轉換像素單元對應；

所述成像聲場通過所述聲學圖像傳感器中所述亥姆霍茲型微腔超表面的各個結構單元的表面通孔進入對應的內部微腔；所述內部微腔的底部由所述聲電轉換像素單元的疊層振膜構成；所述疊層振膜設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；

通過在所述參考振膜的激勵電極上施加與所述超聲回波同頻率的參考信號，促使所述參考振膜內部的參考壓電層發生諧振形變，繼而驅動參考振膜和傳感振膜一起同頻振動，并同時向所在的內部微腔輻射出與所述超聲回波頻率一致的參考聲場；