一种可重构的激光超声相控阵装置及方法

技术领域

本发明属于超声相控阵技术领域，涉及一种可重构的激光超声相控阵装置及方法。

背景技术

传统的超声相控技术采用电子方法控制声束偏转、聚焦和扫描，可以在不移动或少移动换能器的情况下进行扫描。基于超声相控技术的超声相控检测系统被广泛的应用于医学超声成像以及工业无损检测等领域。现有超声相控阵装置的阵列类型包括线型阵列、环形阵列和二维面阵，二维面阵式超声相控阵装置的阵列规模一般不超过8×8；聚焦形式包括线阵聚焦，环形聚焦和二维阵列聚焦；扫描方式包括扇形扫描、线性扫描和动态深度扫描。现有超声相控阵装置一般是不可重构的，只能采取单一的阵列组成方式、聚焦形式和扫描方式实现超声相控扫描。

应用光热声效应实现超声聚焦的方法一般将光声转换层制备在球面或锥面衬底上，利用球面或锥面的几何聚焦特性来实现超声聚焦，或利用图案化的光声转换层实现空间声场聚焦。上述超声聚焦方法难以实现超声相控扫描。采用多泵浦激光阵列照射光声换能器或光声换能器阵列，从而实现光声聚焦的方法可以实现超声相控扫描，但同样存在光场阵列规模小和不可重构的缺点。

发明内容

本发明主要目的是提供一种可重构的激光超声相控阵装置及方法，使用可重构的、具有时间维度特征的三维光场作为超声激发源，使用MEMS光声换能器阵列接收三维光场，生成波阵面方向和形状可控的超声信号，实现阵列组合方式、聚焦形式和扫描方式可调的可重构激光超声相控阵。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种可重构的激光超声相控阵装置，主要由可重构三维光场产生子系统和光致热发声子系统组成。

所述可重构三维光场产生子系统包括时序激光源、延时器、空间光调制器、微透镜阵列和聚焦成像光学透镜组；所述可重构三维光场产生子系统用于产生包含时间维度特征的三维光场；通过时序激光源产生初始光延时信号；通过延时器产生具有不同时间延迟的步进光延时信号；通过空间光调制器对步进光延时信号进行空间调制，产生等延时线图像；通过微透镜阵列将所有等延时线图像叠加成复合图像，产生一个具有时间维度特征的三维光场；通过聚焦成像光学透镜组将具有时间维度特征的三维光场投影到光致热发声子系统。

所述延时器具体可选择光纤延时器或数字延时器，作为优选，采用光纤延时器。

所述空间光调制器具体可选择液晶(LCD)空间光调制器，数字微镜阵列(DMD)空间光调制器或硅基液晶(LCoS)空间光调制器，作为优选，采用数字微镜阵列(DMD)空间光调制器。

作为优选，所述具有时间维度特征的三维光场，指具有时间维度特征和二维空间维度特征的三维光场。

作为优选，所述可重构三维光场产生子系统通过空间光调制器控制等延时线图像的空间维度特征，实现控制三维光场的空间维度特征，通过延时器控制多路步进光延时信号的步进延时，实现控制三维光场的时间维度特征，三维光场的空间维度特征和时间维度特征决定激光超声相控阵的阵列组成方式、聚焦形式和扫描方式。

所述光致热发声子系统包括MEMS光声换能器阵列，阵列单元由厚度方向上的光声转换层、隔离层和支撑层组成；光声转换层用于接收可重构的、具有时间维度特征的三维光场，产生波阵面方向和形状可控的超声波信号；隔离层用于抑制从光声转换层向基底的传热损耗，提高光声换能效率；支撑层用于为光声转换层和隔离层提供力学支撑。

所述光声转换层由图案化金属纳米材料组成，金属纳米材料具体可选择蒸发沉积工艺制备的金属纳米聚集材料和磁控溅射工艺制备的周期性金属纳米材料，作为优选，采用蒸发沉积工艺制备的铝纳米聚集材料；所述隔离层由图案化高分子聚合物薄膜组成，高分子聚合物薄膜具体可选择聚酰亚胺(PI)薄膜和聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，作为优选，采用聚酰亚胺薄膜；所述支撑层由具有支撑微结构的硅晶圆组成，支撑微结构具体可选择腔式支撑结构，台式支撑结构和柱式支撑结构，作为优选，采用腔式支撑结构；所述光声转换层和隔离层的图案化是为了降低光声换能器阵列单元的质量和热惯性，具体的图案形状不影响光声换能器阵列单元的功能实现，因此具体的图案形状应视作为本发明优选。

作为优选，所述MEMS光声换能器阵列具有阵列单元尺寸小，阵列规模大的特点，用于完整接收三维光场的时间维度信息和空间维度信息；所述阵列规模大指阵列规模最大可达到1280×1280；所述阵列单元尺寸小指阵列单元尺寸最小可达到34μm×34μm。

作为优选，通过控制所述三维光场的时间维度特征和空间维度特征，为光致热发声子系统提供超声相控阵所需的光源信号。

作为优选，所述阵列组合方式可调指阵列类型和阵列规模可调。

本发明公开的一种可重构的激光超声相控阵装置的工作方法为：

步骤一、所述可重构三维光场产生子系统通过时序激光源产生初始光延时信号；

步骤二、所述初始光延时信号传入延时器，通过延时器产生多路步进光延时信号，并控制多路步进光延时信号的步进延时；

步骤三、所述多路步进光延时信号传入空间光调制器，通过空间光调制器对步进光延时信号进行空间调制，产生等延时线图像；

步骤四、所述等延时线图像传入微透镜阵列，通过微透镜阵列的集成成像系统将所有等延时线图像叠加成复合图像，产生一个具有时间维度特征的三维光场；所述可重构三维光场产生子系统通过空间光调制器控制等延时线图像的空间维度特征，实现控制三维光场的空间维度特征；所述可重构三维光场产生子系统通过延时器控制多路步进光延时信号的步进延时，实现控制三维光场的时间维度特征；

步骤五、所述具有时间维度特征的三维光场传入聚焦成像光学透镜组，通过聚焦成像光学透镜组将具有时间维度特征的三维光场投影到光致热发声子系统；

步骤六、所述光致热发声子系统通过所述MEMS光声换能器阵列接收具有时间维度特征的三维光场，产生波阵面方向和形状可控的超声波信号，实现阵列组合方式、聚焦形式和扫描方式可调的可重构激光超声相控阵。

有益效果：

1、现有超声相控阵装置一般是不可重构的，只能采取单一的阵列类型、聚焦形式和扫描方式实现超声相控扫描。本发明公开的一种可重构的激光超声相控阵装置及方法，使用可重构三维光场产生子系统产生可重构的、具有时间维度特征的三维光场作为超声激发光源，使用MEMS光声换能器阵列接收三维光场，生成波阵面方向和形状可控的超声信号，能够实现阵列组合方式、聚焦形式和扫描方式可调的可重构激光超声相控阵。

2、现有激光超声相控阵装置一般采用多泵浦激光阵列作为超声激发源，激光阵列规模不超过10×10面阵，且成本较高。本发明公开的一种可重构的激光超声相控阵装置及方法，通过时序激光源产生初始光延时信号；通过延时器产生具有不同时间延迟的步进光延时信号；通过空间光调制器对步进光延时信号进行空间调制，产生等延时线图像；通过微透镜阵列将所有等延时线图像叠加成复合图像，产生一个具有时间维度特征的三维光场。所述三维光场可实现76×76面阵规模，远高于现有技术产生的光场面阵规模，且成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例的一种可重构的激光超声相控阵装置示意框图；

图2为本发明实施例的一种可重构的激光超声相控阵装置工作流程示意图；

图3为本发明实施例的MEMS光声换能器阵列结构示意图；

图4为本发明实施例的一种可重构的激光超声相控阵装置及方法产生波阵面方向可控的超声波信号示意图；

图5为本发明实施例的一种可重构的激光超声相控阵装置及方法产生波阵面形状可控的超声波信号示意图；

图6为本发明实施例的一种可重构的激光超声相控阵装置及方法实现声束聚焦示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

结合图1、图2和图3所示，本实施例公开的一种可重构的激光超声相控阵装置，由可重构三维光场产生子系统和光致热发声子系统组成。

所述可重构三维光场产生子系统包括时序激光源、光纤延时器、数字微镜阵列(DMD)空间光调制器、微透镜阵列和聚焦成像光学透镜组；所述可重构三维光场产生子系统用于产生包含时间维度特征的三维光场；通过时序激光源产生初始光延时信号；通过光纤延时器产生具有不同时间延迟的步进光延时信号；通过数字微镜阵列(DMD)空间光调制器对步进光延时信号进行空间调制，产生等延时线图像；通过微透镜阵列将所有等延时线图像叠加成复合图像，产生一个可重构的、具有时间维度特征的三维光场；通过聚焦成像光学透镜组将可重构的、具有时间维度特征的三维光场投影到光致热发声子系统。

所述光致热发声子系统包括MEMS光声换能器阵列，阵列单元由厚度方向上的三层结构组成，分别为光声转换层、隔离层和支撑层；光声转换层由图案化的铝纳米聚集材料构成，用于接收可重构的、具有时间维度特征的三维光场，产生波阵面方向和形状可控的超声波信号；隔离层由图案化的聚酰亚胺薄膜构成，用于抑制从光声转换层向基底的传热损耗，提高光声换能效率；支撑层由具有支撑微结构的硅晶圆构成，用于为光声转换层和隔离层提供力学支撑。

所述可重构三维光场产生子系统通过空间光调制器控制等延时线图像的空间维度特征，实现控制三维光场的空间维度特征，通过延时器控制多路步进光延时信号的步进延时，实现控制三维光场的时间维度特征，三维光场的空间维度特征和时间维度特征决定了激光超声相控阵的阵列组成方式、聚焦形式和扫描方式。

结合图1、图2和图3所示，本实施例公开的一种可重构的激光超声相控阵装置的工作方法为：

步骤一、所述时序激光源通过532nm连续激光器和强度调制信号发生器产生调制频率为20MHz的初始光延时信号；

步骤二、所述初始光延时信号传入延时器，延时器通过多路不等长延时光纤产生多路具有不同时间延迟的步进光延时信号，通过延时光纤长度控制步进光延时信号的延时步长，步进光延时信号以10×10光延时信号阵列的形式输出；

步骤三、所述多路步进光延时信号通过全反射棱镜传入空间光调制器，空间光调制器采用数字微镜阵列(DMD)空间光调制器，空间光调制器像元规模为1920×1080，空间光调制器平面被划分为10×10阵列，接收10×10个具有不同时间延迟的步进光延时信号。每个空间光调制器阵列区域包含108×108像元，其中间位置的76×76像元用于产生等延时线图像，像元尺寸为10.8μm×10.8μm；

步骤四、所述等延时线图像传入微透镜阵列，微透镜阵列由COC-480R材料制成，包含10×10方形微透镜，每个微透镜的焦距为f

步骤五、所述具有时间维度特征的三维光场传入聚焦成像光学透镜组，通过聚焦成像光学透镜组将具有时间维度特征的三维光场投影到光致热发声子系统。所述聚焦成像光学透镜组由BK7材料制成，焦距f

步骤六、所述光致热发声子系统通过MEMS光声换能器阵列接收具有时间维度特征的三维光场，产生波阵面方向和形状可控的超声波信号。所述MEMS光声换能器阵列规模为1280×1280，阵列单元尺寸为36μm×36μm，即MEMS光声换能器阵列尺寸为46.08mm×46.08mm；单个空间光调制器像元投影到光致热发声子系统的像面尺寸为108μm×108μm，大于MEMS光声换能器阵列单元尺寸的3倍，即每个空间光调制器像元的投影激光信号由3×3个MEMS光声换能器阵列单元接收，因此该MEMS光声换能器阵列可以完整接收三维光场的时间维度信息和空间维度信息。

结合图4所示，本实施例公开的一种可重构的激光超声相控阵装置，通过控制三维光场的时间维度特征和空间维度特征，产生波阵面方向可控的超声波信号。本实施例采用7路步进光延时信号，延时步长12.5ns，波阵面方向偏转10°，调节等延时线图像形状和信号延时可实现对波阵面方向偏转角度的控制，增加延时信号数量可以提高波阵面方向偏转角度分辨率。

结合图5所示，本实施例公开的一种可重构的激光超声相控阵装置，通过控制三维光场的时间维度特征和空间维度特征，产生波阵面形状可控的超声波信号。本实施例采用7路步进光延时信号，信号延时分别为20ns，15ns，10ns，5ns，0，40ns和60ns，波阵面呈155°钝角，波阵面方向偏转7.5°，调节等延时线图像形状和信号延时可实现对波阵面形状的控制，增加延时信号数量能够提高波阵面形状的空间分辨率。

结合图6所示，本实施例公开的一种可重构的激光超声相控阵装置，通过控制三维光场的时间维度特征和空间维度特征，产生波阵面形状可控的超声波信号，实现超声波信号聚焦，调节等延时线图像形状和信号延时可实现对焦距和聚焦方向的控制。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。