本發(fā)明屬于聲信號成像領(lǐng)域，具體涉及一種利用聲信號在從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時會發(fā)生折射的原理，來擴大其方向角的多透鏡。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)外使用超聲探測器的成像方式主要有超聲成像、光聲成像、熱聲成像等，而這幾種成像方式都對超聲探測器的方向角有一定要求。

例如光聲成像中的光聲層析成像，最常用的掃描方法是使用脈沖激光均勻照射目標(biāo)激發(fā)光聲信號，同時使用非聚焦超聲探測器掃描目標(biāo)360°來收集光聲信號，最后通過重建算法來獲得目標(biāo)物體的圖像。這種掃描方式對超聲探測器的方向角要求較高，如果目標(biāo)物體尺寸大于或接近其方向角，則在圖像邊緣處會發(fā)生較大形變。針對以上的問題，國內(nèi)外的很多研究小組提出了很多解決方案，比如使用高性能的超聲探測器，使用多個超聲探測器進行掃描，以及使用更好的算法來重建圖像等方法，這些方法確實是提高了一些圖像在邊緣處的分辨率，但是提高的并不算多。還有的解決方法是通過在超聲探測器前加上一塊聲透鏡來增大其方向角，這也確實是在一定程度上優(yōu)化了這個系統(tǒng)，但是只是用了一個透鏡來放大，所以也只是能將方向角放大二至三倍，而這并不足以避免在圖像邊緣處的形變。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決光聲層析成像中圖像邊緣處形變的問題，本發(fā)明提供一種可用于放大超聲探測器方向角的多透鏡。

一種用于放大超聲探測器方向角的多透鏡，其特征在于：該多透鏡由n層不同材料的透鏡緊密貼合制成且兩面平整；其中n大于等于2，且相鄰兩透鏡之間，作為凹面材料的聲速小于作為凸面材料的聲速；并且所有材料中至少有一種聲速大于外界聲速(如水或空氣)。

進一步地，由于不同材料之間聲阻抗可能差異較大，會導(dǎo)致聲信號衰減嚴(yán)重，故在相鄰兩透鏡之間設(shè)置有過渡材料制成的薄膜，過渡材料的聲阻抗在兩種相鄰材料之間。

本發(fā)明的原理為：聲信號從某一聲速的介質(zhì)中傳播到另一聲速的介質(zhì)中時，會發(fā)生折射。當(dāng)聲信號從外界介質(zhì)中傳播到聲速最小的材料所制作的透鏡時，會發(fā)生折射，使聲信號發(fā)散；當(dāng)聲信號再傳播進入不同介質(zhì)時，因為折射又會使其角度變大。經(jīng)過兩次或者多次的發(fā)散，最終達到放大超聲探測器方向角的效果。由于不同材料本身的聲阻抗不同，甚至可能差異較大，聲信號會因為反射而被損耗，故在不同的材料之間放入聲阻抗在其之間的材料所制作的薄膜，以達到聲阻抗匹配，減小損耗的效果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明對超聲探測器方向角提高非常顯著，方向角可以擴大至不使用透鏡時的六至七倍，相較于之前的方法有了很大程度上的提高。

(2)本發(fā)明外觀為一個完整的圓柱體，無凹陷或凸起，做到了以平面來實現(xiàn)超聲信號的擴散，很大程度上改善了當(dāng)前聲透鏡不能與人體直接接觸或需要在其周圍涂抹大量超聲耦合劑的缺陷，在使用時非常方便。

(3)本發(fā)明的裝置價格低廉，制作和使用非常簡單，應(yīng)用面廣泛，易于應(yīng)用和推廣。

附圖說明

圖1是實施例1的聲透鏡示意圖。圖中所示各部分為：平凹透鏡1-1，平凸透鏡1-2，薄膜1-3。

圖2是實施例2的聲透鏡示意圖。圖中所示各部分為：平凹透鏡2-1，雙凸透鏡2-2，薄膜2-3。

圖3是實施例3的聲透鏡示意圖。圖中所示各部分為：平凹透鏡3-1，凹凸透鏡3-2，凹凸透鏡3-3，平凸透鏡3-4。

圖4是使用實例1中聲透鏡時對插在瓊脂中鉛筆芯的圖像。

圖5是不使用實例1中聲透鏡時對插在瓊脂中鉛筆芯的圖像。

具體實施方式

實施例1本發(fā)明的簡單聲透鏡結(jié)構(gòu)

圖1為本發(fā)明的簡單聲透鏡，采用聚二甲基硅氧烷(聲速為950m/s)制作成平凹透鏡1-1，其凹面的曲率為28.6m^-1，環(huán)氧樹脂301(聲速為2600m/s)制作成平凸透鏡1-2。由于聚二甲基硅氧烷和環(huán)氧樹脂301的聲阻抗差異較大，聲信號在穿過交界處時會因為反射而產(chǎn)生較大的損耗，故用石蠟制作厚度為0.1mm的薄膜1-3，將其附在兩透鏡之間。最終完成的超聲透鏡為一圓柱體，能起到擴散超聲信號的作用。

實施例2本發(fā)明的兩側(cè)發(fā)散聲透鏡結(jié)構(gòu)

圖2為本發(fā)明的兩側(cè)發(fā)散聲透鏡結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與實施例1相似，可以看成是兩個實施例1中的聲透鏡組合。平凹透鏡2-1是由聲速較小聚二甲基硅氧烷制成，而雙凸透鏡2-2是由聲速較大的環(huán)氧樹脂301制成，兩透鏡的相鄰界面都添加由石蠟制成的過渡層薄膜2-3。這種結(jié)構(gòu)相較于實施例1中的聲透鏡可以使超聲探測器的方向角更大。更進一步，可由多個實施例一中的聲透鏡按不同順序組合，可以達到延長聲焦距等功能。

實施例3本發(fā)明的多層聲透鏡

圖3為本發(fā)明的多層聲透鏡，采用聚二甲基硅氧烷(聲速為950m/s)制作成平凹透鏡3-1，其凹面的曲率為28.6m^-1；采用石蠟(聲速為2210m/s)制作凹凸透鏡3-2，其凸面曲率為28.6m^-1，凹面曲率為25m^-1；采用環(huán)氧樹脂301(聲速為2600m/s)制作凹凸透鏡3-3，其凸面曲率為25m^-1，凹面曲率為22.2m^-1；最后用有機玻璃(聲速為2692m/s)制作平凸透鏡3-4，其凸面曲率為22.2m^-1。本實施例中由于采用多層的結(jié)構(gòu)，聲速依次增大，可以不添加過渡層。

應(yīng)用本發(fā)明的光聲成像實驗及對比

實驗步驟：

(1)制作圓柱形瓊脂，將直徑為0.5mm的鉛筆芯按十字形插在瓊脂表面處。

(2)將激光均勻照射在瓊脂表面，并使用超聲探測器以瓊脂為中心旋轉(zhuǎn)一周采集光聲信號。

(3)通過計算機利用matlab軟件對采集到的光聲信號進行數(shù)據(jù)處理，得到掃描區(qū)域內(nèi)目標(biāo)物體的圖像。

(4)在超聲探測器上添加實施例1中的聲透鏡，重復(fù)上述步驟。

在不使用實施例1中的超聲透鏡的結(jié)果如圖5所示，使用超聲透鏡的結(jié)果如圖4所示，可以明顯看到在不使用超聲透鏡時，邊緣處的鉛筆芯圖像有明顯變形。而使用超聲透鏡后，在邊緣處的鉛筆芯圖像完全沒有變形。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于放大超聲探測器方向角的多透鏡，屬于聲信號成像領(lǐng)域。該多透鏡由N層不同材料的透鏡緊密貼合制成且兩面平整；相鄰兩透鏡之間，作為凹面材料的聲速小于作為凸面材料的聲速；并且所有材料中至少有一種聲速大于外界聲速(如水或空氣)。本發(fā)明利用聲信號在從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時會發(fā)生折射的原理，來擴大其方向角的多透鏡；經(jīng)過兩次或者多次的發(fā)散，最終達到放大超聲探測器方向角的效果。

技術(shù)研發(fā)人員：奚磊;金天
受保護的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.02.27
技術(shù)公布日：2017.07.21