CN102768215B - 超材料成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料成像装置，包括将物体表面漫反射的回波汇聚成像的第一超材料；第一超材料包括一功能层，所述功能层包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状基板和附着在片状基板上阵列排布的多个人造微结构，所述片状基板分成多个单元块，每一人造微结构与其所占据的单元块构成一个单元格，每一片层沿第一方向排布的多个单元格分成第一中间区域以及位于第一中间区域两侧的多个第一带状区域，每一第一带状区域的折射率均向第一中间区域连续增大，且相邻两个第一带状区域的折射率不连续。本发明的超材料成像装置，使用了具有汇聚功能的第一超材料代替凸透镜实现成像，具有加工工艺简单的优势。

Description

超材料成像装置

技术领域

本发明属于超材料领域，更具体地说，涉及一种超材料成像装置。

背景技术

微波成像，就是先向目标发射电磁波(微波波段)，再接收目标的散射回波进行成像。现有技术，将电磁波通过透镜汇聚到所测物体上，再将漫反射出来的部分电磁波通过透镜汇聚成像，透镜的汇聚是靠透镜的球面形状的折射来实现汇聚的，这种方法要得到高分辨率的成像图就需要制造的高精度的汇聚透镜，从加工工艺上来说是很难实现的。而且透镜的介质容易老化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种超材料成像装置，该装置用具有汇聚功能的超材料代替透镜，具有加工工艺简单的优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料成像装置，所述装置包括将物体表面漫反射的回波汇聚成像的第一超材料；所述第一超材料包括一功能层，所述功能层包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状基板和附着在片状基板上阵列排布的多个人造微结构，所述片状基板分成多个单元块，每一人造微结构与其所占据的单元块构成一个单元格，所述每一单元格具有各向异性的电磁参数，每一片层沿第一方向排布的多个单元格分成第一中间区域以及位于第一中间区域两侧的多个第一带状区域，每一第一带状区域的折射率均向第一中间区域连续增大，且相邻两个第一带状区域的折射率不连续。

进一步地，同一片层沿垂直于第一方向的第二方向排布的多个单元格其折射率相同。

进一步地，所述第一超材料处于由第一方向与第二方向组成的平面上的多个单元格其中心位置的单元格的折射率最大，以此中心位置为圆心，处于同一圆环上的单元格的折射率相同，任一直径上的多个单元格其分成第二中间区域以及分布在第二中间区域两侧的多个第二带状区域，每一第二带状区域的折射率均向第二中间区域连续增大，且相邻两个第二带状区域的折射率不连续。

进一步地，所述第一中间区域两侧的单元格的折射率以第一中间区域为中心对称分布，所述第二中间区域两侧的单元格的折射率以第二中间区域为中心对称分布。

进一步地，每一片层上的多个人造微结构具有相同的图形，并且沿第一方向排布的多个人造微结构中尺寸最大的人造微结构位于第一中间区域，每一第一带状区域的人造微结构的尺寸均向第一中间区域连续增大，且相邻两个第一带状区域的人造微结构尺寸不连续。

进一步地，每一片层沿第二方向排布的多个人造微结构其尺寸相同。

进一步地，所述第一超材料处于由第一方向与第二方向组成的平面上的多个人造微结构中尺寸最大的人造微结构位于第二中间区域，处于同一圆环上的人造微结构尺寸相同，每一第二带状区域的人造微结构的尺寸均向第二中间区域连续增大，且相邻两个第二带状区域的人造微结构尺寸不连续。

进一步地，所述人造微结构为平面的工字形结构或平面雪花状结构。

进一步地，所述第一超材料还包括设置在功能层入射面和/或出射面上的阻抗匹配层。

进一步地，所述装置还包括辐射检测电磁波的辐射器以及将检测电磁波汇聚到待成像物体表面的汇聚元件，所述汇聚元件为凸透镜，或为与第一超材料功能结构相同的第二超材料。

实施本发明的超材料成像装置，用具有汇聚功能的第一超材料代替了加工工艺要求极高的透镜，因此加工艺简单，可以大大节省加工时间，提高加工效率。

附图说明

图1是本发明的超材料成像装置的结构示意图；

图2是本发明的一种形式的单元格的结构示意图；

图3是本发明的第一超材料其功能层的结构示意图；

图4是本发明的第一超材料其功能层的电磁波汇聚示意图；

图5为本发明的第一超材料其功能层在xz平面上的折射率分布示意图。

图6是本发明所提供的第一超材料其功能层与阻抗匹配层的组装示意图；

图7是平面雪花状的人造微结构构成的单元格的示意图；

图8是三维雪花状的人造微结构构成的单元格的示意图。

具体实施方式

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″所具有的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料所不具备的)；

(3)“超材料″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。

本发明利用超材料技术来构建一种超材料成像装置。具体如下：

如图1所示，根据本发明的超材料成像装置，包括辐射检测电磁波的辐射器200、将检测电磁波汇聚到待成像物体表面的汇聚元件300以及将物体表面漫反射的回波汇聚成像的第一超材料400。所述汇聚元件300为凸透镜，或为与第一超材料400功能结构相同的第二超材料。本实施例中，优选为第二超材料3。此处的功能结构相同，指的是第二超材料能够将辐射器200发出的电磁波汇聚到物体表面P。本发明中，辐射器200发出的检测电磁波由第二超材料3汇聚后，射到待成像物体的表面P，在待成像物体的表面P发生漫反射，漫反射的部分电磁波再通过第一超材料1汇聚成像。上面的辐射器可以是类似天线的发射机等装置。

如图1至图3所示，本发明的第一超材料包括一功能层10，所述功能层10包括多个相互平行的片层1，每一片层1包括片状基板2和附着在片状基板2上阵列排布的多个人造微结构3，所述片状基板2分成多个单元块V，每一人造微结构3与其所占据的单元块V构成一个单元格4，每一片层1沿第一方向排布的多个单元格分成多个分布在第一中间区域S1两侧的第一带状区域D1，每一第一带状区域D1的折射率均向第一中间区域S1连续增大，且相邻两个第一带状区域的折射率不连续。第一中间区域S1由一个单元格或由相同折射率的多个单元格组成。此处的折射率不连续是指，折射率不是连续增大，在相邻位置有个突变的过程，即相邻的两个第一带状区域的邻接位置的单元格的折射率向第一中间区域S1方向是突然减小的。例如，某两个相邻的第一带状区域D1其折射率分别为2至5(连续增大)与3至6(连续增大)，折射率为5的单元格与折射率为3的单元格相邻，则折射率先是2至5连续增大，再突变到3，没有连续增大，即可视为折射率不连续。每一单元块可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一单元块V的长、宽、高尺寸为入射电磁波波长的五分之一以下(通常为波长的十分之一)，以使得整个超材料对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。

所述每一单元格可以是各向同性，也可以是各向异性。

对于具有平面结构的人造微结构，各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于具有三维结构的人造微结构，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构为90度旋转对称结构时，人造微结构即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面且过其对称中心的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合，如图7所示的平面雪花状的人造微结构，当其中间呈十字垂直交叉的两根线相等且外侧垂直相交的四个分支也相等时，则由此人造微结构所构成的单元格表现出二维的各向同性；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点(交点为旋转中心)的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。如图8所示的三维雪花状结构，当其中间相互呈十字垂直交叉的三根线相等且外侧垂直相交的六个分支也相等时，则由此人造微结构所构成的单元格表现出三维的各向同性。

相应地，如果人造微结构不满足平面或三维的90度旋转对称(非90度旋转对称)，则其是各向异性(同样有二维的各向异性与三维的各向异性)。如图2所示的工字形人造微结构，由此人造微结构所构成的单元格表现出二维的各向同性。

本发明中所涉及的第一方向指的是每一片层1上阵列排布的人造微结构3的列的方向，第二方向是指上述阵列的行的方向。各附图中，第一方向、第二方向用三维坐标系的x轴、y轴表示，z轴表示超材料片层的叠加方向。

折射率可以表示电磁波传播方向的改变，已知折射率，其中μ为磁导率，ε为介电常数，k取正负1(当k等于负1时，表示负折射)。实验证明，电磁波通过超材料时，会向折射率大的方向偏折(向折射率大的单元格偏折)。由此，在磁导率μ不改变的条件下，通过改变介电常数ε可以得到我们想要的折射率，因此通过合理设计功能层10中内部每一单元格的介电常数，可以得到任意我们想要的汇聚效果。

如图3至图4所示，本实施例中，所述人造微结构3为工字形的金属微结构，所述功能层10的每一片层1上的人造微结构3呈矩形阵列排布，每一片层1上的多个人造微结构3具有相同的工字形图形，并且沿x轴方向排布的多个人造微结构3中尺寸最大的人造微结构位于第一中间区域S1，每一第一带状区域D1的人造微结构的尺寸均向第一中间区域S1连续增大，且相邻两个第一带状区域D1的人造微结构尺寸不连续。此处的尺寸不连续是指，人造微结构的尺寸不是连续增大，在相邻位置有个突变的过程，即相邻的两个第一带状区域的邻接位置的单元格的折射率向第一中间区域S1方向是突然减小的。每一片层沿y轴方向排布的多个人造微结构3其尺寸保持不变。图3表示的实施例中，S1为一个单元格，但是，根据不同需要，第一中间区域S1也可以是多个具有相同尺寸的人造微结构的单元格。

同时，如图5所示，所述第一超材料10处于xz平面上的多个人造微结构3中尺寸最大的人造微结构位于第二中间区域S2，第二中间区域S2可以是一个单元格，也可是相同折射率的多个单元格，处于同一圆环上的人造微结构3尺寸相同，每一第二带状区域D2的人造微结构3的尺寸均向第二中间区域S2连续增大，且相邻两个第二带状区域D2的人造微结构尺寸不连续。通过实验得到，同一图形的人造微结构在同一单元格中所表现出来的介电常数随着其尺寸增大而增大。因此，本实施例中，人造微结构尺寸的规律排布实际上是单元格4的介电常数的规律排布，并且在磁导率不变的情况下，即可视为是单元格4折射率的规律分布。由此，本实施例中，每一第一带状区域D1的折射率均向第一中间区域S1连续增大，且相邻两个第一带状区域S1的折射率不连续。而每一片层沿y方向排布的多个单元格4其折射率保持不变。同时，由于人造微结构在xz平面上的上述排布规律，使得xz平面上排布的多个单元格具有如图5所示的折射率分布，即所述第一超材料处于xz平面上的多个单元格4其中心位置的单元格的折射率最大，以此中心位置为圆心，处于同一圆环上的单元格的折射率相同，任一直径上的第二带状区域D2的折射率均向第二中间区域S2连续增大，且相邻两个第二带状区域D2的折射率不连续。图5中，线条的疏密表示折射率的大小，线条越密表示折射率越大，我们可以看出每一第二带状区域D2的线条都是向第二中间区域S2方向由疏变密，即每一第二带状区域D2的折射率分布都是向第二中间区域S2方向连续增大。

并且，本实施例中，所述第一中间区域S1两侧的人造微结构以第一中间区域S1的中央位置为对称轴对称设置，而所述第二中间区域S2两侧的人造微结构以第二中间区域S2的中央位置为对称轴对称设置，以使得，所述第一中间区域S1两侧的单元格(沿x方向排布的单元格)的折射率以第一中间区域S1为中心对称分布，所述第二中间区域S1两侧的单元格(同一直径方向上的多个单元格)的折射率以第二中间区域S2为中心对称分布。

本实施例中，由于功能层10上述的折射率空间分布，可以实现汇聚。通过实验得到，电磁波通过每一单元格的偏折角度与相邻的单元格的折射率有关，即电磁波会向折射率大的单元格偏折，电磁波在超材料中经过多个单元格后，偏折效果会得到累加。因此，通过合理设计每一单元格的折射率，以及超材料的厚度(决定电磁波的累加效果)，还可以实现所有电磁波汇聚于一点。当然要实现汇聚于一点，还要满足如下条件，即：

(1)处于第一中间区域S1同一侧的多个第一带状区域D1的折射率变化量是从侧边向第一中间区域S1连续减小的，即相邻两个单元格的折射率差值处于侧边位置时最大，靠近第一中间区域的单元格与其外侧相邻的单元格的折射率差值最小，其它位置由侧边向第一中间区域连续减小。

(2)在xz平面上，处于同一直径的直线方向上的多个单元格的折射率变化量从侧边向第二中间区域S2连续减小，即处于同一直径的直线方向上的相邻两个单元格的折射率差值处于侧边位置时最大，靠近第一中间区域的单元格与其外侧相邻的单元格的折射率差值最小，其它位置由侧边向第二中间区域连续减小。

本发明的功能层10的片状基板2可以采用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。上述的高分子材料可以是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。当然，上述的高分子材料也可是FR-4、F4b等复合材料。

本发明的人造微结构，优选地，采用金属微结构，所述金属微结构为具有一定图形的金属线。例如，铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

另外，图2至4采用的是工字形的人造微结构，除此之外，本发明的人造微结构还可以是如图7所示的平面雪花状结构或如图8所述的三维雪花状结构。优选采用三维雪花状结构，因为其具有三维的各向同性，不会受到各向异性的干扰，设计起来更为简单。

我们知道，当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的阻抗差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。

因此，本发明中，如图6所示，在上述的两个实施例中，所述超材料还可以包括设置在功能层10入射面和/或出射面上的阻抗匹配层。优选地，在入射面和出射面上都设有阻抗匹配层(201，202)。本发明通过以下方法实现阻抗匹配，即，位于入射侧的阻抗匹配层201的与入射侧介质(例如空气)相接触的那一侧的阻抗与入射介质的阻抗接近，而入射侧阻抗匹配层201的靠近功能层10的一侧其阻抗与功能层10的入射侧阻抗接近，且入射侧阻抗匹配层201的阻抗沿垂直于功能层的方向其阻抗连续变化。而位于出射侧的阻抗匹配层202与出射侧介质(例如空气)相接触的那一侧的阻抗与出射介质接近，而出射侧阻抗匹配层202的靠近功能层10的一侧其阻抗与功能层10的出射侧阻抗接近，且出射侧阻抗匹配层的阻抗沿垂直于功能层的方向其阻抗连续变化。我们知道，不同介质分界面其阻抗差值越大，反射越强，因此，通过上述的阻抗匹配层(201，202)，可以消除阻抗突变，进而消除电磁波经过不同介质分界面时的反射现象以及电磁波能量损耗问题。

上述的阻抗匹配层也可以是一种超材料，其与功能层有类似的结构。当然也可以是其它具有类似功能的材料。另外，本文所说的阻抗指的是波阻抗。

由公式阻抗，我们知道只要改变磁导率与介电常数的比值，就可以改变阻抗。因此，在阻抗匹配层的磁导率均匀分布的情况下，通过介电常数的分布可以实现阻抗匹配层内部阻抗分布，也就是说阻抗匹配层内部的阻抗分布是可以人为设计的。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种超材料成像装置，其特征在于，所述装置包括：

将物体表面漫反射的回波汇聚成像的第一超材料；所述第一超材料包括一功能层，所述功能层包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状基板和附着在片状基板上阵列排布的多个人造微结构，所述片状基板分成多个单元块，每一人造微结构与其所占据的单元块构成一个单元格，每一片层沿第一方向排布的多个单元格分成第一中间区域以及位于第一中间区域两侧的多个第一带状区域，每一第一带状区域的折射率均向第一中间区域连续增大，且相邻两个第一带状区域的折射率不连续；所述第一超材料处于xz平面上的多个单元格其中心位置的单元格的折射率最大，以此中心位置为圆心，处于同一圆环上的单元格的折射率相同，任一直径上的多个单元格其分成第二中间区域以及分布在第二中间区域两侧的多个第二带状区域，每一第二带状区域的折射率均向第二中间区域连续增大，且相邻两个第二带状区域的折射率不连续；设置在功能层入射面和/或出射面上的阻抗匹配层，位于入射侧的阻抗匹配层的与入射侧介质相接触的一侧的阻抗与入射介质的阻抗接近，入射侧阻抗匹配层靠近功能层的一侧其阻抗与功能层的入射侧阻抗接近，且入射侧阻抗匹配层的阻抗沿垂直于功能层的方向其阻抗连续变化，而位于出射侧的阻抗匹配层与出射侧介质相接触的一侧的阻抗与出射介质接近，出射侧阻抗匹配层的靠近功能层的一侧其阻抗与功能层的出射侧阻抗接近，且出射侧阻抗匹配层的阻抗沿垂直于功能层的方向其阻抗连续变化。

2.根据权利要求1所述的超材料成像装置，其特征在于，同一片层沿垂直于第一方向的第二方向排布的多个单元格其折射率相同。

3.根据权利要求1所述的超材料成像装置，其特征在于，所述第一中间区域两侧的单元格的折射率以第一中间区域为中心对称分布，所述第二中间区域两侧的单元格的折射率以第二中间区域为中心对称分布。

4.根据权利要求3所述的超材料成像装置，其特征在于，每一片层上的多个人造微结构具有相同的图形，并且沿第一方向排布的多个人造微结构中尺寸最大的人造微结构位于第一中间区域，每一第一带状区域的人造微结构的尺寸均向第一中间区域连续增大，且相邻两个第一带状区域的人造微结构尺寸不连续。

5.根据权利要求4所述的超材料成像装置，其特征在于，每一片层沿第二方向排布的多个人造微结构其尺寸相同。

6.根据权利要求5所述的超材料成像装置，其特征在于，所述第一超材料处于xz平面上的多个人造微结构中尺寸最大的人造微结构位于第二中间区域，处于同一圆环上的人造微结构尺寸相同，每一第二带状区域的人造微结构的尺寸均向第二中间区域连续增大，且相邻两个第二带状区域的人造微结构尺寸不连续。

7.根据权利要求6所述的超材料成像装置，其特征在于，所述人造微结构为平面的工字形结构或平面雪花状结构。

8.根据权利要求1所述的超材料成像装置，其特征在于，所述装置还包括辐射检测电磁波的辐射器以及将检测电磁波汇聚到待成像物体表面的汇聚元件，所述汇聚元件为凸透镜，或为与第一超材料功能结构相同的第二超材料。