CN103078160B - 一种微波超分辨率聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚焦装置，尤其是涉及一种微波超分辨率聚焦装置。装置由三个部分组成，第一部分为微波准直器，用于实现对入射微波的扩束与准直；第二部分为微波聚焦透镜，用于将微波平面波束转变为会聚波束；第三部分为超分辨率匹配透镜，放置在微波聚焦透镜的焦面，可对会聚波束实现超分辨率聚焦，形成亚波长量级的聚焦点。该装置具有结构简单、设计灵活、超分辨聚焦等优点，有望在微波合成、微波成像、催化等领域得到重要应用。

Description

一种微波超分辨率聚焦装置

技术领域

本发明涉及一种聚焦装置，尤其是涉及一种微波超分辨率聚焦装置。

背景技术

在微波应用领域，聚焦后的微波波束可以实现对陶瓷、发光材料、金属等的合成，同时还可以实现医学治疗、医学诊断，催化等诸多应用。利用微波与介质作用时发生能量传递和不同物体与微波作用时表现出不同的介电属性，微波聚焦技术在很多领域相比传统方法更加具有发展前景。比如在医疗热成像领域，微波聚焦成像相比传统的方法如X-ray，CT等不仅没有放射性损伤，而且成像深度更深，成像分辨率也更高(聂立铭，热声成像基础研究及其在生物医学中的应用，广州，华南师范大学，2010)。而在有机物合成消解等领域，微波聚焦技术不仅可以完整的保留有机物结构，还可以加快反应速度减小溶剂使用量，大大提高了反应的效率。

在医学成像应用中，微波在组织皮层内聚焦以达到任意探测深度和空间分辨率的能力是评价医疗系统的最重要的因素(M.I.GiamalakiI.S.Karanasiou and N.K.Uzunoglu.，2009,Focused microwave radiometryfrom a possible functional imaging perspective:theoreticaloptimization of the properties of a microwave radiometry system,4thinternational conference on image technologies in biomedicalscience.,22-28September2007,MilosIsland,Greece.)，目前使用的天线阵列产生聚焦微波的技术不仅设计复杂造价昂贵，而且始终受到衍射极限的限制；因而无法在不增加辐射功率的情况下提高成像分辨率和穿透深度，这也成为目前制约微波医疗技术进一步发展的瓶颈。而在有机合成等其他领域，提高反应效率等因素也对微波的聚焦分辨率和能量密度提出了更高的要求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可将角向波矢超过k₀的传输波传递到聚焦透镜的焦面附近的一种微波超分辨率聚焦装置。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种结构简单、易于实现、可靠性高的一种微波超分辨率聚焦装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种微波超分辨率聚焦装置，其特征在于，包括：

一微波准直器：对入射微波的扩束与准直；

一微波聚焦透镜：接收经过微波准直器的入射微波并将微波平面波束转变为会聚波束；

以及一超分辨率匹配透镜：对会聚波束实现超分辨率聚焦，形成亚波长量级的聚焦点。

本发明的关键是微波聚焦匹配透镜。该微波聚焦匹配透镜是由人工结构材料构成，其主要特点有两个：1)它是由多层圆柱状材料按照一定间隔堆积而成；2)每一层圆柱面上面布置了特殊的金属结构，并进行了周期排布，且各层介质构成同心圆环，球心位置和匹配透镜的聚焦点重合。这种金属环状结称为开口环。研究表明，由周期开口环结构构成的材料，其等效的角向磁导率μ_φ>0，等效的径向磁导率μ_r<0，等效z向电导率ε_z>0。依据色散关系式：

角向波矢k_φ和径向波矢k_r满足双曲色散关系，如图2(a)所示，因此角向波矢k_φ可以取很大、且仍然能维持传输波形式（因为与k_φ对应的k_r始终为实数）。依据测不准原理：横向宽度Δx与角向波矢范围2k_φmax之间满足Δx.2k_φmax≈2π，因此决定聚焦微波束大小的Δx可以很小。作为对比，我们给出了普通透镜的波矢色散图，如图2(b)所示，由于在真空中角向波矢k_φ和径向波矢k_r满足圆形关系，因此传输波的波矢束缚在圆圈之内，传输波的角向波矢k_φ不能超过k₀，因此无法实现超分辨率聚焦。

在上述的一种微波超分辨率聚焦装置，所述微波准直器包括一块微波准直透镜以及一个由两个金属板组合成的漏斗形聚光器，所述的漏斗形聚光器的入口端对应微波发生器，出口端得到准直扩束后的平面波，所述的微波准直透镜采用一块平凸透镜，并设置在漏斗形聚光器的出口端。

在上述的一种微波超分辨率聚焦装置，所述的微波聚焦透镜是一块和微波准直透镜相同的平凸透镜，其平面与微波准直透镜的平面紧贴。

在上述的一种微波超分辨率聚焦装置，所述超分辨率匹配透镜是由多层具有周期排布的弧形环氧板构成，所述弧形环氧板上均匀设有若干矩形金属框，每个矩形金属框一端开口，各层弧形环氧板构成同心圆环，且圆心位置与微波聚焦透镜的聚焦点重合；所述金属材料为铜。

在上述的一种微波超分辨率聚焦装置，微波聚焦透镜的材料为锗。

在上述的一种微波超分辨率聚焦装置，匹配透镜的金属层为金属铜，且匹配透镜在柱坐标系下的电磁参数满足：等效角向磁导率μ_θ>0，等效径向磁导率μ_φ<0，等效z向电导率ε_z>0。

在上述的一种微波超分辨率聚焦装置，所述的漏斗形聚光器的长度等于微波准直透镜的焦距。

在上述的一种微波超分辨率聚焦装置，所述漏斗形聚光器的出口端的宽度与微波准直透镜的口径相同，入口端宽度与微波发生器出射波导的宽度相同。

因此，本发明具有如下优点：1、本发明将匹配透镜放置在聚焦透镜焦面附近，因此可将角向波矢超过k₀的传输波传递到聚焦透镜的焦面附近，是实现超分辨率聚焦的重要理论和技术方法的突破；2、本发明所涉及的装置由普通材料构成的扩束喇叭、微波准直透镜、聚焦透镜和匹配透镜组成，因此具有结构简单、易于实现、可靠性高等优点。

附图说明

图1是本发明的微波超分辨率聚焦装置的主视结构示意图。

图2是图1的一种立体结构示意图。

图3是图1中的超分辨率匹配透镜的一种立体结构示意图。

图4是图3超分辨率匹配透镜中矩形金属框的放大结构示意图（其中，边框为金属铜的材质）。

图5a是本发明涉及的双曲材料的波矢色散曲线。

图5b是本发明涉及的普通材料的波矢色散曲线。

图6是本发明中实施例给出的微波聚焦透镜加匹配透镜的聚焦结构经模拟仿真得到的电场分布图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，漏斗形聚光器1，微波准直透镜2，微波聚焦透镜3，超分辨率匹配透镜4，吸波材料5，k_φ为角向波矢，k_r为径向波矢，k₀为真空中的波矢。

实施例：

本发明聚焦装置的目的是将入射的准直微波波束聚焦成超越衍射极限的尺寸，具体实施工作分三步：

首先设计微波准直器。微波准直器由两部分组成：漏斗形聚光器1和一块平凸微波准直透镜2。漏斗形聚光器1的作用是收集发散的微波束，因此要求其长度与平凸透镜2的焦距相同，喇叭口的长边宽度与平凸透镜2的口径相同，短边宽度与微波发生器出射波导的宽度相同。微波准直透镜2的作用是将入射的发散波面转化为平面波。微波准直透镜的主要参数包括通光口径D、焦距F，设计时要求通光口径D能包络准直光束，以减小能量损失。微波准直透镜一般是采用光学软件进行优化设计，采用非球面透镜结构能使透镜像差达到衍射极限。

其次是设计一个微波聚焦透镜3，按照之前的讨论，微波聚焦透镜3与微波准直透镜2相同。焦距F决定着透镜后表面与焦面的距离。

最后是设计超分辨率匹配透镜4，使会聚球面波的波矢逐级放大，最终实现超分辨率聚焦。超分辨率匹配透镜4是由很薄的开口环周期排布而成，如图1所示。各层材料均为半圆柱结构，圆心位于微波聚焦透镜3焦面的轴上点处，每层材料的圆心均重合。

超分辨率匹配透镜4中的开口环周期结构一般采用电磁仿真软件设计，要求在柱坐标系下满足：

从制造上讲，微波聚焦透镜3可采用传统光学加工工艺制造，超分辨率匹配透镜4可采用微电子制版工艺制造。

本实施例为采用线宽为0.15mm的金属铜构造的超分辨率匹配透镜4对微波波束实施超分辨聚焦的过程。

首先利用光学软件设计出微波准直透镜2。本实例使用的平凸透镜通光口径为180mm，焦距180mm，材料的折射率为1.5969。

微波聚焦透镜3与微波准直透镜2相同。

然后设计并组装微波超分辨率匹配透镜4。超分辨率匹配透镜4的圆心位置与平凸透镜3的焦点重合。本实例中匹配透镜4的基底材料为FR-4环氧板，金属材料为铜，匹配透镜4由17层开口环组成，最大外环直径为100mm，每层基底材料厚度为0.25mm，开口环的线宽为0.15mm，HFSS仿真软件计算表明该匹配透镜的主要电磁参数为：ε_z＝5.12,μ_r＝-1.93,满足了的技术要求。

采用Comsol3.5软件模拟了本专利提出的微波超分辨率聚焦装置的聚焦情况。模拟中的微波频率为10GHz，图3给出了模拟得到的微波(TE模)经过混合聚焦装置的电场在匹配透镜焦面处的横截面分布，可以看出，在透镜焦面附近，匹配透镜中的聚焦波束始终局域在焦点附近，可实现的聚焦波束尺寸为8.6mm，远远小于衍射受限所决定的聚焦大小值(本实施例中微波聚焦透镜的聚焦尺寸约为38mm)，实现了超分辨率聚焦。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了漏斗形聚光器1，微波准直透镜2，微波聚焦透镜3，超分辨率匹配透镜4，吸波材料5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (2)

1.一种微波超分辨率聚焦装置，其特征在于，包括：

一微波准直器：对入射微波的扩束与准直；

一微波聚焦透镜：接收经过微波准直器的入射微波并将微波平面波束转变为会聚波束；

以及一超分辨率匹配透镜：对会聚波束实现超分辨率聚焦，形成亚波长量级的聚焦点；

所述微波准直器包括一块微波准直透镜以及一个由两个金属板组合成的漏斗形聚光器，所述的漏斗形聚光器的入口端对应微波发生器，出口端得到准直扩束后的平面波，所述的微波准直透镜采用一块平凸透镜，并设置在漏斗形聚光器的出口端；

所述的微波聚焦透镜是一块和微波准直透镜相同的平凸透镜，其平面与微波准直透镜的平面紧贴；

所述超分辨率匹配透镜是由多层具有周期排布的弧形环氧板构成，所述弧形环氧板上均匀设有若干矩形金属框，每个矩形金属框一端开口，各层弧形环氧板构成同心圆环，且圆心位置与微波聚焦透镜的聚焦点重合；所述金属材料为铜；

所述微波聚焦透镜的材料为锗；

匹配透镜的金属层为金属铜，且匹配透镜在柱坐标系下的电磁参数满足：等效角向磁导率μ_θ>0，等效径向磁导率μ_φ<0，等效z向电导率ε_z>0；

所述的漏斗形聚光器的长度等于微波准直透镜的焦距；

采用线宽为0.15mm的金属铜构造的超分辨率匹配透镜对微波波束实施超分辨聚焦的过程；

微波准直透镜使用的平凸透镜通光口径为180mm，焦距180mm，材料的折射率为1.5969；

微波聚焦透镜与微波准直透镜相同；

超分辨率匹配透镜的圆心位置与平凸透镜的焦点重合，匹配透镜的基底材料为FR-4环氧板，金属材料为铜，匹配透镜由17层开口环组成，最大外环直径为100mm，每层基底材料厚度为0.25mm，开口环的线宽为0.15mm，电磁参数为：ε_z＝5.12,μ_r＝-1.93,满足了ε_z>0,μ_r<0,的技术要求。

2.根据权利要求1所述的一种微波超分辨率聚焦装置，其特征在于，所述漏斗形聚光器的出口端的宽度与微波准直透镜的口径相同，入口端宽度与微波发生器出射波导的宽度相同。