CN108593088B - 一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统 - Google Patents

一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，该纹影系统包括光源(1)、菲涅尔透镜(2)、环形源栅(3)、内部充满介质水的聚焦超声谐振腔(4)、光学玻璃封装(6)、聚焦透镜(7)、环形刀口栅(8)和成像系统(9)；菲涅尔透镜对光源进行聚焦，菲涅尔透镜聚焦后的光束照射到环形源栅后透射形成同心圆环的透射光束，透射光束辐射到被聚焦超声场扰动的介质水中后发生偏折，经偏折后的光束由聚焦透镜聚焦，聚焦透镜聚焦后的光束照射到环形刀口栅上，经环形刀口栅滤波后照射到成像系统(9)。本发明在聚焦纹影系统中采用二维环形源栅和环形刀口栅，对二维和三维扰动成像，实现球形聚焦超声场定性和定量表征。

Description

一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统
技术领域
本发明涉及在聚焦纹影系统，具体涉及一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统。
背景技术
聚焦超声驻波场是一种三维空间能量场。在充满脱气水、两端开口、由光学玻璃封装的球腔内，球腔表面的压电换能器发射的超声波，当频率满足谐振条件时，在球腔内形成超声驻波场。对该球形聚焦超声场信息的表征，如波腹和波节的间距、超声波波长、介质的密度分布以及腔内的声压分布均存在一定的难度。常规纹影系统用激光扩束形成平面光源表征平面超声场，但在表征聚焦超声场特征时，平行光穿过聚焦超声场后，得到的纹影图像是光穿过的超声场的积分成像，不能反映超声场的细节、局部信息。
开口球腔内的球形聚焦超声驻波场，使介质水的密度形成了疏密相间的分布；在会聚超声的焦点附近，因超声的压缩，介质水的密度变化更为显著；同时，由于聚焦超声的会聚作用，声焦域的能量密度很高而形成高声压区域。在扩展光源的聚焦纹影系统中，采用一维线源栅和环形刀口栅，已实现了对直线扰动流场的二维分布特征进行了表征。由于球形聚焦驻波超声场将引起水介质在三维空间的周期分布，一维线源栅、环形刀口栅的滤波作用，在二维成像面上将会导致垂直于线栅方向上的聚焦驻波声场信息缺失，而不能完整表征聚焦超声驻波场特征。
传统的声压检测方式是将光纤水听器置于超声场中，对声场进行扫描式测量，并探测焦域声压。这种接触式的测量方式虽然直接方便，但由于光纤进入声场使聚焦超声场的完整性破坏。
虽然常规的纹影成像和现有的聚焦纹影系统都是非接触式的检测方法，但是也不能满足聚焦超声驻波场信息，如声场分布特征、声焦域密度、声压表征的需求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，用于解决在二维成像面上将会导致垂直于线栅方向上的聚焦驻波声场信息缺失，而不能完整表征聚焦超声驻波场特征的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，该纹影系统包括光源1、菲涅尔透镜2、环形源栅3、内部充满介质水的聚焦超声谐振腔4、光学玻璃封装6、聚焦透镜7、环形刀口栅8和成像系统9；
菲涅尔透镜对光源进行聚焦，菲涅尔透镜聚焦后的光束照射到环形源栅后透射形成同心圆环的透射光束，透射光束辐射到被聚焦超声场扰动的介质水中后发生偏折，经偏折后的光束由聚焦透镜聚焦，聚焦透镜聚焦后的光束照射到环形刀口栅上，经环形刀口栅滤波后照射到成像系统9。
优选地，所述光源为连续光谱的扩展光源。
优选地，所述环形源栅是中心为明环且由明环、暗环交替排列从中心向外延伸，形成明暗相间的同心圆环结构。
优选地，所述环形源栅的明环的宽度与暗环的宽度相等。
优选地，所述环形刀口栅是中心为暗环且由暗环、明环交替排列，从中心向外延伸形成明暗相间的同心圆环结构。
优选地，所述环形刀口栅的明环的宽度与暗环的宽度不相等。
优选地，所述环形源栅与刀口栅明环、暗环宽度之和相同。
优选地，所述环形源栅的明环宽度大于环形刀口栅的明环宽度；所述环形源栅的暗环宽度小于环形刀口栅的暗环的宽度。
优选地，所述环形源栅、焦超声谐振腔、聚焦透镜和环形刀口栅同轴设置。
如上所述，本发明的一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，具有以下有益效果：
1、对球形聚焦超声场利用光学系统实现了非接触式表征；
2、源栅和环形刀口栅设计为明暗相间的、二维的同心圆环；
3、该聚焦纹影系统对垂直于光轴不同截面的超声场在较小的景深范围成像，能真实的反映聚焦超声场的特征信息；
4、提取不同位置截面的超声场的像的信息，并进行重构，可以实现对介质水中球形聚焦超声场的三维空间分布的完全重现。
附图说明
图1为环形源栅示意图；
图2为环形环形刀口栅示意图；
图3为环形栅聚焦纹影系统结构示意图。
附图编号说明
1为光源、2为菲涅尔透镜、3为环形源栅、4为聚焦超声谐振腔、5为聚焦超声波、6为光学玻璃封装、7为聚焦透镜、8为环形刀口栅、9为成像系统。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图3，本发明提供本发明提供一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，该纹影系统包括光源1、菲涅尔透镜2、环形源栅3、内部充满介质水的聚焦超声谐振腔4、光学玻璃封装6、聚焦透镜7和环形刀口栅8；两光学玻璃封装相对设置于聚焦超声谐振腔4两侧使得聚焦超声谐振腔具有一光学通道，所述菲涅尔透镜、环形源栅、聚集超声谐振腔、聚焦透镜和环形刀口栅同轴设置。所述环形源栅与聚焦透镜的距离等于环形刀口栅与聚焦透镜的距离。
菲涅尔透镜对光源进行聚焦，菲涅尔透镜聚焦后的光束照射到环形源栅后透射形成同心圆环的透射光束，透射光束辐射到被聚焦超声波5扰动的介质水，由于超声驻波使介质水的密度形成疏密分布，经流场后光束将会发生偏折。经偏折后的光束由聚焦透镜聚焦，聚焦透镜聚焦后的光束照射到环形刀口栅上，经环形刀口栅滤波后照射到成像系统9的像平面上。环形刀口栅与像平面的距离可根据物像关系确定，在屏上呈现出超声场的二维图像。成像系统获得的图像，通过算法进行对图像信息进行处理，可以计算出图像灰度与介质密度的对应关系，反映球形聚焦超声驻波的波节和波腹位置和间距、焦域的声压分布信息。
优选地，所述光源为连续光谱的扩展光源。连续光谱的扩展光源消除了光源自身的衍射效应，经菲涅尔透镜会聚，增强了环形源栅面上的光照度。
于本实施例中，所述菲涅尔透镜由树脂材料制备而成。
如图1所示，所述环形源栅是中心为明环且由明环、暗环交替排列从中心向外延伸形成明暗相间的同心圆环结构；具体地，所述环形源栅的明环的宽度与暗环的宽度相等。
如图2所示，所述环形刀口栅是中心为暗环且由暗环、明环交替排列，从中心向外延伸形成明暗相间的同心圆环结构；所述环形刀口栅的明环的宽度与暗环的宽度不相等；具体地，环形刀口栅的暗环宽度大于明环的宽度。
所述环形源栅与刀口栅明环、暗环宽度之和相同。
所述环形源栅的明环宽度大于环形刀口栅的明环宽度；所述环形源栅的暗环宽度小于环形刀口栅的暗环的宽度。环形刀口栅的暗环的宽度大于明环的宽度。
环形源栅的明环与环形刀口栅的明环间距不同，使透镜透射的光束经环形刀口栅后实现滤波效果，增强图像对比度。
本发明的突出效果是，在聚焦纹影系统中采用二维环形源栅和环形刀口栅，对二维和三维扰动成像，实现球形聚焦超声场进行定性和定量表征。聚焦纹影系统的优势是可以对在垂直于光轴的不同截面扰动场在较小的景深范围内进行成像，而像平面由物像关系可以确定。在聚焦纹影系统中，设计二维环状的源栅和环形刀口栅，并使源栅在环形刀口栅平面上的像与环形刀口栅满足特定的相对关系实现滤波。球形聚焦超声使介质水产生三维扰动后，在该聚焦纹影系统中，通过对介质水在垂直于光轴方向的平面成像，得到介质水中聚焦超声场的特征信息。对介质水中不同平面上的超声场分别进行成像，从这些图像信息中分别提取出聚焦超声场的信息，对信息进行重构，即获得聚焦超声驻波在介质水中的三维空间分布特征。这种非接触式的光学系统球形聚焦超声表征方法，不会影响声场的完整性，并实现了在二维、三维空间对聚焦超声驻波场的表征。
由连续光谱的扩展光源消除了光源自身的衍射效应，经菲涅尔透镜会聚，增强了环形源栅面上的光照度。从源栅出射的环状同心光束穿过内部充满介质水的聚焦超声谐振腔4球形聚焦超声场后，通过聚焦透镜聚焦再次会聚并成像。在环形刀口栅平面上，环形源栅等大的明环像被环形刀口栅的暗环遮挡一部分实现滤波，以增强图像对比度，并在像平面上呈现出图像。
在该光路中，聚焦透镜实现成像，源栅平面与环形刀口栅平面共轭，并且源栅被成像为等大的实像，故l＝2f(f为聚焦透镜的焦距)，l’＝2f。聚焦超声场被成像的物平面OP与像平面IP共轭，其相互关系可以由透镜成像的物像有关系决定：1/L+1/L’＝1/f。
像平面上的图像信息可以反映聚焦超声场的基本信息；当用照相机进行成像，然后对灰度图像的信息提取和处理，可以获得聚焦超声场中介质密度分布，进而表征场中的声压分布。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，其特征在于，该纹影系统包括光源(1)、菲涅尔透镜(2)、环形源栅(3)、内部充满介质水的聚焦超声谐振腔(4)、光学玻璃封装(6)、聚焦透镜(7)、环形刀口栅(8)和成像系统(9)；
菲涅尔透镜对光源进行聚焦，菲涅尔透镜聚焦后的光束照射到环形源栅后透射形成同心圆环的透射光束，透射光束辐射到被聚焦超声场扰动的介质水中后发生偏折，经偏折后的光束由聚焦透镜聚焦，聚焦透镜聚焦后的光束照射到环形刀口栅上，经环形刀口栅滤波后照射到成像系统(9)；所述环形源栅是中心为明环且由明环、暗环交替排列从中心向外延伸，形成明暗相间的同心圆环结构；所述环形刀口栅是中心为暗环且由暗环、明环交替排列，从中心向外延伸形成明暗相间的同心圆环结构。
2.根据权利要求1所述的一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，其特征在于，所述光源为连续光谱的扩展光源。
3.根据权利要求1所述的一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，其特征在于，所述环形源栅的明环的宽度与暗环的宽度相等。
4.根据权利要求1所述的一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，其特征在于，所述环形刀口栅的明环的宽度与暗环的宽度不相等。
5.根据权利要求1所述的一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，其特征在于，所述环形源栅与刀口栅明环、暗环宽度之和相同。
6.根据权利要求1所述的一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，其特征在于，所述环形源栅的明环宽度大于环形刀口栅的明环宽度；所述环形源栅的暗环宽度小于环形刀口栅的暗环的宽度。
7.根据权利要求1所述的一种表征球形聚焦超声场的聚焦纹影系统，其特征在于，所述环形源栅、焦超声谐振腔、聚焦透镜和环形刀口栅同轴设置。
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