CN112326804A - 一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，包括脉冲光源、空间光调制器和吸光薄膜，所述空间光调制器将所述脉冲光源发射的脉冲光的空间分布改变使得所述脉冲光部分照射到所述吸光薄膜，所述吸光薄膜将照射到其上的脉冲光吸收光能后产生光声效应并激发超声波，通过控制所述空间光调制器的开关、延时实现相控阵超声发射。本发明的相控阵超声发射系统结构简单、可实现性好、成本低，产生的超声波信号频率高、带宽高、可调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声发射系统，具体涉及一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统。
背景技术
超声技术广泛应用于无损检测、生物医学成像、通讯与定位等领域。超声检测时，如需对某一区域进行成像，必须进行声束扫描。采用机械旋转的方式进行扫描，结构复杂，扫描速度慢，目前主流的扫描方法一般采用相控阵技术。相控阵的工作原理为，对于阵列式的超声发射单元，按照一定的规律对各单元发射信号进行相位延迟，可以控制合成波阵面的指向，超声发射阵列无需进行机械旋转，即可实现波束偏转。
传统的相控阵超声发射系统，采用压电换能器作为阵列基本单元，每个单元需连接一个单独的高压信号进行控制，系统复杂，成本高。另外，压电换能器产生超声脉冲的中心频率和带宽是固定的，无法调节，难以满足不同应用对分辨率、穿透力的需求。
相比于传统的压电换能器件，光声效应能产生高频、可调节的超声波。当用光照射吸收体时，吸收体中的分子吸收光子后，释放的热量导致吸收体局部温度升高，热膨胀而产生压力波，这就是光声信号。当激发光为脉冲光，可以激发出超声波。当吸光体的吸收系数足够高时，超声波的中心频率与脉冲光的脉宽成反比。用来激发超声信号的光源可以是脉冲激光，也可以是脉冲式的LED光源和闪光灯。对于激光，目前既有脉宽固定的皮秒、纳秒激光器，也有脉宽可调的纳秒激光器，这为产生高频率、可调谐的超声波提供了条件。
目前已报道的利用光声效应的相控阵超声发射系统往往需要多台激光器为每一个阵列单元提供单独的驱动信号（例如申请号201811112908.6），系统结构复杂，可实现性差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构简单、可实现性好、成本低的脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，产生的超声波信号带宽高、可调节。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，包括脉冲光源、空间光调制器和吸光薄膜，所述空间光调制器将所述脉冲光源发射的脉冲光的空间分布改变使得所述脉冲光部分照射到所述吸光薄膜，所述吸光薄膜将照射到其上的脉冲光吸收光能后产生光声效应并激发超声波，通过控制所述空间光调制器的开关、延时实现相控阵超声发射。
进一步地，所述空间光调制器为可开关的光学单元阵列，若打开某个单元，则入射到该单元的光可以顺利通过，照射到吸光薄膜上；若关闭某个单元，则入射到该单元的光无法照射到吸光薄膜上。
进一步地，所述空间光调制器可以为透射式光学开关阵列。
进一步地，所述透射式光学开关阵列包含M×N个可开关单元，第i行第j列的单元记为（i, j），每一个开关单元按照形成超声波波形所对应的形成时序依次开关。
进一步地，所述空间光调制器可以为反射式数字微镜器件。
进一步地，所述反射式数字微镜器件的光学阵列中的每个单元均为一个可调节角度的微型反射镜，在偏转某一正角度时，所述脉冲光可反射到吸光薄膜上，此时该单元的状态为“开”，在偏转某一负角度时，所述脉冲光被反射到其他方向，无法到达所述吸光薄膜，此时该单元的状态为 “关”。
进一步地，所述脉冲光源为脉冲激光、脉冲LED光源或闪光灯。
进一步地，所述脉冲光源的脉冲宽度可变。
进一步地，所述吸光薄膜采用吸光性强的材料制成。
本发明的有益效果有：
（1）相比于传统压电式相控阵超声发射系统，本发明利用光声效应产生超声波，产生的超声波信号频率高、带宽高、可调节。
（2）本发明只需一个脉冲光源，通过控制空间光调制器每个单元的开关、延时，即可实现相控阵超声发射，成本低，更易实现。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1的相控阵超声发射系统的原理示意图。
图2为本发明实施例1的透射式光学开关阵列俯视图。
图3为本发明实施例1的透射式光学开关阵列的开关时序。
图4为本发明实施例1产生的超声波面示意图。
图5为本发明实施例2的相控阵超声发射系统的原理示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，包括脉冲光源1、空间光调制器和吸光薄膜3。所述脉冲光源1为脉冲激光、脉冲LED光源或闪光灯，所述脉冲光源1的脉冲宽度可变。所述吸光薄膜3采用吸光性强的材料制成。所述空间光调制器为透射式光学开关阵列2。
所述脉冲光源1发射的脉冲光4射入空间光调制器，所述空间光调制器将所述脉冲光源1发射的脉冲光4的空间分布改变使得所述脉冲光4部分照射到所述吸光薄膜3，所述吸光薄膜3将照射到其上的部分脉冲光5吸收光能后产生光声效应并激发超声波6，通过控制所述空间光调制器的开关、延时实现相控阵超声发射。
如图1所示，所述透射式光学开关阵列2包含多个可开关的光学单元，若打开某个单元，则入射到该单元的脉冲光4可以顺利通过，按照光线5的路径，照射到所述吸光薄膜3上；若关闭某个单元，则入射到该单元的脉冲光4无法照射到所述吸光薄膜3上。所述吸光薄膜3吸收了光线5之后，可发射超声波6。
如图2所示，本实施例的透射式光学开关阵列2包含N×N个可开关单元，按照图示坐标进行命名，第i行第j列的单元记为（i, j）。按照一定的规律对每个单元进行延时开关，可以实现相控阵超声发射。本实施例中，要形成如图4所述的超声波波形，根据形成超声波波形所对应的形成时序，每一个开关单元的开关时序如下：如图3所示，坐标为（1, 1）、（1,2）、……、（1, N）的第1列光学单元在t 1时刻打开，坐标为（2, 1）、（2, 2）、……、（2, N）的第2列光学单元在t 2时刻打开，以此类推，第N列光学单元在t N时刻打开，相邻两列单元开启的时间延迟为Δt，即Δt= t 2 - t 1= t 3 - t 2=……= t N - t N-1。按照图3的时序进行开关控制，可以实现从第1列到第N列方向的扫描，形成如图4所示的波阵面7，波阵面7与所述吸光薄膜3之间会偏转一个角度θ，而超声波面偏转角θ由时间延迟Δt决定，改变Δt可以调整超声波偏转角度θ，实现扫描。
所述透射式光学开关阵列2也可按照其他时序，系统可以实现不同方向的扫描、聚焦等功能，从而实现超声波信号的调节。
实施例2
如图5所示，一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，包括脉冲光源1、空间光调制器和吸光薄膜3。所述脉冲光源1为脉冲激光、脉冲LED光源或闪光灯，所述脉冲光源1的脉冲宽度可变。所述吸光薄膜3采用吸光性强的材料制成。所述空间光调制器为为反射式数字微镜器件（DMD）8。
所述脉冲光源1发射的脉冲光4射入空间光调制器，所述空间光调制器将所述脉冲光源1发射的脉冲光4的空间分布改变使得所述脉冲光4部分照射到所述吸光薄膜3，所述吸光薄膜3将照射到其上的部分脉冲光5吸收光能后产生光声效应并激发超声波6，通过控制所述空间光调制器的开关、延时实现相控阵超声发射。
如图5所示，DMD 8为反射式的光学器件，DMD 8阵列中的每个单元均为一个可调节角度的微型反射镜。在本实施例中，DMD 8 的角度可以为+12°或-12°，可以通过合理的光路设计，使得DMD 8单元在偏转+12°时，脉冲光4可以反射到所述吸光薄膜3上，此时该单元的状态为“开”；在偏转-12°时，脉冲光4被反射到其他方向，无法到达所述吸光薄膜3，此时该单元的状态为 “关”。 所述吸光薄膜3吸收了光线5之后，可发射超声波6。
从上述实施例可以看出，相比于传统压电式相控阵超声发射系统，本发明利用光声效应产生超声波，产生的超声波信号频率高、带宽高、可调节。另外，本发明只需一个脉冲光源，通过控制空间光调制器每个单元的开关、延时，即可实现相控阵超声发射，成本低，更易实现。
上述说明是示例性的而非限制性的。通过上述说明本领域技术人员可以意识到本发明的许多种改变和变形，如开关阵列的改变、开关阵列时序的改变、反射式的光学器件偏转角度的改变，也将落在本发明的实质和范围之内。
Claims (9)
1.一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，包括脉冲光源、空间光调制器和吸光薄膜，所述空间光调制器将所述脉冲光源发射的脉冲光的空间分布改变使得所述脉冲光部分照射到所述吸光薄膜，所述吸光薄膜将照射到其上的脉冲光吸收光能后产生光声效应并激发超声波，通过控制所述空间光调制器的开关、延时实现相控阵超声发射。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，所述空间光调制器为可开关的光学单元阵列，若打开某个单元，则入射到该单元的光可以顺利通过，照射到吸光薄膜上；若关闭某个单元，则入射到该单元的光无法照射到吸光薄膜上。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，所述空间光调制器为透射式光学开关阵列。
4.根据权利要求3所述的一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，所述透射式光学开关阵列包含M×N个可开关单元，第i行第j列的单元记为（i, j），每一个开关单元按照形成超声波波形所对应的形成时序依次开关。
5.根据权利要求2所述的一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，所述空间光调制器为反射式数字微镜器件。
6.根据权利要求5所述的一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，所述反射式数字微镜器件的光学阵列中的每个单元均为一个可调节角度的微型反射镜，在偏转某一正角度时，所述脉冲光可反射到吸光薄膜上，此时该单元的状态为“开”，在偏转某一负角度时，所述脉冲光被反射到其他方向，无法到达所述吸光薄膜，此时该单元的状态为 “关”。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，所述脉冲光源为脉冲激光、脉冲LED光源或闪光灯。
8.根据权利要求7所述的一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，所述脉冲光源的脉冲宽度可变。
9.根据权利要求1所述的一种脉冲光驱动的相控阵超声发射系统，其特征在于，所述吸光薄膜采用吸光性强的材料制成。
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| CN114389709A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-22 | 之江实验室 | 一种脉宽调频光驱动的声波发射器及调制方法 |
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| CN111505116A (zh) * | 2020-04-25 | 2020-08-07 | 西安交通大学 | 基于空间调制激光超声声谱的材料近表面宏微观缺陷一体化超声检测方法 |
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