CN115867393A - 混合超声波换能器阵列 - Google Patents

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Abstract

超声装置可以包括超声波换能器阵列，该超声波换能器阵列包括第一类型的一个或更多个阵元和不同于第一类型的第二类型的一个或更多个阵元。第一类型可以包括配置为传输声波的换能器。第二类型可以包括光学传感器。第一类型和第二类型的阵元配置成检测与发射的声波对应的声回波。

Description

混合超声波换能器阵列
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年5月22日提交的美国专利申请第63/029,044号的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及超声波的领域，并且具体地涉及能够使用包括光学传感器和其他换能器阵列的混合的阵列来实现超声波换能的方法和装置。
背景技术
由于许多优点，超声波换能器用于包括医学成像和医学诊断在内的各个行业。例如，超声波换能利用具有显著穿透深度的超声波信号。此外，已知超声波成像是一种有利地非侵入式成像形式，因为它基于非电离辐射。
用于超声波成像的各种已知超声波换能器具有许多缺点。例如，一些超声波换能器由压电材料制成，例如锆钛酸铅(PZT)。然而，PZT材料的6dB带宽通常仅限于约70％。一些复合PZT材料的带宽略有增加，但仍只能达到约80％的带宽。作为另一实施例，单晶材料已越来越多地用于提高超声波探头的性能，但其居里温度较低且易碎。另一种类型的换能器材料是硅，可对其进行加工以构建可增加带宽的电容式微机械超声波换能器(CMUT)探头。但是，CMUT探头不是很灵敏或不可靠。此外，CMUT探头有几个操作限制。例如，CMUT探头是非线性换能器，因此通常不适用于谐波成像。此外，CMUT探头需要额外的偏置电压才能正常工作。因此，需要超声波换能用的新的和改进的装置和方法。
发明内容
通常，在一些实施方式中，用于对目标进行成像的装置可以包括超声波换能器阵列，该超声波换能器阵列包括第一类型的一个或更多个阵元和不同于第一类型的第二类型的一个或更多个阵元。第一类型可以是配置为传输声波的换能器(例如，压电换能器或电容式微机械超声波换能器(CMUT))，并且第二类型可以是光学传感器(例如，基于干涉的光学传感器，诸如光学谐振器、光学干涉仪等)。第一类型和第二类型的阵元配置成检测与发射的声波对应的声回波。
在一些变体中，超声波换能器阵列可以在仰角维度上包括一排或更多排。例如，超声波换能器阵列可以包括奇数排或偶数排。
在一些变体中，第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元位于交替的排中。在一些配置中，第一类型的阵元的至少一部分可以位于中心排。在一些配置中，第二类型的阵元的至少一部分可以位于中心排。
阵元可以彼此以各种合适的间距排列成阵列。例如，在一些变体中，至少一排具有大于(例如，在该排中)换能器中心频率波长的一半的间距。在一些变体中，至少一排可以具有小于或等于(例如，在该排中)换能器中心频率的波长的一半的间距。在一些变体中，阵列可以包括在横向维度上具有相等间距的排。或者，在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括在横向维度上具有第一间距的至少一排，以及在横向维度上具有与第一间距不同的第二间距的至少一排。例如，在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括具有第一间距的内部排和具有第二间距的与内部排相邻的排，其中第二间距可以大于第一间距。在一些变体中，具有第一间距的内部排可以包括第一类型的一个或更多个阵元，并且与具有第二间距的内部排相邻的排可以包括第二类型的一个或更多个阵元。
此外，在一些变体中，间距在一排内可能各不相同，因为超声波换能器阵列可以包括在横向维度上具有可变间距的至少一排。例如，所述具有可变间距的至少一排可以包括具有第一间距的中心区域，以及与所述中心区域相邻的具有大于所述第一间距的第二间距的横向区域。在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括在横向维度上具有第一可变间距图案的第一排和在横向维度上具有第二可变间距图案的第二排，其中第二可变间距图案可以不同于第一可变间距模式。例如，在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括具有包括第一类型的一个或更多个阵元的第一可变间距图案的内部排，以及具有包括第二类型的一个或更多个阵元的第二可变间距图案的与内部排相邻的排。
第一和第二类型的阵元可以布置在超声波换能器阵列的不同排中。例如，在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括至少一排，该排包括第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元。所述至少一排包括第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元可能是一个中心排。在一些变体中，中心排有第二类型的单个阵元。第二类型的单个阵元可能包括一种光学传感器，它可以大约等于或小于所发射得声波的波长。
在一些变体中，第一类型和第二类型的阵元可以布置在超声波换能器阵列的同一排中。例如，在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括中心排，该中心排包括一组第一类型的阵元和一组第二类型的阵元。例如，第二类型的阵元的大小可以大约等于或小于所发射的声波的波长。在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括两排或更多排，两排或更多排中的各排包括第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元。第二类型的阵元可以在空间上以规则图案分布。第二类型的阵元可以在空间上以不规则图案分布。在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括至少31排，该31排中的至少一些包括第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元。在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括单排，单排包括第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元。
在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括一组子孔径。该组子孔径可以包括第一子孔径和第二子孔径，第一子孔径包括比第二子孔径更多的排数。在一些变体中，第一子孔径可以中央子孔径和第二子孔径可以与中央子孔径相邻。在一些变体中，至少一个子孔径可以包括第一类型的至少一个阵元和/或第二类型的至少一个阵元。
在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括第一类型的第一组阵元和第二类型的第二组元件，其中第一组阵元和第二组阵元均处于稀疏阵列配置中。第一组阵元的空间分布可以不同于第二组阵元的空间分布。
超声波换能器阵列可以在基板或其他合适的表面上。在一些变体中，超声波换能器阵列可以在一个平面表面上。在一些变体中，超声波换能器阵列可以在一个曲线表面上。曲面可以是抛物曲线、双曲线或椭圆曲线。
在一些变体中，超声波换能器阵列可以包括至少一个环形阵元。超声波阵列可以包括与至少一个环形阵元同心的第二类型的圆形阵元。在一些变体中，至少一个环形阵元可以为第一类。
超声波换能器阵列可以是1维(1D)阵列、1.25维(1.25D)阵列、1.5维(1.5D)阵列、1.75维(1.75D)阵列或2维(2D)阵列。
在一些变体中，一个或更多个阵元是嵌入聚合物结构中的光学传感器。这光学传感器可以光耦合到光纤以将一组光信号传输到光电探测器。光学传感器可以配置为响应于声回波传输该组光信号。
附图说明
图1是具有混合超声波换能器阵列的示例性超声波成像系统的框图。
图2是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图3是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图4是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图5是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图6是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图7是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图8是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图9是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图10是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图11是示例性1D混合超声波换能器阵列的示意图。
图12是示例性2D混合超声波换能器阵列的示意图。
图13是示例性2D混合超声波换能器阵列的示意图。
图14是示例性环形混合超声波换能器阵列的示意图。
图15是示例性混合超声波换能器阵列的示意图。
图16描绘了示例性1D混合超声波换能器阵列的仰角波束图案(elevation beampattern)。
图17描绘了示例性1D和1.5D混合超声波换能器阵列的仰角波束图案。
图18是示例性波束图案的说明性示意图。
具体实施方式
在本文中描述了并在附图中图示了本发明的各个方面和变体的非限制性示例。
本文描述的是具有混合超声波换能器阵列的超声波探头，该混合超声波换能器阵列包括多种不同类型的阵元。本文所述的混合阵列包括第一类型的一个或更多个阵元和不同于第一类型的第二类型(例如，光学传感器、基于干涉的光学传感器、光学谐振器、光学干涉仪等)的一个或更多个阵元。与其他类型的超声传感器相比，诸如WGM光学谐振器的光学传感器在接收超声波信号时可以具有高灵敏度和宽带宽。第一类型(例如，换能器)的一个或更多个阵元可用于形成第一图像。并行地，第二类型(例如，光学传感器)的一个或更多个阵元用于检测可用于形成第二图像的声回波。由高灵敏度和宽带光学传感器生成的第二图像可以单独使用，或者可以与第一图像组合以形成更进一步改进的图像。由于光学传感器的高灵敏度和宽带宽，由光学传感器产生的图像可以具有改进的空间分辨率、改进的穿透深度、改进的信噪比(SNR)、改进的组织谐波成像和/或改进的多普勒灵敏度。
本文所述的光学传感器可以包括基于干涉的光学传感器，诸如光学谐振器、光学干涉仪等。光学谐振器可以包括，例如，回音壁模式(WGM)光学谐振器、微泡光学谐振器、微球谐振器、微型环形谐振器、微环谐振器、微盘光学谐振器和/或诸如此类。
光学谐振器可以包括允许一些准许频率的光在闭环内连续传播，并且将准许频率的光的光能存储在闭环中。例如，光学谐振器可以允许回音壁模式(WGM)的传播穿过光学谐振器的凹面并且对应于准许频率以在谐振器的圆周上循环。来自WGM的每个模式对应于来自准许频率的光的光频率的传播。本文所述的光谐振器的准许频率的光和品质因数可以至少部分地基于光学谐振器的几何参数、透明介质的折射率和光学谐振器周围环境的折射率。
光学干涉仪可以包括马赫-策恩德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)、迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)、法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perotinterferometer)、萨格纳克干涉仪(Sagnac interferometer)和/或诸如此类。例如，马赫-策恩德尔干涉仪可以包括两条几乎相同的光路(例如，光纤、片上硅波导等)。两个光路可以是精细调整的声波(例如，通过由声波引起的物理运动、由声波引起的折射率调整等)以影响马赫-策恩德尔干涉仪输出中的光功率分布，因此可以检测声波的存在或幅度。
如本文进一步描述的，光学传感器可以耦合到外部世界以接收光、传输光并且在实践中是有用的(例如，用于超声波成像或声光系统中的其他转换应用)。基于光学传感器的声光系统可以通过光弹性效应和/或谐振器响应超声波(例如，超声回波)的物理形变来直接测量超声波。例如，在存在超声波(或任何压力)的情况下，在穿过光学谐振器的WGM可能会经历由光学谐振器的折射率和形状的变化引起的光谱偏移。可以在光谱域和进出光学谐振器的光传输强度中轻松地监测和分析光谱变化。此外，可以通过监测和分析多个光学谐振器之间的偏移WGM来获得额外的空间和其他信息。本文描述了示例性混合超声波阵列。
混合阵列的维数
诸如本文所述的那些混合超声波换能器阵列可以具有各种维度。例如，混合阵列可以配置为在1维(1D)配置、1.25维(1.25D)阵列配置、1.5维(1.5D)阵列配置、1.75维(1.75D)阵列配置或者2维(2D)阵列配置下运作，如下面进一步详细描述的。通常，超声波换能器阵列的维度涉及当用超声波换能器阵列成像时可实现的仰角波束宽度(或仰角波束切片厚度)的范围，以及在多大程度上控制系统对换能器阵列的仰角波束孔径大小、焦点和/或整个成像场(例如，整个成像深度)的转向。1D阵列在仰角维度上只有一排元件，并且具有固定的仰角孔径大小。1.25D阵列在仰角维度上具有多排元件和可变仰角孔径大小，但通过声学透镜具有固定的仰角焦点。1.5D阵列在仰角维度上具有多排元件、可变仰角孔径大小和通过电子延迟控制的可变仰角焦点。1.75D阵列是具有附加仰角波束控制能力的1.5D阵列。2D阵列在横向和仰角维度上都有大量元件，以满足大波束转向角的最小间距要求。
图18示出了来自超声波探头的示例性波束图案的示意图。具有适当的波束宽度在医学成像中可能很重要。例如，如果像癌组织这样的病灶大于仰角波束宽度，则可以检测到它(“可见病灶”)。否则，如果病灶小于仰角波束宽度，则可能无法检测到病灶(“隐形病灶”)。这是因为通常，病灶相对于其周围组织具有低回声，因此在图像中显示为较暗的区域。如果仰角波束比病灶宽，在波束宽度范围内的病灶周围组织产生的回波信号会填满较暗的病灶，使其不可见或难以看到。因此，控制仰角波束的一个或更多个参数(例如，仰角孔径大小、仰角焦点等)的能力可以提供对超声波成像的更大控制和/或在一些情况下产生更好的图像质量。
1D阵列在仰角维度上只有一排元件，并且具有固定的仰角孔径大小。换言之，1D阵列具有排列在一维(即横向维度)上的仅一排中的多个阵元。例如，如图11所示，1D阵列中的阵元可以布置在单排中，该单排仅沿横向维度是线性的，但不沿仰角维度延伸。在线性阵列的一些变体中，两个相邻元件之间的间距可以等于所发射的声波的大约一个波长。在相控阵列的一些变体中，两个相邻元件之间的间距可以是所发射的声波波长的大约一半。换能器阵列中的单排阵元意味着在仰角维度上没有范围。因此，1D阵列具有固定的仰角孔径大小和固定的仰角焦点，并且在整个成像深度中不能保持仰角维度上的薄切片厚度。除了这个切片厚度限制之外，1D阵列还有一个仰角孔径，它是近场性能和远场性能之间的折衷。
图16提供了具有3mm仰角孔径的线性1D阵列和具有6mm仰角孔径的线性1D线性阵列之间的比较。具体来说，图16描绘了改变图像深度的两个1D阵列的波束图案(顶排)和归一化波束图案(中间排)。图16还描绘了表示6dB和20dB仰角波束宽度与在约10mm到约80mm范围的图像深度的曲线图(底排)。如图16所示，对于6dB和20dB仰角波束，3mm孔径阵列的仰角波束宽度通常随着图像深度线性增加。然而，6mm孔径阵列的仰角波束宽度从10mm减小到约22mm，在开始随深度线性增加之前保持平坦直到31mm。因此，1D配置可能在成像方面有一些限制，但在一些应用(例如，一些成像深度)中可能仍然有用。
1.25D阵列在仰角维度上具有多排元件和可变仰角孔径大小，但通过声学透镜具有固定的仰角焦点。例如，可以电子控制可变仰角孔径大小。改变仰角孔径大小可以对缩窄仰角波束宽度进行一些控制，这意味着超声波系统可以实现更合适的整体仰角波束切片厚度。通过在仰角维度的阵列中添加更多排，可以进一步减小仰角波束宽度。然而，虽然1.25D阵列具有可变仰角孔径大小，但它具有固定的仰角焦点，因此无法控制整个成像场(例如，成像深度)的波束厚度。
1.5D阵列在仰角维度上具有多排元件、可变仰角孔径大小和通过电子延迟控制的可变仰角焦点。例如，可以电子控制可变仰角孔径大小和一个或更多个可变仰角焦点。例如，图15示出了在仰角维度上具有至少两个元件(例如，两排)的示例性1.5D混合阵列。在一些变体中，混合阵列可以包括奇数排以允许在混合阵列中的单个中心排上对称。在一些变体中，混合阵列可以包括偶数排。如上所述，混合阵列具有第一类型(例如，PZT换能器)的一个或更多个阵元和第二类型(例如，光学谐振器、光学干涉仪等)的一个或更多个阵元。为了方便说明，图15所示的1.5D阵列包括三排，但应当理解，该阵列可以包括任何合适数量的排。这三排在仰角维度上彼此相邻布置：一个内部(中心)排具有第一类型的一个或更多个阵元，两个外部排具有第二类型的一个或更多个阵元。这些元件之间在仰角维度上的间距可以大于发射声波的一个波长。在一些变体中，1.5D阵列包括线性阵列，并且内部排和两排外部排中的每一排可以具有足够的元件来满足发射声波的一个波长的最小间距要求。或者，在一些变体中，1.5D阵列可以是相控阵列，并且内部排和两排外部排中的每一排可以具有所发射的声波的半波长的间距。内部排和两排外部排可以具有相同的间距或不同的间距。例如，内部排可以包括128个换能器元件，而两排外部排可以包括32个换能器元件。
如上所述，可以控制1.5D阵列的仰角孔径大小和仰角焦点。在一些变体中，阵元的数量可能大于成像系统中通道的数量，因此在这些变体中，系统可以包括一个或更多个模拟开关(例如，高压开关)以选择1.5D阵列所需的子孔径。由于可以选择性调整其仰角孔径大小和仰角焦点，因此，可以控制1.5D阵列以选择性地在整个成像场中实现更窄的仰角波束宽度，并使得超声波探头除了在各种成像深度处成像较大病灶之外还能够成像较小的病灶。
图17示出了示例性1D和1.5D混合阵列的仰角波束图案的比较。图17的顶部两个图像示出了上文关于图16讨论的具有3mm仰角孔径的线性1D阵列和具有6mm仰角孔径的线性1D线性阵列的波束图案。除了图17还示出了非常近场的波束图案(从0到10mm)以示出从0到80mm的图像深度的更完整的波束图案轮廓之外，图17的顶部两个图像与图16中示出的那些类似。具有3mm仰角孔径的线性1D阵列(顶排)在0mm到约20mm的近场具有较薄的仰角波束宽度，但在约20mm之后在远场具有较厚的仰角波束宽度。具有6mm仰角孔径的线性1D阵列(中间排)具有约20mm至约40mm之间的较薄的仰角波束宽度，但高于约20mm的较厚仰角波束宽度。然而，具有可变仰角孔径大小和仰角焦点(底排)的1.5D阵列在更大的图像深度范围内具有比任一单个1D阵列更薄的仰角波束宽度；即，至少跨越例如从大约0mm到大约40mm的非常近场。换言之，1.5D阵列可以在整个成像场中实现更好的整体仰角波束宽度。通过在仰角维度中向阵列添加额外的元件，可以进一步缩小仰角波束宽度。
因此，1.5D阵列与1D阵列相比具有许多优点。首先，1.5D阵列可以具有更薄的仰角波束切片厚度，这有助于解决小的结构，例如微小的血管和小囊肿。其次，对于从近场图像跨越到远场图像的图像，1.5D阵列可以具有更好、更均匀的图像质量。最后，1.5D阵列可以在不牺牲穿透力和灵敏度的情况下具有比1D阵列更好的细节分辨率。
1.75D阵列是1.5D阵列，但具有额外的仰角波束控制能力。换句话说，1.75D阵列与1.5D阵列相似，因为1.75D阵列包括多排仰角维度的元件、可变仰角孔径大小和可变仰角焦点。然而，1.75D阵列可以是电子可控的，以在波束控制中实现某种程度的自由度(例如，在至少一个方向上高达约5度，在至少一个方向上高达约10度，在至少一个方向上高达约15度或者至少一个方向上高达约20度)。与1.5D阵列一样，合并1.75D阵列的系统可以包括一个或更多个模拟开关，以选择阵列的所需子孔径。
最后，2D阵列在横向和仰角维度上都有大量元件，以满足大波束转向角的最小间距要求。例如，2D阵列包括多个阵元布置在两个横向和仰角维度，并且是电子可控的，以实现全套可变仰角孔径、可变仰角焦点和全波束转向控制。与1.5D阵列一样，合并2D阵列的系统可以包括一个或更多个模拟开关，以选择阵列的所需子孔径。
具有混合超声波换能器阵列的超声波成像系统
图1是具有混合阵列(这里也称为“混合超声波换能器阵列”)的示例性超声波成像系统100的框图。超声波成像系统包括探头125、成像系统150和显示器160。探头125可以连接(没有介入部件)或耦合(有或没有介入部件)到成像系统150。探头125可以从/向成像系统150接收和/或传输一组信号(例如，电信号、声信号、光信号等)。成像系统150可以连接(没有介入部件)或耦合(有或没有介入部件)到显示器160。成像系统150可以从/向显示器160接收和/或发送一组信号(例如，电信号、电磁信号等)。
探头125包括混合阵列110、多路复用器120和光缆130。混合阵列110包括能够传输声波的第一类型(例如，压电换能器)的一个或更多个阵元和对宽带响应高度敏感的第二类型(例如，WGM光学谐振器)的一个或更多个阵元。混合阵列110包括换能器元件的阵列并且可以被配置为在1维(1D)配置、1.25维(1.25D)阵列配置、1.5维(1.5D)阵列配置、1.75维(1.75D)阵列配置或者2维(2D)阵列配置下运作，如下文进一步描述。混合阵列110中的第一类型的一个或更多个阵元被可操作地耦合到多路复用器120。混合阵列110中的第二类型的一个或更多个阵元被可操作地耦合到光缆130。
在一些变体中，探头125可以配置为通过使用混合阵列110的相控阵列来迭代地扫描视场。这样做将使用第一类型的一个或更多个阵元和/或第二类型的一个或更多个阵元生成逐行图像。然后可使用已知的合成孔径(SA)算法来生成高分辨率图像。附加地或替代地，在一些变体中，探头125可以配置成使用不同的声学激励模式，例如，使用第一组换能器元件来传输声波，而使用第二组换能器元件或所有换能器接收与声波相对应的超声波回波的元件。
混合阵列110可以包括大量(例如，10、100、200、1000、2000、10,000等)的元件。在一些变体中，阵列可以布置成矩形配置并且可以包括N×M个元件，其中N是排数而M是列数。混合阵列可以包括第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元，其中第一类型可以是配置为发射超声波的换能器并且第二类型可以是光学传感器(例如，光学谐振器、光学干涉仪等)。第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元可以以矩形排列、弯曲排列、圆形排列或稀疏阵列排列共同定位。下面更详细地描述混合阵列110中的阵元的各种示例配置。
混合阵列110中的换能器可以包括，例如，锆钛酸铅(PZT)换能器、聚合物厚膜(PTF)换能器、聚偏二氟乙烯(PVDF)换能器、电容式微机械超声波换能器(CMUT)、压电微机械超声波换能器(PMUT)、光声传感器、传感器基于单晶材料(例如，LiNbO3(LN)、Pb(Mg1/ 3Nb2/3)–PbTiO3(PMN–PT)和Pb(In1/2Nb1/2)–Pb(Mg1/3Nb2/3)–PbTiO3(PIN–PMN–PT))的换能器和/或任何适用于声学转换的换能器。
例如，光学传感器可以是微泡谐振器、基于光纤的谐振器、集成光子谐振器、微盘谐振器、法布里-珀罗干涉仪等。例如，在一些实现中，光学传感器可以包括一个光学微泡谐振器。光学微泡谐振器可由光学透明材料制成，例如玻璃、透明聚合物、氮化硅、二氧化钛或在光学微泡谐振器的操作波长处适当地光学透明的任何其它材料。光学微泡谐振器包括具有半径(R)的外部微泡表面和具有半径(r)的内部微泡表面，从而限定了等于(R-r)的谐振器壁厚。光学微泡谐振器的一组谐振频率(由于一组WGM的传播)可以具有适用于高灵敏度换能探头的高品质因数。通常，可以通过增加光学谐振器的品质因数来提高光学谐振器的灵敏度。特别是，在这样的实现中，灵敏度可以通过壁厚(R-r)的光学微泡谐振器来控制。当用作超声波检测器时，光学微泡谐振器可以具有低噪声等效压力和宽带操作带宽，如本文进一步详细描述的。在一些实现中，光学传感器可以包括当在光波导中传播的光在光纤中耦合并在光纤的圆周中传播时形成在光纤和光波导的横截面处的传感节点。在一些变体中，光学传感器可以包括集成光子光学谐振器。例如，在一些变体中，光学传感器可以类似于美国专利申请第62/945,538号和第63/001,738号中描述的任何光学谐振器，其中每一个都在此全文引入。
光学传感器内部和/或周围的空间可以充满超声波增强材料，例如聚偏二氟乙烯、聚对二甲苯、聚苯乙烯和/或诸类似物。超声波增强材料可增加光学传感器的灵敏度。例如，超声波增强材料可具有相对高的弹性光学系数，使得响应于光学传感器接收到一组超声回波，超声波增强材料的折射率变化大于光学传感器材料的折射率(例如，在接收到由一组超声回波引起的机械应力或应变时)。照相机
光缆130可以包括用于向/从光学传感器发送和/或接收光信号的专用光学路径。光缆130可以包括纤维光纤电缆或同轴电缆。光缆130的选择可以取决于光信号的类型。混合阵列110的光学传感器阵列可以线性布置在基板上。光学传感器的阵列可以彼此等距。附加地或替代地，阵列中的至少一些光学传感器可以分开不同的距离。在一些配置中，光学传感器阵列可以全部光学耦合到单个光波导。因此，来自多个光学传感器的信号可耦合到单个光波导并通过单个光波导进行通信。在一些配置中，光学传感器的阵列可以光学耦合到光波导的阵列。因此，来自光学传感器的阵列的光信号可以耦合到光缆130中的多个光波导并通过其传送到成像系统150。
多路复用器120可以包括模拟开关。模拟开关可以包括大量的高压模拟开关。每个模拟开关都可以连接到一个单独的系统通道。结果，多路复用器120可以选择性地将来自成像系统150的一组系统通道的单个系统通道连接到混合阵列110的换能器。因此，来自第一类型的一个或更多个阵元的电信号可以耦合到光缆130中的多个光波导并通过其传送到成像系统150。
成像系统150可以包括前端系统151和后端系统153。通常，前端系统151可以包括至少两个部件，该部件包括发射波束形成器和接收波束形成器。发射波束形成器和接收波束形成器可以包括多个发射通道和接收通道，它们连接(例如，经由一组电线、经由一组光波导和/或类似物)到该阵列的第一类型的一个或更多个阵元和/或第二类型的一个或更多个阵元。例如，发射波束形成器可以包括连接到多路复用器120的128个发射通道，并且接收波束形成器可以包括连接到光缆130和/或多路复用器120的256个接收通道。前端系统还可以包括一组光电探测器以将光信号转换为电信号。后端系统153可以包括用于处理从混合阵列110接收的信号以生成图像的处理器、可操作地耦合到处理器以存储图像的存储器、以及用于将图像(例如，经由图形用户接口)呈现给用户的通信接口。
显示器160可操作地耦合到成像系统150的后端系统153以显示由成像系统150生成的一组图像。在一些变体中，显示器160可以包括交互式用户接口(例如，触摸屏)并且配置为将一组命令(例如，暂停、恢复等)传输到成像系统150。在一些变体中，超声波成像系统100还可以包括一组辅助装置(未示出)，其用于向超声波成像系统100输入信息或从超声波成像系统100输出信息。该组辅助装置可以包括，例如，键盘、鼠标、监视器、网络摄像头、麦克风、触摸屏、打印机、扫描仪、虚拟现实(VR)头戴式显示器、操纵杆、生物特征阅读器和/或类似物(未示出)。
混合阵列的示例配置
下面描述的是混合超声波换能器阵列中的阵元的各种示例性配置。如上所述，混合超声波换能器阵列通常可以包括第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元，其中第一类型的一个或更多个阵元可以包括一组换能器(例如，压电换能器、单晶材料换能器、压电微机械超声波换能器(PMUT)或电容微机械超声波换能器(CMUT)等)和第二类型的一个或更多个阵元可以包括一组光学传感器。
在一些变体中，超声波换能器阵列可以在仰角维度上包括一排或更多排。例如，阵元可以共同定位在包括多排和多列的矩形阵列中。在一些变体中，如图2所示，混合阵列可以在仰角维度上包括3排元件。3排包括内部排和两排外部排。两排外部排可以由第二类型114(例如，光学传感器)制成。第二类型114可以包括例如一组微泡谐振器、一组基于光纤的谐振器、一组集成光子谐振器、一组微盘谐振器、一组光学干涉仪等。内部排可以由第一类型112(在本文中也称为“换能器”)制成。第一类型112可以包括，例如，锆钛酸铅(PZT)换能器、聚合物厚膜(PTF)换能器、电容式微机械超声波换能器(CMUT)和/或任何适用于声学转换的换能器。
两个外部排可以包括在对应列中平排定位的相等数量的元件。位于两个外部排中同一列中的每对元件114可以可选地连接(例如，电连接或电磁的耦合)以形成1.25维(1.25D)阵列配置或1.5维(1.5D)阵列配置的单个组合外部元件。
虽然图2描绘了具有三排的换能器阵列，在一些变体中，排数可以是任何奇数，诸如3、5……2n+1，其中n是整数。在一些变体中，第一类型112的阵元可以布置在一组奇数排的中心排中。例如，1.5D阵列配置可以包括5排，其中PZT换能器排位于中心排，两个与中心排相邻的光学传感器排，两个位于与光学传感器排相邻的最外部排的PZT换能器排。在一些变体中，使中心排包括换能器可能是有利的。例如，由于中心排包括可以执行超声波发射和接收的第一类型112的换能器元件，因此对于换能器的发射模式和接收模式，仰角波束轮廓在中间没有“倾角”。仰角波束轮廓中出现的这种倾角会降低图像质量并引入图像伪影。因此，将第一类型112的换能器元件布置在中心排中(例如，如图2所示)可以有利地帮助避免图像质量和图像伪影的这种退化。然而，在一些变体中，如图6所示的变体，混合换能器阵列可以包括位于中心排的光学传感器。
在一些变体中，第一类型112(例如，换能器)的一个或更多个阵元和第二类型114(例如，光学传感器)的一个或更多个阵元可以在交替排中。例如，图2示出了示例性变体，其中第一类型112的阵元与第二类型114的阵元交替，第一类型112在中心排中。作为另一实施例，图6示出了示例性变体，其中第一类型112的阵元与第二类型的换能器交替，第二类型114的阵元在中心排中。
在一些变体中，可以为一些性能参数选择相邻阵元之间的间隔(间距)。间距可以定义为换能器元件的中心和相邻换能器元件的中心之间的距离。在一些变体中，诸如当阵列处于相控阵列操作中时，间距可以测量为大于(例如，由压电换能器发射的)声波的工作频率的半波长。在一些变体中，诸如当阵列处于线性阵列操作中时，间距可以测量为大于声波的工作频率的全波长。在一些变体中，间距可以测量为小于声波的工作频率的半波长或者可以测量为小于声波的工作频率的全波长。
在一些变体中，混合阵列中的所有排在横向维度上可以具有相同的间距(例如，如图2所示)。然而，在一些变体中，混合阵列中的至少一些排在横向维度上可能具有不同的间距。换言之，一排可以具有第一间距，而另一排可以具有第二间距，其中第二间距小于或大于第一间距。
例如，如图3所示，混合阵列110可以包括具有第一均匀间距的内部(中心)排，以及具有与第一均匀间距不同的第二均匀间距的两个外部排。在一些变体中，第二均匀间距可以大于第一均匀间距(即，彼此间隔开得更远)。两个外部排可以包括光学传感器114。内部排可以包括第一类型112，其是换能器，例如，PZT换能器、CMUT换能器和/或诸如此类。在一些变体中，两个外部排中的一个可以具有第二均匀间距，并且两个外部排中的另一个具有不同于第一和第二间距的第三均匀间距。在一些变体中，混合阵列可以包括具有任意奇数排的一组排，例如3、5…2n+1排，其中n是整数。在这样的变体中，来自该组排的每一排可以具有与任何其他排的间距不同的唯一间距。在一些实施方式中，该组排可以具有从该组排中具有最小间距的中心排开始并稳定地增加到该组排中具有最大间距的外部排的递增间距。
在超声波成像中，通常根据工作频率选择换能器间距。更具体地，换能器间距可以与操作频率成反比(例如，与对应于工作频率的工作波长成反比)以避免栅瓣。在对浅表组织进行成像时，通常使用小仰角孔径和高频率。另一方面，大仰角孔径和低频可能有利于深层组织的成像。
由于其排之间的不同间距，参照图3示出和描述的混合阵列可以有利地执行浅表组织的成像和深层组织的成像。在该变体中，具有较小间距的中心排可用于使用高工作频率产生浅表组织的高分辨率。为了对深层组织进行成像，所有排(包括具有较大间距的排)都可以用于使用低工作频率产生高穿透图像。
使用较大间距的另一个优点是可以选择减少成像系统150中换能器元件的总数。较大的间距导致单位面积的换能器元件较少，并且探头125的将探头125的混合阵列110连接到成像系统150的前端151的电缆(例如，光缆130、同轴电缆等)的面密度较小。因此，如本实施方式中所示和公开的换能器元件数量的减少涉及若干优点，包括：电缆数量减少(即，更细的电缆束)、探头125的重量更轻、以及制造和操作成本更低。
附加地或替代地，在一些变体中，特定排中的换能器阵元之间的距离(间距)可以是相同的或者可以沿着排的长度变化。使用这种可变间距可能是有益的，因为它通常能够对浅表组织和深层组织进行成像，类似于上面参照图3所描述的。图4是示例性混合阵列的示意图，该阵列具有至少一排具有在横向维度上的可变间距。例如，在一些变体中，具有可变间距的排可以包括具有第一间距的中心区域，以及与中心区域相邻的一个或多个横向区域，其具有不同于(例如，小于或大于)第一间距的第二间距。尽管图4中仅示出了每排的三组(左、中和右)间距，但是在一些变体中，也可以使用两组、四组或更多组间距。在一些变体中，如图4所示，中心排和两个外部排可以各自具有可变间距(而不是如关于图2或图3公开的均匀间距)。例如，超声波换能器阵列可以包括在横向维度上具有第一可变间距图案的第一排和在横向维度上具有第二可变间距图案的第二排。第二可变间距图案可以不同于第一可变间距图案。附加地或替代地，混合阵列中的两个或更多个排可以各自包括沿它们在横向维度上的长度的相同或相似的可变间距图案。
在一些变体中，第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元可共同布置在混合阵列110的一组子组或子孔径中。例如，在一些变体中，混合阵列110可以划分为一组子孔径，每个子孔径具有一组一个或更多个排。每个子孔径可以包括来自第一类型的一个或更多个阵元和/或第二类型的一个或更多个阵元的一组换能器元件。在一些变体中，混合阵列可以配置成包括三排(例如，如图7所示的三排元件)的1.5维(1.5D)阵列。在一些变体中，仅位于混合阵列中心的子孔径中的一组换能器元件的中心换能器元件是光学传感器114。在这样的变体中，其余的换能器元件由不同类型的换能器112制成，其可以包括，例如，锆钛酸铅(PZT)换能器、聚合物厚膜(PTF)换能器、CMUT换能器，和/或任何适用于声学转换的换能器。在一些实现中，光学传感器的大小很小(例如，相当于或小于声波和/或声回波的工作波长)。
每个子孔径可以包括与该组排中的一个或更多个其他排不同数量的排。各排可以包括均匀间距或可变间距。例如，混合阵列110可以包括五个子孔径，从五个子孔径的最左侧孔径到最右侧孔径连续地具有一排、三排、五排、三排和一排。
例如，图5是具有子孔径的示例性混合阵列110的示意图。图5所示的混合阵列110可以分成三个子孔径，包括：左子孔径、中间子孔径和右子孔径。左子孔径和右子孔径110都可以仅具有被描绘为具有均匀间距的一排，但是应当理解，在一些变体中，这些子孔径可以包括可变间距的排。然而，中间子孔径可以具有多排，诸如内部排118和两排外部排116。内部排118可以具有一定的间距，并且两个外部排116可以具有与内部排不同的间距。任何这些中间子孔径中的间距可以是均匀的或可变的。两个外部排116可以包括光学传感器。所有其他排，包括中间子孔径的内部排、左子孔径和右子孔径，可以包括其他换能器，例如PZT换能器、CMUT换能器等。
图6是类似于图2的混合阵列的示例性混合阵列的示意图，除了仅将第一类型112的阵元和第二类型114的阵元的相对位置交换。以类似的方式，第一类型112的阵元和第二类型114的阵列元件的相对位置可以在图3的混合阵列、图4的混合阵列和图5的混合阵列和/或这里示出和描述的任何其他混合阵列中交换。
图7是示例性混合阵列的示意图。混合阵列可以包括包含一组换能器的第一类型的一个或更多个阵元和包含一组光学传感器的第二类型的一个或更多个阵元。混合阵列可以包括至少一排，该排具有第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元。如图7所示，例如，混合阵列可以，例如，包括中心排，该中心排包括第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元。例如，中心排可能具有第二类型的单个阵元，而其他排可能仅具有第一类型的阵元。第二类型的单个阵元可以是大约等于或小于发射声波的波长的光学传感器。在一些变体中，使用光学传感器可以最小化探头制造的复杂性，同时利用光学传感器的超高灵敏度(例如，WGM光学谐振器的超高灵敏度)来改善图像质量。
图8是示例性混合阵列110的示意性描述。混合阵列可以包括两排或更多排，包括中心排。中心排可以包括第一类型112的多个元件和第二类型114的多个阵元。第二类型的阵元可以大约等于或小于发射声波的波长。内部排中的至少一个换能器元件是光学传感器114，其余元件是第一类型112的阵元，其可以包括例如PZT换能器和/或CMUT换能器。与图7的混合阵列110类似，在一些实现中，图8的混合阵列110中的光学传感器的大小可以相当于或小于声波和/或声回波的工作波长。在一些植入中，光学传感器的大小可能大于声波和/或声回波的工作波长。
图9是示例性混合阵列的示意图。超声波换能器阵列可以包括两排或更多排。两排或更多排中的每一排可以具有第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元。第二类型的阵元可以以规则图案空间分布，或者可以以不规则图案(例如，随机图案)空间分布。在内部排和两排外部排上的一组元件可以包括光学传感器114，其余元件包括第一类型112，其包括，例如，PZT换能器和/或CMUT换能器。在一些配置中，光学传感器114的位置的空间分布可以是随机的。在一些配置中，光学传感器114的位置的空间分布可以遵循布置模式(例如，相同，在传感器元件中向右移动一个单元，在传感器元件中向下偏移两个单元)。光学传感器的大小可以小于或等于第一类型112的大小。
如图7-9中描述的混合阵列的变体，其中可能涉及多个优点。例如，具有两种类型的阵元的这些混合阵列中的每一排在某种程度上可以既发射声波(例如，超声波)又检测声回波(例如，超声回波)，从而实现更加分布式的成像功能。此外，分布式光学传感器可以增加混合阵列对声回波的整体和更分布式的灵敏度。此外，这些变体的混合阵列可以生成由第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元生成的两个独立图像，并且成像系统(诸如关于图1示出和描述的成像系统150)然后可以组合这两个独立图像以形成与这两个独立图像中的每一个相比得到改善的单个组合图像。
尽管图2-9中所示的混合阵列通常显示为在平面基板或表面上，但是应当理解，混合阵列可以布置在任何其他合适的表面上(例如，曲面)。例如，图10是弯曲基板上的示例性混合阵列110的示意图。混合阵列110可以包括包含一组换能器的第一类型的一个或更多个阵元和包含一组在曲面(诸如在弯曲面板上)的光学传感器的第二类型的一个或更多个阵元。曲面可以包括圆形曲线、二次曲线(例如，抛物线、双曲线、椭圆曲线等)和/或任何适用于超声波成像的曲线的轮廓。面板的曲度可以沿混合阵列110的视场方向上的。在一些配置中，曲度是凹曲度。在一些配置中，曲度是凸曲度。如图10所示，混合阵列可以包括在仰角维度上的三排元件。三排可以包括内部排和两排外部排。在一些变体中，两排外部排可以包括第二类型114(例如，光学传感器)的阵元并且内部排可以包括第一类型112(例如，PZT换能器、CMUT换能器和/或诸如此类)的阵元。在一些变体中，混合阵列可以包括任何奇数排，诸如3、5…2n+1，其中n是整数。在这样的变体中，混合阵列的内部排可以包括第一类型112的阵元，并且其后的其余排可以在第二类型114的阵元和第一类型112的阵元之间交替。
图10的混合阵列中的换能器元件的定位类似于图2的混合阵列中的换能器元件的定位，除了图10的混合阵列安装在弯曲面板上。图10的混合阵列的定位可通过将对应于图10的混合阵列的曲度的变换矩阵乘以图2的混合阵列的位置矩阵来实现。可以将图2-13中的任何一个的混合阵列中的换能器元件的相对位置变换为安装在弯曲面板上。
图11是包括单个排的示例性1D混合阵列110的示意性描述，该单个排包括多个阵元或换能器元件。多个阵元可以包括第一类型112(例如，PZT换能器、CMUT换能器等)的至少一个阵元和第二类型114(即，光学传感器)的至少一个阵元。在一些配置中，第一类型112的阵元和第二类型114的阵元的空间分布可以是随机的。在一些配置中，第一类型112的阵元和第二类型114的阵元的空间分布可以遵循布置模式。与仅包括一种类型的换能器的传统1D阵列相比，混合阵列(包括一组光学传感器，如图11所示)由于添加了光学传感器(例如，光学谐振器(例如，WGM光学谐振器、微泡光学谐振器、微球谐振器、微型环形谐振器、微环谐振器或微盘光学谐振器和/或诸如此类))，可以在传感带宽和/或灵敏度方面具有改进的性能，。
尽管图2-11示出了具有奇数如1、3、5…2n+1排数目的换能器阵列，其中n是整数，但在一些变型中，换能器阵列可以具有偶数排数目，如2、4、6…2n排数目。例如，在一些变体中，混合阵列110可以具有两排第一类型112的阵元(CMUT换能器、PMUT换能器和/或诸如此类)和两排第二类型114的元件(例如，光谐振器、光干涉仪和/或诸如此类)。
图12是布置成矩形配置的示例性2D混合阵列110的示意性描述并且可以包括N×M个换能器元件，其中N是排数和M是列数且都是整数。在一些实施方式中，排数和/或列数可以大于31排和/或31列。例如，一个2D混合阵列可能包括64×96＝6,144个换能器元件。混合阵列可以包括第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元。第一类型的一个或更多个阵元可以包括一组换能器并且第二类型的一个或更多个阵元可以包括一组光学传感器。第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元可以共同定位成矩形布置。在一些配置中，第一类型112和第二类型114的空间分布可以是随机的。在一些配置中，第一类型112和第二类型114的空间分布可以遵循布置模式。与仅包括一种类型的换能器的传统2D阵列相比，混合阵列(包括一组光学传感器，如图12所示)由于添加了光学传感器，可以在传感带宽和/或灵敏度方面表现出改进的性能。
图13是稀疏阵列配置中的示例性2D混合阵列110的示意图。将混合阵列110布置为稀疏阵列配置而不是全采样布置(诸如关于图12示出和描述的布置)可以减少用于制造混合阵列的换能器元件的总数。例如，与图12的完全采样的混合阵列中的64×96＝6,144个换能器元件相比，(如图12所示和所述)具有完全采样的2D的相同大小的稀疏2D阵列可以仅包括1000个换能器元件。混合阵列可以包括第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元。第一类型的一个或更多个阵元可以包括一组换能器并且第二类型的一个或更多个阵元可以包括一组光学传感器。第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元可以共同定位在稀疏阵列配置中。在一些配置中，第一类型112的阵元和第二类型114的阵元的空间分布可以是随机的。在一些配置中，第一类型112和第二类型114的阵元的空间分布可以遵循统计分布(例如，正态分布、高斯分布等)。通过使用第一类型112和第二类型114的阵元的稀疏空间分布，可以减少/防止在由混合阵列产生的图像中产生栅瓣。第一类型112的阵元的空间分布可以与第二类型114的阵元的空间分布相同、相似或不同。例如，混合阵列110中的一组光学传感器的第一组位置可以具有随机空间分布，并且混合阵列110中的一组PZT换能器的第二组位置可以具有正态分布。
尽管以上关于图2-13所述的混合阵列主要根据具有一排或更多排的矩形布置来描述，但应理解，其它阵列形状可类似地与多种类型的阵元112和114混合。例如，图14是示例性环形混合阵列110的示意图。由于其对称形状，环形阵列通常可在三维空间中产生改进的声学(例如，超声波)波束图案。由于图像质量与声束模式高度相关，因此，改进的声学(例如，超声波)波束图案可以产生声学成像系统(例如，医学超声波成像系统)的更好的图像质量。
与上述阵列类似，环形混合阵列可以包括第一类型112的一个或更多个阵元和第二类型114的一个或更多个阵元。第一类型的一个或更多个阵元可以包括一组换能器并且第二类型的一个或更多个阵元可以包括一组光学传感器。混合阵列可以包括至少一个圆形阵元和至少一个围绕圆形阵元布置并与圆形阵元同心的环形阵元。例如，如图14所示，混合阵列可以包括位于混合阵列中心的至少一个圆形光学传感器114(例如，环形谐振器)和围绕圆形光学传感器并与圆形光学传感器同心地按直径增大的顺序布置的一组环形传感器112(例如，PZT换能器和/或CMUT换能器)。尽管图14中所示的变化包括围绕圆形阵元的三个环形阵元，但应理解，混合阵列可包括任何合适数目的环形阵元，例如两个、三个、四个、五个或多于五个环形或环形元件。此外，在一些变体中，第一类型的一个或更多个阵元和第二类型的一个或更多个阵元都可以是共同布置成同心配置的环形元件。
为了解释的目的，前述描述使用特定术语来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，不需要特定细节即可实践本发明。因此，出于说明和描述的目的而呈现了本发明的特定实施方式的前述描述。它们并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式；显然，鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述了实施方式是为了解释本发明的原理及其实际应用，因此它们使本领域的其它技术人员能够利用本发明以及具有适于所考虑的特定用途的各种修改的各种实施方式。期望所附权利要求书及其等同物定义本发明的范围。

Claims (110)

1.一种用于对目标进行成像的装置，包括：
超声波换能器阵列，包括：
第一类型的一个或更多个阵元，其中所述第一类型是配置成传输声波的换能器；和
不同于所述第一类型的第二类型的一个或更多个阵元，其中所述第二类型是光学传感器，
其中，所述第一类型和所述第二类型的所述阵元配置成检测与所发射的声波对应的声回波。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列在仰角维度上包括一排或更多排。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括奇数排。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括偶数排。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一类型的所述一个或更多个阵元和所述第二类型的所述一个或更多个阵元处于交替排中。
6.根据权利要求5所述的装置，所述第一类型的所述阵元的至少一部分在中心排中。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第二类型的所述阵元的至少一部分在中心排中。
8.根据权利要求2所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括至少一排，其间距大于所述换能器的中心频率的波长的一半。
9.根据权利要求2所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括至少一排，其间距小于或等于所述换能器的中心频率的波长的一半。
10.根据权利要求2所述的装置，其中，所述排在横向维度上具有相等的间距。
11.根据权利要求2所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括在横向维度上具有第一间距的至少一排，以及在横向维度上具有与第一间距不同的第二间距的至少一排。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括具有所述第一间距的内部排，以及具有所述第二间距的与所述内部排相邻的排，其中所述第二间距大于所述第一间距。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述内部排包括所述第一类型的一个或更多个阵元，以及与所述内部排相邻的所述排包括所述第二类型的一个或更多个阵元。
14.根据权利要求2所述的装置，其中，所述超声波阵列包括在横向维度上具有可变间距的至少一排。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述具有可变间距的所述至少一排包括具有第一间距的中心区域，以及具有大于所述第一间距的第二间距的与所述中心区域相邻的横向区域。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括在横向维度上具有第一可变间距图案的第一排，以及在所述横向维度上具有第二可变间距图案的第二排，其中所述第二可变间距图案不同于所述第一可变间距图案。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括包含所述第一类型的一个或更多个阵元的内部排，以及与所述内部排相邻的包含所述第二类型的一个或更多个阵元的排。
18.根据权利要求2所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括至少一排，所述至少一排包括所述第一类型的至少一个阵元和所述第二类型的至少一个阵元。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，包括第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元的至少一排是中心排。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述中心排具有所述第二类型的单个阵元。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述第二类型的所述单个阵元是光学传感器，其大约等于或小于所发射的声波的波长。
22.根据权利要求19所述的装置，其中，所述中心排包括多个所述第一类型的阵元和多个所述第二类型的阵元。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述第二类型的所述阵元大约等于或小于所发射的声波的波长。
24.根据权利要求18所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括两排或更多排，所述两排或更多排中的每一排包括所述第一类型的至少一个阵元和所述第二类型的至少一个阵元。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述第二类型的所述阵元在空间上以规则的图案分布。
26.根据权利要求24所述的装置，其中，所述第二类型的所述阵元在空间上以不规则的图案分布。
27.根据权利要求24所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括至少31排，所述31排中的至少一些包括所述第一类型的至少一个阵元和所述第二类型的至少一个阵元。
28.根据权利要求18所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括单排，所述单排包括所述第一类型的至少一个阵元和所述第二类型的至少一个阵元。
29.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括多个子孔径。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述多个子孔径包括第一子孔径和第二子孔径，所述第一子孔径包括比所述第二子孔径更多的排数。
31.根据权利要求30所述的装置，其中，所述第一子孔径是中央子孔径，并且所述第二子孔径与所述中央子孔径相邻。
32.根据权利要求29所述的装置，其中，每个子孔径包括所述第一类型的至少一个阵元。
33.根据权利要求32所述的装置，其中，每个子孔径还包括所述第二类型的至少一个阵元。
34.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括所述第一类型的第一多个阵元和所述第二类型的第二多个元件，其中所述第一多个阵元和所述第二多个阵元分别是稀疏阵列配置。
35.根据权利要求34所述的装置，其中，所述第一多个阵元的空间分布不同于所述第二多个阵元的空间分布。
36.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列位于平面表面上。
37.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列位于曲线表面上。
38.根据权利要求37所述的装置，其中，所述曲面包括二次曲线。
39.根据权利要求38所述的装置，其中，所述二次曲线是抛物曲线、双曲线或椭圆曲线。
40.根据权利要求37所述的装置，其中，所述曲面包括圆形曲线。
41.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列包括至少一个环形阵元。
42.根据权利要求41所述的装置，其中，所述超声波阵列包括与所述至少一个环形阵元同心的所述第二类型的圆形阵元。
43.根据权利要求41所述的装置，其中，所述至少一个环形阵元是所述第一类型的。
44.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一类型的所述阵元的至少一部分包括至少一个压电换能器、单晶材料换能器、压电微机械超声波换能器(PMUT)或电容微机械超声波换能器(CMUT)。
45.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列是1维(1D)阵列。
46.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列是1.25维(1.25D)阵列。
47.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列是1.5维(1.5D)阵列。
48.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列是1.75维(1.75D)阵列。
49.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波换能器阵列是2维(2D)阵列。
50.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个阵元是嵌入聚合物结构中的光学传感器。
51.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光学传感器光学耦合到光纤以将一组光信号传输到光电探测器。
52.根据权利要求51所述的装置，其中，所述光学传感器配置为响应于所述声回波来发送所述一组光信号。
53.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光学传感器是基于干涉的光学传感器。
54.根据权利要求53所述的装置，其中，所述光学传感器包括光学谐振器或光学干涉仪。
55.根据权利要求54所述的装置，其中，所述光学传感器包括光学谐振器，所述光学谐振器是回音壁模式(WGM)光学谐振器、微泡光学谐振器、微球体谐振器、微环形谐振器、微环谐振器或微盘光学谐振器。
56.一种超声波换能方法，包括：
使用超声波探头发射声波，所述超声波探头包括超声波换能器阵列，所述超声波换能器阵列具有第一类型的一个或更多个阵元和一个或更多个不同于所述第一类型的第二类型的阵元；以及
使用所述第一类型的所述一个或更多个阵元和所述第二类型的所述一个或更多个阵元，接收响应于声波的声回波，
其中，所述第二类型的所述一个或更多个阵元是光学传感器。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列在仰角维度上包括一排或更多排。
58.根据权利要求57所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括奇数排。
59.根据权利要求57所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括偶数排。
60.根据权利要求57所述的方法，其中，所述第一类型的所述一个或更多个阵元和所述第二类型的所述一个或更多个阵元处于交替排中。
61.根据权利要求60所述的方法，所述第一类型的所述阵元的至少一部分在中心排中。
62.根据权利要求60所述的方法，其中，所述第二类型的所述阵元的至少一部分在中心排中。
63.根据权利要求57所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括至少一排，其间距小于所述换能器的中心频率的波长的一半。
64.根据权利要求57所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括至少一排，其间距小于或等于所述换能器的中心频率的波长的一半。
65.根据权利要求57所述的方法，其中，所述排在横向维度上具有相等的间距。
66.根据权利要求57所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括在横向维度上具有第一间距的至少一排，以及在横向维度上具有与第一间距不同的第二间距的至少一排。
67.根据权利要求66所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括具有所述第一间距的内部排，以及具有所述第二间距的与所述内部排相邻的排，其中所述第二间距大于所述第一间距。
68.根据权利要求67所述的方法，其中，所述内部排包括所述第一类型的一个或更多个阵元，以及与所述内部排相邻的所述排包括所述第二类型的一个或更多个阵元。
69.根据权利要求57所述的方法，其中，所述超声波阵列包括在横向维度上具有可变间距的至少一排。
70.根据权利要求69所述的方法，其中，所述具有可变间距的所述至少一排包括具有第一间距的中心区域，以及具有大于所述第一间距的第二间距的与所述中心区域相邻的横向区域。
71.根据权利要求70所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括在横向维度上具有第一可变间距图案的第一排，以及在所述横向维度上具有第二可变间距图案的第二排，其中所述第二可变间距图案不同于所述第一可变间距图案。
72.根据权利要求71所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括包含所述第一类型的一个或更多个阵元的内部排，以及与所述内部排相邻的包含所述第二类型的一个或更多个阵元的排。
73.根据权利要求57所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括至少一排，所述至少一排包括所述第一类型的至少一个阵元和所述第二类型的至少一个阵元。
74.根据权利要求73所述的方法，其中，包括第一类型的至少一个阵元和第二类型的至少一个阵元的至少一排是中心排。
75.根据权利要求73所述的方法，其中，所述中心排具有所述第二类型的单个阵元。
76.根据权利要求73所述的方法，其中，所述第二类型的所述单个阵元是光学传感器，其大约等于或小于所发射的声波的波长。
77.根据权利要求74所述的方法，其中，所述中心排包括多个所述第一类型的阵元和多个所述第二类型的阵元。
78.根据权利要求77所述的方法，其中，所述第二类型的所述阵元大约等于或小于所发射的声波的波长。
79.根据权利要求73所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括两排或多排，所述两排或多排中的每一排包括所述第一类型的至少一个阵元和所述第二类型的至少一个阵元。
80.根据权利要求71所述的方法，其中，所述第二类型的所述阵元在空间上以规则的图案分布。
81.根据权利要求71所述的方法，其中，所述第二类型的所述阵元在空间上以不规则的图案分布。
82.根据权利要求71所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括至少31排，所述31排中的至少一些包括所述第一类型的至少一个阵元和所述第二类型的至少一个阵元。
83.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括单排，所述单排包括所述第一类型的至少一个阵元和所述第二类型的至少一个阵元。
84.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括多个子孔径。
85.根据权利要求84所述的方法，其中，所述多个子孔径包括第一子孔径和第二子孔径，所述第一子孔径包括比所述第二子孔径更多的排数。
86.根据权利要求85所述的方法，其中，所述第一子孔径是中央子孔径，并且所述第二子孔径与所述中央子孔径相邻。
87.根据权利要求84所述的方法，其中，每个子孔径包括所述第一类型的至少一个阵元。
88.根据权利要求87所述的方法，其中，每个子孔径还包括所述第二类型的至少一个阵元。
89.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列包括所述第一类型的第一多个阵元和所述第二类型的第二多个元件，其中所述第一多个阵元和所述第二多个阵元分别是稀疏阵列配置。
90.根据权利要求89所述的方法，其中，所述第一多个阵元的空间分布不同于所述第二多个阵元的空间分布。
91.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列位于平面表面上。
92.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列位于曲线表面上。
93.根据权利要求92所述的方法，其中，所述曲面包括二次曲线。
94.根据权利要求93所述的方法，其中，所述二次曲线是抛物曲线、双曲线或椭圆曲线。
95.根据权利要求92所述的方法，其中，所述曲面包括二次曲线。
96.根据权利要求56所述的方法，其中，其中，所述超声波换能器阵列包括至少一个环形阵元。
97.根据权利要求96所述的方法，其中，所述超声波阵列包括与所述至少一个环形阵元同心的所述第二类型的圆形阵元。
98.根据权利要求97所述的方法，其中，所述至少一个环形阵元是所述第一类型的。
99.根据权利要求56所述的方法，其中，所述第一类型的所述阵元的至少一部分包括至少一个压电换能器、单晶材料换能器、压电微机械超声波换能器(PMUT)或电容微机械超声波换能器(CMUT)。
100.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列是1维(1D)阵列。
101.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列是1.25维(1.25D)阵列。
102.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列是1.5维(1.5D)阵列。
103.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列是1.75维(1.75D)阵列。
104.根据权利要求56所述的方法，其中，所述超声波换能器阵列是2维(2D)阵列。
105.根据权利要求56所述的方法，其中，所述第二类型的所述一个或更多个阵元是嵌入聚合物结构中的光学传感器。
106.根据权利要求56所述的方法，其中，所述光学传感器光学耦合到光纤以将一组光信号传输到光电探测器。
107.根据权利要求106所述的方法，其中，所述光学传感器配置为响应于所述声回波来发送所述一组光信号。
108.根据权利要求56所述的方法，其中，所述光学传感器是基于干涉的光学传感器。
109.根据权利要求108所述的方法，其中，所述光学传感器包括光学谐振器和光学干涉仪中的至少一个。
110.根据权利要求109所述的方法，其中，所述光学传感器包括光学谐振器，所述光学谐振器是回音壁模式(WGM)光学谐振器、微泡光学谐振器、微球体谐振器、微环形谐振器、微环谐振器或微盘光学谐振器。
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