CN116097091A - 基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统 - Google Patents

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朴正愚
朴馠离
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Abstract

本发明公开一种基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，所述基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统包括：至少一个光源，以及透明超声波传感器，与从所述光源发射的光同轴排列，并使从所述光源发射的光透射；所述透明超声波传感器布置在所述光源与被摄体之间。

Description

基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统
技术领域
本发明涉及一种基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，更详细地，涉及可通过采用能够使超声波路径和光路实现同轴的透明超声波传感器来改善信噪比(SNR，Signal to Interference plus Noise Ratio)并实现设备的小型化的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统。
背景技术
基于光学和超声波的多模态(multi-modal)影像具有广泛的应用领域，且具有例如在提高医学诊断的准确性的优点。
因此，已经对超声波影像系统与光学影像系统的结合、或对超声波影像系统与光学干涉断层拍摄影像系统的结合、或对超声波影像系统与荧光成像系统的结合进行了研究。
然而，传统的超声波传感器具有不透明的特征。因此，当传统的超声波传感器(Ultrasonic Sensor或Ultrasonic Transducer；在以下说明书中，超声波传感器、超声波换能器及其缩写UT均使用为相同的含义)使用于具有光学系统的多模态成像中时，光学系统无法透射不透明的传统的UT，因此，应将其布置于UT的轴外(非轴插入(un-axisinsertion))。由于各种原因，这种轴外布置在拍摄影像时具有不利之处。例如，存在系统排列不良、复杂度增加、系统大小增大、信噪比(SNR，Signal to Noise Ratio)降低等问题。
图1是示出利用传统的不透明超声波传感器的光声显微镜的原理的图。
如图1所示，利用传统的不透明超声波传感器的光声显微镜的情况下，光源不能透射超声波传感器。因此，为了分离光路和超声波信号路径，只能不可避免地布置棱镜、硅酮油(silicone oil)等附随因素。由此，还出现了系统大小大幅增大的问题。此外，还存在当超声波信号经过棱镜等光学系统内部时，由于能量损失导致信噪比(SNR，Signal NoiseRatio)变差的问题。
另一方面，为了解决不透明超声波传感器的问题，在美国专利US8784321号中，还在不透明超声波传感器的部分横截面的一部分钻孔以形成光路，从而使光路和超声波路径位于同一个轴上。然而，即使在这种情况下也由于光只能透射超声波传感器的一部分截面，因此无法充分解决由于超声波传感器的不透光性导致的问题。
另一方面，为了解决不透明的超声波传感器造成的拍摄影像上的问题，最近几年已经进行了对透明超声波传感器(Transparent Ultrasonic Sensor或者TransparentUltrasonic Transducer；透明超声波传感器、透明超声波换能器及其缩写TUT在本说明书中均使用为相同的含义)的开发。然而，由于低透明度、低灵敏度或宽集束，一些TUT在获得高信噪比和高分辨率光声影像方面仍然存在局限性。一些团体开发了一种透明电容式微机械超声波传感器(Capacitive micromachined ultrasonic transducer)，但在这种情况下，由于超声波强度低或需要高偏置电压等原因，还存在很难投入实际使用的问题。
本发明人在韩国专利申请第10-2020-0039208号(“透明超声波传感器及其制造方法”)等中提出了一种基于LNO(Lithium niobate)的单晶透明超声波传感器结构及其制造方法。
因此，对能够将光声影像、光学干涉断层拍摄影像、荧光影像及使用光的各种光学影像与超声波影像一起用单个设备拍摄的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统进行了后续研究，以便有效利用该先行研究中提出的基于LNO的单晶透明超声波传感器。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于提供一种基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其可通过采用能够使超声波路径和光路实现同轴的透明超声波传感器来改善信噪比并实现设备的小型化。
用于解决问题的手段
为实现上述目的，根据本发明一个示例的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，所述基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统包括：至少一个光源；以及透明超声波传感器，与从所述光源发出的光同轴排列，并使从所述光源发射的光透射；所述透明超声波传感器布置在所述光源与被摄体之间。
此时，优选地，在所述光源与所述透明超声波传感器之间还包括光学系统。
并且，优选地，在所述透明超声波传感器与所述被摄体之间还包括光学系统。
并且，优选地，还包括：机械扫描仪，其将所述光源和所述透明超声波传感器作为一个单元进行移动，以执行机械扫描。
并且，优选地，还包括：机械扫描仪，通过移动所述被摄体来执行机械扫描。
并且，优选地，还包括：光学扫描仪，布置在所述透明超声波传感器与所述被摄体之间。
并且，优选地，还包括：光学扫描仪，布置在所述光源与所述透明超声波传感器之间。
此外，所述光学扫描仪可以是诸如检流计(Galvanometer)扫描仪和微机电系统(MEMS，Micro Electro Mechanical Systems)扫描仪的多种反射板中任一种。
并且，优选地，所述透明超声波传感器包括：匹配部，实施光学阻抗匹配，并且由透明材料制成；压电层，位于所述匹配部后方，并且由透明材料制成；第一电极层和第二电极层，分别位于所述压电层的前后表面，并且分别由透明导电材料制成；第一壳体，与所述第一电极层连接；以及第二壳体，与所述第二电极层连接。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述匹配部包括声透镜。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述声透镜具有凹透镜、凸透镜、平透镜中的任一种形状。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述匹配部包含透明玻璃类、透明环氧树脂类和透明硅酮(silicone)类中的至少一种。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述压电层由具有光学透明性的压电材料制成。
此时，更优选地，所述透明超声波传感器的所述压电层包含LNO、PMN-PT、PVDF和PVDF-TrFE中的至少一种。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述第一电极层和所述第二电极层为具有光学透明性的电极。
此时，更优选地，所述透明超声波传感器的所述第一电极层和所述第二电极层分别包含银纳米线(AgNW)、氧化铟锡(ITO)、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述第一电极层和所述第二电极层的大小互不相同。
此外，优选地，所述透明超声波传感器的所述第一壳体和所述第二壳体分别呈在中心具有空的空间的环状。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述第一壳体以与所述第一电极层的边缘部接触的方式布置，并且所述第二壳体以与所述第二电极层的边缘部接触的方式布置。
并且，优选地，所述压电层、所述第一电极层和所述第一壳体位于所述透明超声波传感器的所述第二壳体的内部空间内。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述第一壳体和所述第二壳体包含导电材料。
并且，优选地，还包括连接于所述透明超声波传感器的所述第一壳体的第一信号线和连接于所述透明超声波传感器的所述第二壳体的第二信号线。
并且，优选地，还包括：后表面层，以与所述透明超声波传感器的所述第一电极层接触的方式设置并衰减超声波信号。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述后表面层被所述第一壳体包围。
此外，优选地，所述透明超声波传感器的所述后表面层包含透明玻璃类或透明环氧树脂类。
并且，优选地，还包括：绝缘部，位于所述透明超声波传感器的所述第一壳体与所述第一壳体之间并由透明绝缘材料制成。
并且，优选地，还包括：保护层，位于所述透明超声波传感器的所述匹配部前方并实施声阻抗匹配。
此外，优选地，所述透明超声波传感器的所述保护层包含聚对二甲苯(parylene；派瑞林)。
并且，优选地，还包括：校正透镜，位于所述透明超声波传感器的所述匹配层后方并调节通过所述匹配层的光的焦点，且所述校正透镜由透明材料制成。
并且，优选地，所述透明超声波传感器的所述校正透镜具有凸形形状。
另一方面，根据本发明的另一个示例的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其包括：两个以上光源；光源选择部，用于从所述两个以上光源中选择并输出至少一个光源；以及透明超声波传感器，与从所述光源选择部选择的所述至少一个光源同轴排列，并使从所述光源发射的光透射；所述透明超声波传感器布置在所述光源与被摄体之间。
发明效果
本发明具有以下效果：即实现一种基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其可通过采用能够使超声波路径和光路实现同轴的透明超声波传感器来改善信噪比并实现设备的小型化。
并且，当透明超声波传感器与光源结合时，从光源发射的光透射透明超声波传感器并照射到样品，因此具有消除以在结合光源和超声波传感器时使光绕过超声波传感器的方式设计系统时所带来的不便的效果。
并且，具有在样品的完全相同的位置处可同时获得超声波影像/信号和光学影像/信号的效果。
并且，具有通过同时与多种光源结合来实现多模态复合成像系统的效果。
并且，具有可将基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统应用于需要综合信息的多种医学影像诊断领域中以进行准确的诊断的效果。
附图说明
图1是示出利用传统的不透明超声波传感器的光声显微镜的原理的图。
图2是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第一实施例的框图。
图3是示出透明超声波传感器的类型的图。
图4是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第二实施例的框图。
图5是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第三实施例的框图。
图6是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第四实施例的框图。
图7是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第五实施例的框图。
图8是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第六实施例的框图。
图9是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第七实施例的框图。
图10是示出根据一实施例的透明超声波传感器的结构的图。
附图标记说明
1：基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统
10：光源
12：光源选择部
20：TUT
30、32、34：光学系统
40、42：机械扫描仪
50、52：光学扫描仪
211：保护层
213：匹配部
215：压电部
2151：压电层
2153：第一电极层
2155：第二电极层
216：后表面层
2171：第一壳体
2173：第二壳体
218：绝缘部
219：校正透镜
A：样品
具体实施方式
下面参照附图对根据本发明的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的多种实施例进行详细说明。
超声波传感器、超声波换能器、超声波探头都是用来指代同一对象的术语。这在整个说明书中都是相同的。
图2是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第一实施例的框图。
如图2所示，基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1被配置为包括光源10和透明超声波传感器(TUT，Transparent Ultrasound Transducer)20。
光源10可根据用途使用具有适当波长的各种类型的光源。
例如，当基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1用作光声显微镜时，光源10可以是例如具有532nm波长的脉冲激光光源。
或者，当基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1用作荧光成像影像拍摄装置时，光源10可以是例如具有488nm波长的连续波(CW，Continuous wave)激光光源。
或者，当基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1用作光学干涉断层拍摄影像(OCT，Optical Coherence Tomography)拍摄装置时，光源10可以是例如具有860nm中心波长的超发光发光二极管(SLED，Super luminescent Light Emitting Diode)光源。
在任何情况下，从基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1的光源10发出的光与TUT 20同轴排列。
在图2的实施例为光声显微镜的情况下，从光源10发射的激光被样品A吸收并热弹性膨胀，结果该激光的路径与从样品产生的超声波路径同轴排列。结果，当实现根据图2的实施例的光声显微镜时，如果生成通过将光声影像和超声波影像融合而得的复合影像，则可以获得在完全相同的地点拍摄的复合影像。
图3是示出透明超声波传感器的类型的图。
基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1的TUT 20中使用的透明超声波传感器可以是单个元件，然而也可以配置并采用排列有多个单个元件的阵列型透明超声波传感器。
在图3的(a)中例示了四方单个元件型透明超声波传感器，并且在图3的(b)中例示了圆盘形单个元件型透明超声波传感器。
在图3的(c)中例示了将多个四方透明超声波传感器排列m×n个的四方透明超声波传感器阵列。
在图3的(d)中例示了将多个圆盘形透明超声波传感器沿同心圆方向排列k个的圆形透明超声波传感器阵列。
此外，在图3的(a)至(d)中的任意透明超声波传感器的情况下，均可以根据用途自由地配置成焦点型(Focused type)或非焦点型(Unfocused type)。
图4是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第二实施例的框图。
图4所示的实施例是关于在根据图2的实施例的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统中增加光学系统的实施例。
如图4所示，可以将光学系统30、32追加到基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1的光源10与TUT 20之间以及TUT 20与样品A之间中的至少一处。
可以根据需要，在光学系统30、32中不同地使用透镜、反射镜(mirror)、滤光器、分离器(splitter)、组合器(combiner)以及它们的至少一些的组合，使得适合于基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1的用途和功能。
图5是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第三实施例的框图。
如图5所示，基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1可以被配置为除了光源10和TUT 20以外还包括机械扫描仪40。
基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1存在需要根据用途对样品A的成像表面进行扫描的情况。
为此，在根据图5的实施例的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1中，机械扫描仪40可通过移动同轴排列的光源10和TUT 20作为一个单元来执行扫描。
作为构成机械扫描仪40的致动器可以使用直线电机(Linear Motor)、步进电机(Stepping Motor)和旋转电机(Rotary Motor)等以往公知的各种方式的致动器，以适合基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1的用途。
图6是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第四实施例的框图。
与图5的实施例相同地，图6的实施例是在基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1中增加机械扫描仪42的情况。然而，图5的机械扫描仪40通过移动光源10和TUT20来执行扫描，而图6的机械扫描仪42可通过移动样品A来执行扫描。
与图5的机械扫描仪40相同地，图6的机械扫描仪42也可以使用直线电机、步进电机和旋转电机等以往公知的各种方式的致动器，以适合基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1的用途。
图7是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第五实施例的框图。
如图7所示，基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1可以被配置为除了光源10和TUT 20以外还包括光学扫描仪50。
在图7中，光学扫描仪50可以布置在TUT 20与样品A之间并执行扫描。
作为光学扫描仪50，可以使用采用检流计(Galvanometer)扫描仪或微机械电子系统(MEMS)的扫描仪等以往公知的各种方式的光学扫描仪，以适合基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1的用途。
另一方面，还可以根据需要省略光学系统30和/或光学系统32，或者还可以包括至少一个。
图8是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第六实施例的框图。
图8的实施例与图7的实施例之间的差异在于，在图7的实施例中光学扫描仪50布置在TUT 20与样品A之间并执行扫描，而在图8的实施例中光学扫描仪52布置在光源10与TUT20之间并执行扫描。
除此之外，光学扫描仪50与光学扫描仪52之间没有差异。
并且，在图8的实施例中也可以根据需要省略光学系统30和/或光学系统32，或者还可以包括至少一个。
图9是示出基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统的第七实施例的框图。
当获得光声影像(或信号)时，可以同时或隔着时间差将其与由透明超声波传感器获得的超声波影像(或传感器数据)融合。
并且，各种光学影像(OCT影像、荧光影像、红外影像等)也可以以通过与光声影像一起或代替光声影像的方式来与超声波影像进行融合。
为此，基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统1可以根据情况选择性地使用各种光源(包括各种波长的激光光源)和各种光学系统12。
例如，根据结合的光学模块的数量，可以实现为双模态(Dual-modal)(例如，超声波影像+来自第一光源的光声影像)复合成像系统。
或者，还可以实现为三模态(Triple-modal)(超声波影像+来自第一光源的光声影像+来自第二光源的荧光影像)复合成像系统。
或者，还可以实现为四模态(Quad-modal)(超声波影像+来自第一光源的光声影像+来自第二光源的荧光影像+来自第三光源的红外影像)复合成像系统。
或者，可以实现为结合了如上所述模态以上的光源的复合成像系统。
为此，光源选择部12起到从多个光源10中选择必要的光源并将其传递到TUT 20侧的作用。
光源选择部12可以包括反射镜、二向色(dichroscope)镜、凸透镜、凹透镜、光学窗口或它们的任意组合等各种光学系统以适合用途。
此外，光源10也可以根据光学模块或目的包括各种波长和光束形态(集束光束、发散光束、准直光束等)。
图10是示出根据一实施例的透明超声波传感器的结构的图。
图10中例示的透明超声波传感器20具有圆形平面形状的圆形形状，但不限于此。
透明超声波传感器20从右侧起可包括保护层211、位于保护层211后方的声透镜部213、位于匹配部213后方的压电部215、连接于压电部215的第一壳体2171和第二壳体2173、位于压电部215后方的后表面层216、位于第一壳体2171与第二壳体2173之间的绝缘部218以及位于第二壳体2173后方的校正透镜部219。
保护层211用于对透明超声波传感器220进行物理保护和电保护并减小与将要被超声波信号照射的介质之间(即与样品A)的声阻抗(acoustic impedance)差。因此，保护层211具有保护功能并且可以作为在液体(例如，水)与活体之间实施声阻抗匹配的匹配层工作。
这种保护层211可以由透明材料制成。作为一例，保护层211可以包含作为透明聚合物(polymer)的聚对二甲苯(parylene)。
在本示例中，保护层211的声阻抗可以是大约2.84兆瑞利(Mrayl)。
这种保护层211可以位于压电部215的前表面和侧表面以及位于透明超声波传感器20的最边缘处的第二壳体2173的侧表面。
因此，保护层211可以最终构成透明超声波传感器20的前表面和侧表面。
位于保护层211后方的匹配部213用于减小与照射从压电部215产生的超声波信号的介质之间(即与样品A之间)的声阻抗(acoustic impedance)差。
即，当由于压电部215的工作而产生超声波信号时，为了在除空气以外的水、活体组织或其他介质中有效地传递超声波信号，可以通过尽可能地调整介质的声阻抗来使超声波能量的损失最小化。
本示例的匹配部213的各声透镜可以是聚焦型(focused type)，其使用能够调节光和超声波信号的焦点的声透镜。
如上所述，由于匹配部213具有焦点调节功能，因此从样品A反射并入射到透明超声波传感器20的超声波信号被准确地聚焦在压电部215的期望位置处。
因此，通过这种匹配部213的焦点调节功能，实现对从压电部215输出的超声波信号获得的超声波影像的焦点的调节，从而可以获得清晰的超声波影像。
由此，提高了通过透明超声波传感器20的工作而获得的影像的清晰度，从而能够获得对于超声波信号照射的样品A的期望部位的清晰的影像。
另外，由于匹配部213利用声透镜，因此表面的曲率规定且表面的透明度提高，从而当发送和接收照射到样品A或从样品A反射的超声波信号时，可以减少超声波信号的损失量。
并且，可以根据需要在匹配部213上形成额外的透射膜或阻挡膜以仅透射或阻挡在期望波长范围内的信号。
设置在匹配部213的声透镜可以由透明玻璃类、透明环氧树脂类和透明硅酮类中的至少一种构成。
这种声透镜可以根据声透镜的功能来选择。
例如，当声透镜用作实施声阻抗匹配功能的匹配层时，在设置在压电部215的压电材料不是PVDF或PVDF-TrFE等聚合物(polymer)形态的情况下，声透镜可以更优选由玻璃类制成。
即，当压电材料由LNO(lithium niobite)或PMN-PT制成时，声阻抗高达30～40Mrayls，但在玻璃类的情况下，声阻抗低至10～15Mrayls，具有容易匹配声阻抗的声阻抗值，并且由于透明性非常好，因此当压电材料不是聚合物形态时，声透镜可以由玻璃类制成。
然而，在用于执行声阻抗匹配功能的匹配层已被制成的情况下，声透镜可以由透明环氧树脂类或透明硅酮类制成。
即，在已经存在在具有大约30～40Mrayls的声阻抗的压电材料与具有大约1～2Mrayls的声阻抗的活体组织之间或与水(即，将要照射超声波的介质)之间执行匹配功能的匹配层(大约7～20Mrayls)的情况下，由于不需要另外的声阻抗匹配动作，因此适合使用具有类似于活体组织或水的声阻抗的环氧树脂类或硅酮类(大约1～3Mrayls)。即，这是因为环氧树脂类和硅酮类的声阻抗具有与活体组织或水几乎相似的声阻抗，因此不需要另外的声阻抗匹配。
并且，可通过考虑声速(speed of sound)和声透镜材料的声速，确定声透镜曲面的曲率以及是凹还是凸。
例如，当声透镜由玻璃类制作时，可以使用光学透镜。此时，玻璃类的光速比水快，因此可以将声透镜设计成诸如平凹(plano-concave)的凹形形状。
当声透镜由透明环氧树脂类制作时，对初步制作的声透镜实施抛光工艺，以尽可能提高透明度并最终完成声透镜。这样，即使在声透镜由环氧树脂类制成的情况下，环氧树脂类的光速也比水快，因此也可以将声透镜制作成平凹形形状。
即使在声透镜由透明硅酮类制作的情况下，与环氧树脂类的情况相同地，也应通过实施另外的抛光工艺来最大限度地提高成品声透镜。在这种情况下，由于硅酮类的光速比水慢，因此与玻璃类和环氧树脂类的情况不同地，声透镜可以制作成诸如平凸(plano-convex)形状的凸形形状。这样，当声透镜被制作成平凸形形状时，声透镜可以具有会聚光的功能。
压电部215可以包括压电层2151、分别位于压电层2151的前后表面的第一电极层2153和第二电极层2155。
压电层2151作为发生压电效应和逆压电效应的层，如上所述，可以包含铌酸锂(LNO，lithium niobite)、PMN-PT、PVDF和PVDF-TrFE中的至少一种压电材料。
LNO的机电耦合系数(electromechanical coupling coefficient)高达约0.49，因此机电能量转换效率非常好。
并且，由于LNO具有低介电常数(dielectric permittivity)，当压电层2151由LNO构成时，透明超声波传感器可适用于具有大开口部的单个元件换能器(large aperturesingle element transducer)。
并且，由于LNO具有高居里温度(Curie temperature)，可以承受高温，因此可以实现具有良好耐热性的透明超声波传感器20的开发。
此外，当压电层2151由LNO形成时，可以容易地实现具有10MHz至400MHz的中心频率的单个元件超声波传感器的开发。
当压电层2151包含PMN-PT时，PMN-PT的压电性能(piezoelectric performance)(d33～1500-2800pC/N)和机电耦合系数(k>0.9)非常高，因此可以提高透明超声波传感器20的性能。
与LNO不同，这种PMN-PT具有高介电常数，因此可以实现适用于小孔径单个或阵列超声波传感器(small aperture single or array ultrasound transducer)的透明超声波传感器20的开发。
并且，当压电层2151包含PVDF和PVDF-TrFE中的至少一种时，可以具有以下特征。
PVDF和PVDF-TrFE可以具有聚合物膜(Polymer film)形态并且能够制作具有柔性(flexible)和可拉伸的(stretchable)压电层2151，由此，可以减小压电层2151的厚度，并且与变薄的厚度相对应地，可以制作约100MHz频带的高频带信号的透明超声波传感器20。
并且，PVDF和PVDF-TrFE具有较低的机电耦合系数和高的接收常数(receivingconstant)，并具有比其他压电材料宽的带宽，并且无论是单个元件或阵列形态的元件均可以容易地制作。
其中，单个元件(例如，单个超声波传感器)可以指包括压电材料的所有配置的数量都是1个的超声波传感器。并且，阵列形态的元件(例如，阵列超声波传感器)可以是包含压电材料的所有配置的数量为多个(n个)的超声波传感器，并且可以被配置为通常在医院中使用的形态。此时，形态可以是线性(linear)形态、凸形(convex)形态、二维(2D)矩阵(matrix)形态等。
在本示例的情况下，类似于PMN-PT的小孔径的单个或阵列超声波传感器均可以制作。
这种压电层2151的材料特性可总结为如下【表1】。
【表1】
LNO PMN-PT PVDF&PVDF-TrFE
大小 大(Large) 小(Small) 中(Medium)
带宽大小 中(Medium) 中(Medium) 宽(broad)
可用频率范围 1～400MHz 1～100MHz 1kHz～100MHz
信号传输性能 好(Good) 好(Good) 坏(Bad)
信号接收性能 好(Good) 好(Good) 好(Good)
机电耦合系数 中(Medium) 好(Good) 坏(Bad)
分别位于压电层2151的前后表面的第一电极层2153和第二电极层2155分别接收来自驱动信号发生器(未图示)的(+)驱动信号和(-)驱动信号，以对压电层2151发挥逆压电效应，使超声波信号向样品A侧传递，相反地，可以接收电信号并将其输出到外部，该电信号是从样品A反射并接收到的超声波信号而由压电层2151的压电效应产生的。如上所述，这种第一电极层2153和第二电极层2155可以由透明导电材料构成，例如，可以包含银纳米线(AgNW)、ITO、碳纳米管和石墨烯(graphene)中的至少一种。
为了与第一壳体2171和第二壳体2173容易结合，第一电极层2153的大小与第二电极层2155的大小可以互不相同。
因此，在具有圆形平面形状的第一电极层2153和第二电极层2155中，第二电极层2155的直径不同于第一电极层2153的直径，使得第二电极层2155的一部分(例如，边缘部)可以从第一电极层2153的边缘部向外部突出。
当向压电材料施加电信号(例如，脉冲信号)时，压电材料(即压电层2151)前后振动并产生超声波信号，不仅在朝向样品A的压电层2151的前表面产生超声波信号，而且在其相反侧的后表面也产生超声波信号。
此时，由于在后表面产生的超声波信号不朝向样品A，因此如此在后表面产生的超声波信号起到噪声信号的作用。并且，从样品A反射回来的超声波信号的一部分可以通过匹配部215并朝向校正透镜部219侧输出。
因此，后表面层216位于压电部15的后表面，并可起到衰减在压电部215的后表面产生的超声波信号以及衰减从样品A反射的超声波信号进行的作用。
像这样，由于后表面层216位于压电部215的后表面(即位于被反射的超声波信号入射的压电部215的前表面的相反侧表面)，因此入射的超声波信号不会通过压电部215的后表面。
由此，防止由通过压电部215的后表面的超声波信号造成的不必要的信号干扰，并且防止反射到压电部215的超声波信号的损失，从而可以减小衰荡信号(ring downsignal)并减小衰荡现象。
衰荡是不必要的信号沿时间轴拉长的现象，是对影像造成不利影响的因素。
因此，为了减少这种衰荡现象，可以通过调整声阻抗和厚度中的至少一个来制作适当的后表面层216。
当使用具有高声阻抗的物材料制作后表面层216时，衰荡现象减少，并且在时间轴上衰荡现象减少的含义类似于在频域上带宽增大的含义。但是，替代地，当发送和接收超声波信号时，整个超声波信号的大小也会由于后表面层216而衰减。
反之，当使用具有相对低的声阻抗的材料来制造后表面层216时，衰荡现象不会大幅减少且带宽减小，但可以增加超声波信号的发送和接收量。
后表面层216也可以由透明非导电材料制成，例如，可以由透明环氧树脂类(例如Epotek301)或透明玻璃类制成。
当后表面层216由Epotek301制成时，在声阻抗具有低至3.1Mrayl的声阻抗的情况下，实现低信号衰减(damping)，使得透明超声波传感器20能够获得较高的信号。
并且，Epotek301具有非常高的透明度，例如在380nm～2000nm的波长下具有约95％以上的透明度，并且由于其在常温下固化，因此后表面层216容易被制造。
当后表面层216由玻璃制成时，透明度和平坦度高，并且不需要另外的固化工艺。
当玻璃具有约13Mrayl的声阻抗时，在后表面层216，由于高信号衰减作用，脉冲长度(pulse length)减小，从而衰荡效果减少，但是，可以发挥增加透明超声波传感器20的频率带宽的效果。
这种后表面层216可以根据需要被省略。
如上所述，第一壳体2171和第二壳体2173分别连接到第一电极层2153和第二电极层2155。因此，这种第一壳体2171和第二壳体2173可以由包含实现电信号传递的导电材料(例如，铜)的透明导电材料制成。
因此，第一壳体2171通过第一信号线L1(未图示)接收相应信号并将其传递到第一电极层2153，反之，可将从第一电极层2153施加的信号输出到第一信号线L1。
第二壳体2173也通过作为与第一信号线L1不同的信号线的第二信号线L2(未图示)接收相应信号并将其传递到第二电极层2155，反之，可将从第二电极层2155施加的信号输出到第二信号线L2。
在本示例中，输入到第一信号线L1的信号可以是脉冲信号，并且流入到第二信号线L2的信号可以是接地信号或屏蔽信号(-)，因此第一壳体2171可以将脉冲信号传递到第一电极层2153，并且第二壳体2173可以将接地信号传递到第二电极层2155。
这种第一壳体2171和第二壳体2173均呈环(ring)状，并且可以以与各相接触的相应电极层2153、2155的边缘部(即圆形的侧面)接触的方式设置。
即，第一电极层2153和第二电极层2155可插入并安装到位于第一壳体2171和第二壳体2173内部的空的空间内。
因此，如图2所示，基于第一壳体2171和第二壳体2173，透明超声波传感器20以包围实际有效区域AR1的周边的方式设置，从而可以最小化第一壳体2171和第二壳体2173(实际上第一壳体2171)而导致的有效区域AR1的减小。
像这样，第一壳体2171和第二壳体2173起到将电信号传递到相应电极层2153、2155的作用，因此其可以包含具有良好导电性的材料。
由于第一壳体2171位于设置在接收光的压电层2151的整个后表面的第一电极层2151的边缘部(即周围部)，因此优选具有尽可能薄的宽度W11，并且为了最小化布线电阻等引起的信号损失率，可具有尽可能厚的厚度。
如图3和图4所示，由于第二壳体2173与具有比第一电极层2153大的直径的第二电极层2155结合，因此具有比第一壳体2171大的直径。
并且，由于第二壳体2173位于第一壳体2171的外围，起到保护透明超声波传感器20的作用，因此可具有比第一壳体2171大的宽度和厚度。
因此，第一电极层2153和第一壳体2171可以位于第二壳体2173内。
并且，如上所述，暴露于外部的第二壳体2173的外侧面被保护层211覆盖着，以防止噪声信号通过第二壳体2173流入到透明超声波传感器20。
由于第二壳体2173不影响压电层2151的光接收面积，因此可以根据需要增加大小。
并且，可以通过在第二壳体2173中形成螺纹线或连接器等来将期望的光学部件结合到第二壳体2173中。在这种情况下，第二壳体2173可以用作用于与其他部件结合的结合部。
绝缘部218可以以与相应壳体2171、2173接触的方式位于用于将相应的电信号传递到相应的电极层2153、2155的第一壳体2171与第二壳体2173之间，以对第一壳体2171和第二壳体2173进行绝缘并防止电短路或短路(short)，并且可以起到固定第一壳体2171和第二壳体2173的位置的作用。
这种绝缘部218可以由诸如非导电环氧树脂的透明绝缘材料制成。作为一个示例，当匹配部213使用平凹(plano-concave)形状的声透镜时，从样品A反射并入射的光和超声波信号虽然可通过匹配部213的声透镜来调节其焦点，但其在通过匹配部213之后，会出现光扩散现象。
因此，将具有与匹配部213中使用的声透镜的形状相反的平凸(plano-convex)形状的校正透镜部219设置在后表面层217前方，可通过补偿这种光折射现象来防止光扩散现象。
此时，校正透镜部219的曲率可以根据光最终位于哪个位置来选择性地使用。
像这样，校正透镜部219仅影响光的焦点而与超声波信号的焦点无关，但是匹配部213的声透镜均可以影响超声波信号的焦点和光的焦点。
这种校正透镜部219可根据需要而被省略，并且可以通过改变校正透镜部219来调整光的焦距。
并且，校正透镜部219可以具有同时调整被反射并接收到的超声波信号的焦点和光的焦点的共焦功能。然而，当校正透镜部219具有共焦功能时，应考虑在通过透明超声波传感器20之前的光的形态来设计校正透镜部219。
在本示例中，校正透镜部219包括一个透镜，但不限于此，并且可以通过除了诸如平凸透镜的一个透镜之外还包括用于像差校正的透镜，因此可以包括多个透镜。
当具有这种结构且位于透明超声波传感器20的有效区域AR1中的所有组件均由透光的透明材料制成时，透明超声波传感器20的特征如下。
首先，由于通过匹配部213的工作实现光学阻抗匹配(即整合)，因此可以提高从透明超声波传感器20输出的信号的可靠性。
并且，由于使用在匹配部213中使用的具有焦点调节功能的声透镜，因此可以实现从样品A反射的光和超声波信号的焦点的调节，从而光和超声波信号可以凝聚在压电部215的期望的准确的位置上。由此，通过从透明超声波传感器20输出的信号来获得的超声波影像的清晰度大幅提升，从而可准确掌握相应样品A是否存在，而且还可掌握检测到的样品A的精确的形状。
并且，如上所述，由于构成透明超声波传感器20的组件(例如，保护层211、匹配部213、压电部215、后表面层216、校正透镜部219)均由诸如透明玻璃类、透明环氧树脂类、透明硅酮类的透明材料制成，因此从光源10输出的光可以直接通过透明超声波传感器20并向相应样品A侧照射。
由此，可以自由布置具有透明超声波传感器20的光学系统，并且可以提高安装光学系统的空间的利用率。
并且，根据用户的需求，可以选择性地使用校正透镜部219，并且可以通过改变校正透镜部219来调节光的焦距。
并且，当根据用户的需求使用400-1000nm用涂层的平凹形形状的光学透镜作为声透镜时，在400-1000nm范围可以很好地透射光，从而可以提高超声波影像的清晰度。具体的涂层工艺和厚度等可以在满足需要的范围内广泛应用以往公知的涂层技术，也可以省略光学透镜表面的涂层。
当使用平凹形形状的光学透镜作为声透镜213时，发生由声透镜引起的光扩散现象，但是由校正透镜部219引起的光扩散现象被补偿，并且可以在期望的地点调整光的焦点。像这样，通过使用补偿透镜，可以扩大声透镜的选择范围。
通过这种声透镜213和校正透镜部219的焦点调节来保持光的形状(shape)，由此可以保持精细的聚焦，从而可以获得高分辨率的光学影像(例如，光声影像或光学干涉断层拍摄影像)。
并且，分别将第一信号线L1和第二信号线L2连接到构成透明超声波传感器20的壳体的第一壳体2171和第二壳体2173，并向透明超声波传感器20的第一电极2153和第二电极2155施加电信号，因此可容易实施信号线L1、L2的连接。
此外，可以通过在作为外侧壳体的第二壳体2173中形成螺纹等，来使地与其他光学元件的连接或结合更容易。像这样，由于实现必要的光学元件与位于与从光源10射出的光的路径完全无关的部分的第二壳体2173的结合，因此光正常且无损失地入射到透明超声波传感器20的压电部215，并且沿法线方向通过透明超声波传感器20的中心，因此可以容易地实现光与超声波信号的排列。
这里，垂直的含义可以是指光在垂直于透明超声波传感器(例如，透明超声波传感器)的入射面的方向上直行。
像这样，当光垂直入射到超声波传感器时，可使光和超声波信号的焦点位置完全一致，因此可以进一步提高从透明超声波传感器获得的影像的清晰度。
如上所述，可以存在匹配层，用于最小化由于空气与介质之间的声阻抗差导致的介质中的超声波能量的损失。
可以存在一个以上这种匹配层。
在比较例中，这种匹配层的形成可以如下实现。
当超声波信号的介质为水或活体组织(1.5Mrayl)时，在压电层为LNO(34.5Mrayl)或PMN-PT(37.1Mrayl)的情况下，需要进行声阻抗匹配以获得超声波能量的最大发送和接收效率。在这种情况下，会需要由37.1Mrayl至1.5Mrayl范围内的材料制成的1层以上的匹配层。
此时，当利用KLM仿真工具(simulation tool)(例如，PiezoCAD、PZFLEX等)生成特定的匹配层时，需要通过模拟来确认从水或活体组织传递的超声波信号的波形以寻找合适的匹配层材料，并且由于生成的匹配层的厚度也会影响超声波波形，并且厚度对波形的影响也很大，因此需要通过调整匹配层的厚度来寻找合适的厚度。从理论上讲，波能最小损失的厚度是通过波动方程式在期望的λ/4的厚度处成为最小损失(c＝λ*f，c：声速(speed ofsound)约1480/s，λ：波长，f：期望的中心频率)。
在传统的超声波传感器中，通常由银粉(silver powder)与环氧树脂(epoxy)的混合物(7.9Mrayl)形成第一个匹配层。此时，可根据银粉与环氧树脂的混合比例来调节声阻抗，作为一个示例可以是，银粉：环氧树脂＝3：1.25。
然后，可通过聚对二甲苯(2.8Mrayl)的涂层形成第二个匹配层。
当压电层为PVDF或PVDF-TrFE(约4Mrayl)时，仅使用聚对二甲苯的涂层即可生成一个匹配层。这里，由聚对二甲苯涂层形成的匹配层不仅可以起到匹配层的作用，而且还可以起到从外部保护和绝缘的作用。
然而，在根据本示例的透明超声波传感器20的情况下，由于位于有效区域AR1的组件(例如，保护层211、匹配部213、压电部215、后表面层216、校正透镜部219)是透明的，因此在构成压电层的LNO或PMN-PT的情况下，可利用玻璃来生成匹配层213。此时，由于根据玻璃的原料(例如，硼硅酸盐玻璃(borosilicate glass)＝13Mrayl、冠玻璃(Crown glass)＝14.2Mrayl、石英(Quartz)＝14.5Mrayl、平板玻璃(plate glass)＝10.7Mrayl、钠钙玻璃(sodalime glass)＝13Mrayl)而略有不同，因此可以适当地选择和使用所需的玻璃。
然后，可以使用透明环氧类或硅酮类(例如，PDMS)来生成第二个匹配层(例如，2～6Mrayl)，并且可以使用聚对亚苯基涂层来生成第三个匹配层。此时，省略第二个匹配层层的生成，并且可以直接使用聚对二甲苯涂层在第一个匹配层(例如，匹配部213)上方形成第二个匹配层(例如，保护层211)。即使在这种情况下，也可以通过利用从KLM模拟得到的结果模拟波形来实施期望的匹配层的生成。
根据本示例的透明超声波传感器20中，作为一个示例，使用由硼硅酸盐(borosilicate)制作的工程透镜作为第一个匹配层，并且可通过聚对二甲苯涂层，在第一个匹配层上方形成第二个匹配层，以实现声阻抗匹配、从外部的保护以及信号绝缘。
如上所述，该光学透镜不仅可以起到声阻抗匹配的功能，还可以起到对从压电层产生的超声波信号进行集束(即聚焦)的作用。
由于透明超声波传感器20主要用于影像采集用途，因此超声波信号的集束是一个影响高分辨率和高灵敏度(sensitivity)的重要因素。

Claims (31)

1.一种基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统包括：
至少一个光源，以及
透明超声波传感器，与从所述光源发射的光同轴排列，并使从所述光源发射的光透射；
所述透明超声波传感器布置在所述光源与被摄体之间。
2.根据权利要求1所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
光学系统，设置在所述光源与所述透明超声波传感器之间。
3.根据权利要求1所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
光学系统，设置在所述透明超声波传感器与所述被摄体之间。
4.根据权利要求1所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
机械扫描仪，将所述光源和所述透明超声波传感器作为一个单元进行移动，以执行机械扫描。
5.根据权利要求1所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
机械扫描仪，通过移动所述被摄体来执行机械扫描。
6.根据权利要求1所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
光学扫描仪，布置在所述透明超声波传感器与所述被摄体之间。
7.根据权利要求1所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
光学扫描仪，布置在所述光源与所述透明超声波传感器之间。
8.根据权利要求6或7所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述光学扫描仪选自由至少包括检流计扫描仪和微机电系统扫描仪的光学扫描仪的组。
9.根据权利要求1所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述透明超声波传感器包括：
匹配部，实施光学阻抗匹配，并且由透明材料制成；
压电层，位于所述匹配部后方，并且由透明材料制成；
第一电极层和第二电极层，分别位于所述压电层的前后表面，并且分别由透明导电材料制成；
第一壳体，与所述第一电极层连接；以及
第二壳体，与所述第二电极层连接。
10.根据权利要求9所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述匹配部包括声透镜。
11.根据权利要求10所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述声透镜具有凹透镜、凸透镜、平透镜中的任一种形态。
12.根据权利要求9所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述匹配部包含透明玻璃类、透明环氧树脂类和透明硅酮类中的至少一种。
13.根据权利要求9所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述透明超声波传感器的所述压电层由具有光学透明性的压电材料制成。
14.根据权利要求13所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述压电层包含LNO、PMN-PT、PVDF和PVDF-TrFE中的至少一种。
15.根据权利要求9所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述透明超声波传感器的所述第一电极层和所述第二电极层为具有光学透明性的电极。
16.根据权利要求15所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述第一电极层和所述第二电极层分别包含银纳米线、氧化铟锡、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。
17.根据权利要求9所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述第一电极层和所述第二电极层的大小互不相同。
18.根据权利要求17所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述第一壳体和所述第二壳体分别呈在中心具有空的空间的环状。
19.根据权利要求18所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述第一壳体以与所述第一电极层的边缘部接触的方式布置，所述第二壳体以与所述第二电极层的边缘部接触的方式布置。
20.根据权利要求19所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述压电层、所述第一电极层和所述第一壳体位于所述第二壳体的内部空间内。
21.根据权利要求19所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述第一壳体和所述第二壳体包含导电材料。
22.根据权利要求19所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
连接于所述第一壳体的第一信号线和连接于所述第二壳体的第二信号线。
23.根据权利要求18所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
后表面层，以与所述第一电极层接触的方式设置并衰减超声波信号。
24.根据权利要求23所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述后表面层被所述第一壳体包围。
25.根据权利要求24所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述后表面层包含透明玻璃类或透明环氧树脂类。
26.根据权利要求19所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
绝缘部，位于所述第一壳体与所述第一壳体之间并由透明绝缘材料制成。
27.根据权利要求19所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
保护层，位于所述匹配部前方并实施声阻抗匹配。
28.根据权利要求27所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述保护层包含聚对二甲苯。
29.根据权利要求19所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，还包括：
校正透镜，位于所述匹配层后方并调节通过所述匹配层的光的焦点，且所述校正透镜由透明材料制成。
30.根据权利要求29所述的基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述校正透镜具有凸形形状。
31.一种基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统，其中，
所述基于透明超声波传感器的超声波光学复合成像系统包括：
两个以上光源，
光源选择部，用于从所述两个以上光源中选择并输出至少一个光源，以及
透明超声波传感器，与从所述光源选择部选择的所述至少一个光源同轴排列，并使从所述光源发射的光透射；
所述透明超声波传感器布置在所述光源与被摄体之间。
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