WO2019231009A1 - 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈 및 그 설계방법 - Google Patents

메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈 및 그 설계방법 Download PDF

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acoustic lens
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sub
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백경민
김세화
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    • A61N2007/0056—Beam shaping elements
    • A61N2007/006—Lenses

Definitions

  • the present invention relates to an ultra-thin acoustic lens for sub-wavelength focusing in the megasonic range and a design method thereof. More specifically, an ultra-thin film ( ⁇ 0.14) that can exceed the Rayleigh diffraction limit (0.61 ⁇ / NA, where NA is NumericalAperture) called the Super-Oscillatory Acoustic Lens (SOAL) in the megasonic range ( ⁇ 1 MHz). ⁇ ) sub-wavelength focusing lens.
  • SOAL Super-Oscillatory Acoustic Lens
  • the acoustic lens according to the invention is characterized by allowing the generation of sub-wavelength focusing without the need to operate in close proximity of the object to be imaged.
  • the optimum layout of the acoustic lens according to the present invention can be obtained using a systematic design method called topology optimization.
  • the optimization formula is newly defined in the present invention.
  • the sub-wavelength focusing feature which can concentrate acoustic energy in very small areas, is the most important task from the diagnosis of medical ultrasound to the therapeutic field.
  • This sub-focus concentration can enable the discovery and treatment of very small objects such as cancers and tumors that are difficult to detect with conventional medical ultrasound imaging and treatment systems. In other words, it can indirectly provide better medical services to many people.
  • acoustic lenses can be considered as a good solution.
  • Figure 1 shows a typical classification of acoustic lenses according to the use of evanescent waves.
  • Such acoustic lenses can be classified into two types according to the utilization of evanescent waves, as shown in FIG. 1. These are related to the evanescent wave because the evanescent wave contains sub-wavelength information about the object.
  • acoustic lenses using evanescent waves can be realized through Acoustic MetaMaterial (AMM), which is an artificially designed periodic (or non-periodic) microstructure.
  • AMM Acoustic MetaMaterial
  • AMM-based lenses can achieve an improved focus limit (0.05 ⁇ / NA).
  • the object to be imaged must be close to the lens to couple the near-field evanescent wave to the lens.
  • fabricating microstructures in the megasonic range (> 1 MHz) still has problems in manufacturing quality and energy loss control.
  • planar acoustic lens capable of concentrating acoustic energy by modulating a phase delay of acoustic waves
  • FZP Fresnel Zone Plate
  • AMS Acoustic MetaSurface
  • SOL Super-Oscillatory Lens
  • the present invention has developed a systematic inverse design process of SOAL based on topology optimization to determine the optimal material distribution in the desired design area in order to make up for the shortcomings of the existing design methodology and to perform efficiently.
  • an optimized SOAL was first experimentally realized and the sub-wavelength focusing function was achieved in the megasonic range (1 MHz in the embodiment of this invention).
  • an object of the present invention is to provide an ultra-thin acoustic lens capable of sub-wavelength focusing in the megasonic range.
  • a sub-wavelength focused ultra-sound wave lens (Super-Oscillatory Acoustic Lens) of megasonic range ( ⁇ 1 MHz) that can surpass Rayleigh diffraction limit (0.61 ⁇ / NA, NA is Numerical Aperture) SOAL) is to provide.
  • the present invention it is possible to allow the generation of sub-wavelength focusing without having to operate in close proximity of the object to be imaged, and the optimum layout of the acoustic lens can be obtained using a systematic reverse design method called topology optimization. It is an object of the present invention to provide an ultra-thin acoustic lens for subwavelength focusing in the megasonic range having excellent subwavelength focusing performance.
  • An object of the present invention in the ultra-oscillation planar acoustic lens, having a plurality of concentric circle regions arranged in a concentric shape with respect to the center point, the concentric circle area is a sound insulation region for sound-injecting sound waves radially from the center point,
  • the transmissive areas for transmitting sound waves are formed to cross each other, focusing incident incident sound wave energy into the sub-wavelength areas, and the acoustic lens has a flat surface on both sides and has a constant thickness, and a plurality of sound insulations in the concentric circles
  • the layout which is the radius of each of the region and the transmission region, is determined by a topology optimization reverse design method and can be achieved as an ultra-thin acoustic lens for subwavelength focusing in the megasonic range, which can be provided spaced apart from the transducer. .
  • the acoustic lens may be configured as a binary ring mask type super oscillating acoustic lens.
  • the acoustic energy in the main focal region may be gradually increased and maximized during the topology optimization process.
  • the acoustic lens may be configured to be replaced with another acoustic lens having a different layout by being provided in a spaced form without being attached to the transducer.
  • the full width at half maximum (FWHM) in the main focal region may be less than the Rayleigh diffraction limit.
  • the full width at half maximum (FWHM) in the main focal region may be 0.5 ⁇ / NA or less.
  • the thickness of the acoustic lens may be characterized in that less than 0.15 ⁇ .
  • the layout design of the sound insulation area and the transmission area may be determined by Equation 2 below.
  • Equation 2 p is the acoustic pressure, ⁇ e is a design variable that varies from 0 to 1 during phase optimization, VFF is the required volume ratio that defines the ratio of the opaque region to the entire design region, and V design is the total The volume of the design area, e is the threshold for relaxation of the constraint g 2 , and NE is the sum of the design variables.
  • the material distribution in the design region may be determined based on Equations 3a and 3b below.
  • Equations 3a and 3b q 1 and q 2 are penalty coefficients for mass density ⁇ and sound velocity c, respectively.
  • an object of the present invention is to provide a method for designing a super oscillating planar acoustic lens, comprising: determining a design area for an optimal layout; Setting a desired main focal region and determining sound transmissive and sound insulating materials; Setting a desired FWHM and introducing constraints; Optimizing the layout of the transmission area and the sound insulation area by a topology optimization reverse design method; And manufacturing an acoustic lens through a photo etching method based on an optimized layout.
  • the method may be achieved as a method of designing an ultra-thin acoustic lens for sub-wavelength focusing in the megasonic range.
  • the acoustic energy in the main focal region may be gradually increased and maximized during the topology optimization process.
  • the layout design of the sound insulation area and the transmission area may be determined by Equation 2 below.
  • Equation 2 p is an acoustic pressure, ⁇ e is a design variable that varies from 0 to 1 interval during phase optimization, VFF is an essential volume ratio that defines the ratio of the opaque region to the entire design region, V design is The volume of the entire design area, e is the threshold for relaxation of the constraint g 2 , and NE is the sum of the design variables.
  • the material distribution in the design region may be determined based on Equations 3a and 3b below.
  • Equations 3a and 3b q 1 and q 2 are penalty coefficients for mass density ⁇ and sound velocity c, respectively.
  • the design variable may be updated based on the slope information calculated by the Adjoint Variable Method (AVM).
  • AVM Adjoint Variable Method
  • the heavy-side projection filtering method having beta-continuation may be repeated.
  • the acoustic lens according to the embodiment of the present invention it is possible to provide an ultra-thin acoustic lens capable of sub-wavelength focusing in the megasonic range.
  • the Rayleigh diffraction limit (0.61 ⁇ / NA, NA is NumericalAperture) has the effect that can be exceeded.
  • the ultra-thin acoustic lens for sub-wavelength focusing in the megasonic range it is possible to allow the generation of the sub-wavelength focusing without having to operate in close proximity of the object to be imaged, and to optimize the acoustic lens.
  • Layout has the advantage of using a systematic reverse design approach called topology optimization.
  • 4 and 5 are numerical models for both design and analysis of binary ring mask type SOAL.
  • FIG. 6 is a plan view showing the layout of the manufactured FZP lens
  • FIG. 7 is a plan view of an optimized SOAL manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • the super-oscillation mechanism of the megasonic super oscillating acoustic lens proposed in the present invention can be simply demonstrated in a one-dimensional (1D) wave composed of six spatial Fourier components according to the approach.
  • the 1D waveform may be defined as f (r) in Equation 1.
  • Equation 1 r means the transverse position normalized to the radius of the source transducer.
  • Figures 2 and 3 show the megasonic SOAL and its basic mechanism according to the present invention
  • Figure 2 is the basic mechanism of the 1D ultra oscillation function
  • the top panel is the super vibration function (blue) and the fastest Fourier element (red)
  • the super-oscillation function can be separated into two regions, the desired main focal region and the unwanted side lobes.
  • FIG. 3 it can be seen that the SOAL having a binary ring mask controls both phase and amplitude, and converts the incident acoustic plane wave into a needle-shaped focused beam through the SOAL.
  • super oscillation means a waveform that oscillates faster than the highest constituent frequency component of the original wavelength at a defined interval (eg, the desired main focusing region).
  • a defined interval eg, the desired main focusing region.
  • ultra-oscillation based sub wavelength focusing can be achieved by controlling the amplitude (Fourier coefficients) and phase (2 ⁇ nr) of waves diffracted from the micro-slit of the lens.
  • the sub-wavelength characteristics of the ultra oscillation wave must involve a high amplitude region outside the desired main condensing region. Unwanted areas are called side lobes. To improve the focusing performance of the lens (ie narrower FWHM), undesirable side lobes are an inevitable result. This is because the relationship between the desired area and the undesired area has a trade-off performance. Therefore, it is necessary to select an appropriate size of the desired main focal region in order to actually design the SOAL.
  • SOAL can be realized through a binary ring mask having a phase and amplitude that varies spatially.
  • the binary ring mask type SOAL can realize sub-wavelength focusing based on ultra oscillation phenomenon. It can be manufactured using conventional microfabrication techniques such as photo etching process. For this reason, in the present invention, a binary ring mask type SOAL is applied as a sub-wavelength focusing method. This SOAL can be used to convert the original waveform into a super-oscillation waveform with sub-wavelength focusing characteristics.
  • topology change such as increasing or decreasing the number of holes in a desired design area
  • topology optimization which is one of the most flexible types of reverse design methods, is applied.
  • FIG. 4 and 5 show a numerical model for both design and analysis of a binary ring mask type SOAL
  • FIG. 4 shows a configuration of a numerical model for topology design of a layout of a binary ring mask type SOAL.
  • a two-dimensional (2D) line-symmetric finite element model is used to efficiently solve the acoustic propagation problem in the megasonic range based on the Helmholtz equation.
  • Figure 5 shows the topology optimization history, and the image shows the evolution of the 2D topology layout of acoustic energy and SOAL during the optimization process.
  • the black areas represent the SUS 303 material and the white areas represent water.
  • Acoustic energy in the main focusing region i.e., the red semi-circular target bright region of FIG.
  • Gradually increases.
  • the area for optimal layout of the SOAL ie design area, ⁇ design
  • the area for optimal layout of the SOAL is located 10mm away from the source transducer, which can be modeled by the radiation boundary conditions. Analysis and design areas are bounded by absorption boundaries to avoid wave reflections.
  • the radius and height of the design area are 30mm and 0.2mm, respectively. Then, the position of the desired main focal region (ie, the red semi-circular target bright region of FIG. 4) is located 25 mm (ie, about 16.6 lambda) away from the design region. On the other hand, acoustic opacity and transparent areas are necessary to design the layout of the SOAL.
  • the side lobe as well as the main focal region is maintained while maintaining the band limiting characteristic of the main focal region (ie, the red semicircular target bright region of FIG. 4). lobe).
  • Constraints related to the desired FWHM were introduced to set the topology optimization.
  • Acoustic lenses typically have acoustic energy in the main focusing area ) Is optimized by maximizing only.
  • the objective function As well as new constraints (g 2 ) associated with the desired FWHM. This is a simple but very powerful optimization formula in terms of SOAL design. Therefore, the topology optimization setting for designing the layout of the SOAL in the present invention may be defined by Equation 2 below.
  • VFF is an essential volume ratio that defines the ratio of opaque area (sound insulation area) to the overall design area.
  • V design is the volume of the entire design area.
  • ⁇ is the threshold for the relaxation of constraint g 2 . In an embodiment of the invention, this value is selected from 10 ⁇ 3 .
  • NE is the sum of the design variables.
  • the material distribution in the design area may be determined based on the following equations 3a and b.
  • q 1 and q 2 are the penalty coefficients for mass density ( ⁇ ) and sound velocity (c), respectively. This penalty coefficient is used to speed up the convergence of the optimization process. This value is chosen to be 1.5 in this embodiment of the invention.
  • MMA Moving Asymptotes
  • This type of optimization algorithm requires first order derivatives (ie, gradients) of the objective function called design sensitivity to update design variables. Therefore, in the present invention, an efficient design sensitivity analysis based on the Adjoint Variable Method (AVM) is performed to calculate the slope information.
  • AVM Adjoint Variable Method
  • FIG. 5 shows the process of both acoustic energy and SOD 2D topology optimal layout.
  • the initial layout appears close to the black rectangle because the optimization process starts with an area that is completely filled with a solid material (ie SUS 303).
  • a pure 0-1 solution ie a perfect binary ring mask type SOAL
  • the heavy side projection filtering method with beta-continuation is applied every 50 times.
  • the objective function ie acoustic energy
  • the topology optimization history plot (FIG. 5).
  • This optimization history confirms that the SOAL layout converges well during the optimization process.
  • the proposed systematic design methodology can be applied to the reverse design of multilayer SOALs in addition to the single-layer SOALs mentioned above.
  • FIGS. 6 and 7 graphically illustrates an experimental setup for measuring acoustic fields through conventional FZP lenses and optimized SOAL according to an embodiment of the present invention. That is, FIG. 6 shows the manufactured FZP lens, and the layout (ie, the dimension of the annular area) is determined by the equation (4). 7 illustrates a monolayer optimized SOAL fabricated in accordance with an embodiment of the present invention. 8 shows an experimental setup for measuring acoustic fields with conventional FZP lenses and optimized SOAL.
  • the experimental apparatus according to the experimental example of the present invention was composed of a transducer, a hydrophone, an arbitrary waveform generator, an amplifier, and a water tank, as shown in FIG.
  • Transducers (“KRISS1MHz4p5" (using KRISS's own international standard transducers)) are used to create plane waves.
  • 500 ⁇ m diameter needle-type hydrophones with underwater preamplifiers are used to accurately measure acoustic fields through acoustic lenses.
  • the arbitrary waveform generator (33250A, Agilent Technologies) was used at 1 MHz to produce a 15-cycle tone burst signal of 200 mV rms.
  • An RF amplifier (2100L RF amplifier, Electronics & Innovation, Ltd) was used to amplify the generated tone burst signal. All equipment was installed in deionized and deaerated water tanks, and the acoustic field passing through the acoustic lens was measured by an acoustic intensity measurement system (Soniq software AIMS III, ONDA).
  • FIGS. 11 and 12 show experimentally measured sound intensity fields.
  • all the results in FIG. 13 are normalized by the maximum value of the measured loudness.
  • the finite element method based on commercial software COMSOL Multiphysics and MATLAB was used for numerical analysis and design optimization of SOAL.
  • the materials used in the simulation are water and SUS 303.
  • Time-harmonic analysis is used to calculate acoustic fields with optimized SOAL.
  • Second Somerfeld absorbing boundary conditions are set at the outer boundary of the simulation region to eliminate boundary reflecting acoustic waves.
  • the source transducer is approximated with plane wave boundary conditions.
  • the largest mesh element size is set smaller than 1/10 of the wavelength.
  • FIG. 5 shows a comparison of numerical values and experimental results of a single layer optimized SOAL in terms of sub-wavelength focusing performance.
  • FIGS. 9 and 10 are numerical values based on a conventional FZP lens (FIG. 9) and an optimized SOAL (FIG. 10).
  • 11 and 12 show experimentally measured sound intensity fields emitted by a conventional FZP lens (FIG. 11) and an optimized SOAL (FIG. 12), 13 is a comparative graph of the normalized sound intensity field, and the cross-sectional measuring line along the transverse direction is indicated by broken lines.
  • FIG. 13 shows a cross-sectional plot of the normalized acoustic intensities of FIGS. 9-12 and closely compares the lateral FWHM.
  • NA must be taken into account to accurately evaluate the sub-wavelength focusing performance of an optimized SOAL.
  • the NA is about 0.707 for an optimized SOAL according to an embodiment of the present invention with a single layer. Therefore, the light collection limit (i.e. Rayleigh diffraction limit) of the conventional acoustic lens is 0.61 lambda / NA? 0.86 lambda? 1.28mm.
  • FWHM (0.40 ⁇ / NA ⁇ 0.57 ⁇ ⁇ 0.84mm) is narrower than conventional FZP lens (0.64 ⁇ / NA ⁇ 0.91 ⁇ ⁇ 1.37mm), and (2) Rayleigh diffraction limit (0.61 ⁇ / NA ⁇ 0.86) ⁇ ⁇ 1.28 mm) can be overcome and sub wavelength focusing (0.40 ⁇ / NA ⁇ 0.57 ⁇ ⁇ 0.84 mm) is achieved.
  • the optimized SOAL has a very narrow sound passage area (i.e. micro-slit). In practice, this can cause a loss of thermal viscosity and cause a damping effect.
  • the narrowest acoustic pass-through area ( ⁇ 0.29 mm) of SOAL optimized here is 20 ° C and 1 because it is much larger than the thickness of the heat ( ⁇ thermal -0.21 ⁇ m) and viscous ( ⁇ viscous -0.56 ⁇ m) layers estimated by a simple analysis formula. The effect of heat-viscosity loss at atmospheric pressure can be neglected.
  • narrower micro slits must be manufactured under appropriate uncertainty. Since the loss effect maximized by these narrow micro slits can have a significant impact on the performance of the SOAL, a fully coupled model of thermal and acoustics will need to be considered in the optimization of the work.
  • the embodiment of the present invention has optimized an ultra-small SOAL having a sub-wavelength focusing function capable of focusing incident acoustic energy into the sub-wavelength region.
  • a reverse engineering method called topology optimization was applied.
  • SOAL is designed to maximize the focusing performance of acoustic energy from the FWHM perspective.
  • the embodiment of the present invention confirmed that the SOAL optimized by experimental implementation of the SOAL can overcome the diffraction limit and achieve the sub-wavelength focusing function.
  • acoustic energy must be concentrated at a location remote from the acoustic lens (ie, z'' ⁇ ).
  • the acoustic lens should have a long focal length.
  • the optimized SOAL can concentrate the acoustic energy at a position of about 16 ⁇ , which would complement the shortcomings of near-field imaging approaches, including several AMM-based lenses. While there is still a solution to the effect of heat viscosity loss by very narrow micro slits, optimized SOAL has great practical advantages.
  • the optimized SOAL according to an embodiment of the present invention may provide various advantages such as low power treatment, long focal length far focus, and focal length control through optimized SOAL replacement. Therefore, the therapeutic performance of high intensity focused ultrasound (HIFU) / high intensity ultrasound (HITU) can be improved.
  • optimized SOAL can be applied to acoustic microscopy to actually realize ultra-resolution acoustic imaging.
  • the concept of optimized SOAL may be extended to various wave based systems (eg, elastic, acoustic, light waves, etc.) through a similar design process proposed in the embodiment of the present invention.
  • the above-described apparatus and method may not be limitedly applied to the configuration and method of the above-described embodiments, but the embodiments may be selectively combined in whole or in part in each of the embodiments so that various modifications may be made. It may be configured.

Abstract

본 발명은 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈 및 그 설계방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 초 발진 평면 음향렌즈에 있어서, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고, 상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 입사되는 음파를 차음시키는 차음영역과, 음파를 투과시키는 투과영역이 교차되며 형성되어, 입사되는 입사 음파에너지를 서브파장영역으로 집속시키며, 상기 음향렌즈는 양면이 평평한 면으로 구성되며 두께가 일정한 판형태이고, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경인 레이아웃은 토폴로지 최적화 역설계방법에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈에 관한 것이다.

Description

메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈 및 그 설계방법
본 발명은 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈 및 그 설계방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 메가 소닉 범위(≥1 MHz)의 초 발진 음파 렌즈(Super-Oscillatory Acoustic Lens, SOAL)라고 불리는 레일리 회절 한계(0.61λ/NA, NA는 NumericalAperture)를 능가할 수 있는 초박막(≤0.14λ) 서브 파장 집속 렌즈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 음향렌즈는 이미지화 될 물체의 아주 근접한 곳에서 작동할 필요없이 서브 파장 집속의 생성을 허용하는 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 음향렌즈의 최적 레이아웃은 토폴로지 최적화라고하는 체계적인 설계 방식을 사용하여 얻을 수 있다. 이를 위해 본 발명에서는 최적화 공식이 새롭게 정의된다. 최적화된 음향렌즈는 포토 에칭 공정을 이용하여 제작되며, 서브 파장 집속 성능은 음향 세기 측정 시스템을 통해 실험적으로 검증하였다. 측정 결과에 따르면 최적화된 음향렌즈는 ~0.40λ/NA(NA = 0.707)의 FWHM(Full Width at Half Maximum)를 갖는 우수한 초점 기능을 얻을 수 있음을 확인했다.
매우 작은 영역에 음향 에너지를 집중시킬 수 있는 서브 파장 집속 특징은 의료용 초음파의 진단에서 치료 분야에 이르기까지 가장 중요한 과제에 해당한다. 이러한 파장 이하의 집중화는 일반적인 의료 초음파 이미징 및 치료 시스템으로는 검출하기 어려운 암 및 종양과 같은 매우 작은 물체를 발견하고 치료할 수 있게 할 수 있다. 즉, 간접적으로 많은 사람들에게 더 나은 의료 서비르를 제공할 수 있음을 의미한다.
그러나, 통상의 시스템은 사용된 파의 파장 정도까지 달성될 수 있는 포커싱 한계를 갖는다. 포커싱 한계(d)는 사용된 파장(λ) 및 이미징 시스템의 개구수 (NA)가 d=0.61λ/NA (즉, 레일리 회절 한계)에 의해 제한된다.
한편, 이러한 회절 한계를 초과하고 서브 파장 집속 성능을 갖는 음향 이미징 및 치료 시스템을 달성하기 위해서는, 음향 렌즈가 좋은 해결책으로 고려 될 수있다.
도 1은 소멸파(evanescent waves)의 활용에 따른 음향렌즈의 전형적인 분류를 나타낸 것이다. 이러한 음향 렌즈는 도 1에 도시된 바와 같이, 소멸파(evanescent waves)의 활용에 따라 두 가지 유형으로 분류할 수 있다. 이것들이 소멸파와 관련되어 있는 이유는 소멸파가 물체에 대한 파장 이하의 미세 정보를 포함하고 있기 때문이다.
첫째, 좀 더 구체적으로 설명하면, 소멸파를 사용하는 음향 렌즈는 인위적으로 설계된 주기적인(또는 주기적이지 않은) 미세구조인 Acoustic MetaMaterial(AMM)를 통해 실현 될 수 있다. 예를 들어, 음향 슈퍼 렌즈, 음향 하이퍼 렌즈 등이 있다.
AMM 기반 렌즈는 향상된 초점 한계(0.05λ / NA)를 달성 할 수 있다. 그러나, 영상화될 물체는 근접 영역 소멸파를 렌즈에 결합시키기 위해 렌즈에 근접해야한다. 또한, AMM 기반 렌즈의 원리는 이미 실험적으로 입증되었지만, 메가 소닉 범위(> 1 MHz)에서 미세 구조를 제조하는 것은 여전히 제조 품질 및 에너지 손실 제어에 문제점을 가지고 있다.
따라서, 소멸파를 사용하지 않고 서브 파장 집속 기능을 갖춘 음향 렌즈를 구현할 수 있다면 실제로 임상 애플리케이션을 위한 매우 강력한 솔루션이 될 수 있다. 이러한 필요성에 기초하여 소스 트랜스 듀서의 전면에 부착된 형태의 굴절 형 오목 렌즈가 주로 사용되었다. 그러나, 그 적용 범위는 일반적으로 큰 크기 및 불량 분리 특성으로 인해 제한된다. 이러한 유형의 음향 렌즈를 통해 앞서 언급한 회절 한계를 극복하는 것도 어렵다.
따라서, 더욱 소형의 음향 렌즈를 실현하기 위해, 프레넬 존 플레이트(FZP, Fresnel Zone Plate) 렌즈와 같은 음향파의 위상 지연을 변조함으로써 음향 에너지를 집중시킬 수 있는 평면 음향 렌즈의 개발이 요구되었다. 현재까지 평면 음향 렌즈의 실용화에 대한 다양한 시도가 있어 왔지만, 이들 평면 렌즈를 통한 집속 파장을 달성하는 것은 여전히 어려운 문제이다.
이러한 제한을 해결하기 위해, 최근에 몇몇의 Acoustic MetaSurface(AMS) 기반 렌즈가 제안되었다. 그러나, AMS 기반 렌즈의 구성이 매우 복잡하기 때문에(예를 들어, 코일 링 구조 또는 미로(labyrinthine) 구조), 그들은 가청 주파수 범위의 공기 매체에 대해서만 실험적으로 실현되었다.
메가 소닉(megasonic) 범위의 수중 매체의 경우 제조가 어렵기 때문에 사실상 실현 가능한 음향 렌즈가 없다. 즉 현재까지 메가 소닉 범위에서 서브 파장 집속 기능을 가진 초박형 평면 음향 렌즈는 실현되지 않고 있다.
특히 목표 동작 주파수로 메가 소닉 범위(> 1 MHz)에 주목하는 또 다른 이유는 수중 매체에서 파장이 상대적으로 크기 때문에 매우 작은 구경을 가진 수중 하이드로폰을 통해 메가 소닉 빔을 측정하기 쉽다는 것이다. 메가 소닉 빔이 파장에 필적하는 크기의 구멍을 가진 수중 하이드로폰을 통해 측정되는 경우, 크기 효과로 인해 정확한 FWHM을 측정 할 수 없다.
한편, 광학 분야에서 2012년 한 연구에 따르면 초 발진 렌즈(Super-Oscillatory Lens, SOL)이라는 탁월한 평면 광학 렌즈가 서브 파장 집속을 실현할 수 있음이 밝혀졌다. 초-발진의 개념은 주 초점 영역에서 이미지 파형이 원본 이미지 파형의 가장 높은 구성 주파수 성분보다 훨씬 더 빠르게 진동하는 현상에 해당한다. 이 연구는 PSU(Particle Swarm Optimization) 알고리즘에 의해 설계된 광학 렌즈에서 10λ 떨어진 위치에 서브 파장 집속 기능을 구현했다. 이것은 SOL의 개념이 서브 파장 집속에 대한 실용적인 해결책으로서 광학 이미징에 적용될 수 있다고 처음보고 했다. SOL의 매력적인 특징은 소멸파(evanescent waves)를 사용하지 않고 서브 파장 집중을 제공 할 수 있다는 것이다. 다시 말하면, 서브 파장 집속 특징은 전파를 통해서만 달성 될 수 있다. 따라서 기존의 메타 물질 기반 렌즈와 달리 SOL에서는 매우 가깝게 물체를 배치 할 필요가 없다.
이것은 SOL을 통한 원거리(far-field) 서브 파장 초점을 실현하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 음향 분야에서는 SOL에 대응하는 것으로, 최근 2014년에 음향 초 발진 현상의 실현 가능성이 검토되었다. 이 연구는 이론적으로 압전 링의 반지름을 조정하여 서브 파장 집속을 달성했지만, 실험적 실현은 수행되지 않았다. 또한, 이웃하는 환형 링 타입의 압전 소자 사이에 기계적 누화가 없다는 이상적인 가정이 고려되었다. 따라서 실현 가능하고 적용 가능한 초 발진 음향 렌즈(SOAL)를 설계하기 위해서는 소스 조건, 작동 주파수, 원하는 서브 파장 집속 영역 및 렌즈 두께를 포함한 실용적인 설계 요소를 설계 과정에서 고려해야 한다.
더욱이 앞서 언급 한 기존 연구들은 PSO 또는 GA(Genetic Algorithm)와 같은 휴리스틱 알고리즘(heuristic algorithm)을 기반으로 한 설계 방법론을 사용하여 이러한 설계 요소를 고려했다. 이러한 설계 방법론은 구현이 쉽지만 계산 비용이 매우 비싸고 시간이 오래 걸리고 설계된 SOAL의 구성이 제한적이라는 단점을 갖는다.
따라서 본 발명에서는 기존의 설계 방법론의 단점을 보완하고 효율적으로 수행 할 수 있도록 원하는 설계 영역에서 최적의 재료 분포를 결정할 수 있는 토폴로지 최적화를 기반으로 한 SOAL의 체계적인 역 설계 과정을 개발하였다. 본 발명에 따르면 최적화된 SOAL이 처음 실험적으로 실현되었으며 서브 파장 집속 기능은 메가 소닉 범위(이 발명의 실시예에서는 1 MHz)에서 달성되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속이 가능한 초박막 음향렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면 레일리 회절 한계(0.61λ/NA, NA는 Numerical Aperture)를 능가할 수 있는 메가 소닉 범위(≥1 MHz)의 서브 파장 집속 초 발진 음파 렌즈(Super-Oscillatory Acoustic Lens, SOAL)를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 이미지화 될 물체의 아주 근접한 곳에서 작동할 필요없이 서브 파장 집속의 생성을 허용할 수 있고, 음향렌즈의 최적 레이아웃은 토폴로지 최적화라고하는 체계적인 역설계 방식을 사용하여 얻을 수 있으며, 우수한 서브 파장 집속 성능을 갖는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈를 제공하는 데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적은, 초 발진 평면 음향렌즈에 있어서, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고, 상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 입사되는 음파를 차음시키는 차음영역과, 음파를 투과시키는 투과영역이 교차되며 형성되어, 입사되는 입사 음파에너지를 서브파장영역으로 집속시키며, 상기 음향렌즈는 양면이 평평한 면으로 구성되며 두께가 일정한 판형태이고, 상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경인 레이아웃은 토폴로지 최적화 역설계방법에 의해 결정되며, 트랜스듀서와 이격되어 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 음향렌즈는 바이너리 링 마스크형 초 발진 음향렌즈로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 토폴로지 최적화 과정 동안 주 초점 영역에서의 음향에너지는 점차적으로 증가되어 최대화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 음향렌즈는 트랜스듀서에 부착되지 않고 이격된 형태로 구비되어 다른 다양한 레이아웃을 갖는 또 다른 음향렌즈로 교체가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 주 초점 영역에서의 FWHM(Full Width at Half Maximum)는 레일리 회절한계이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 주 초점 영역에서의 FWHM(Full Width at Half Maximum)는 0.5λ/NA이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 음향렌즈의 두께는 0.15λ이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 차음영역과 상기 투과영역의 레이아웃 설계는 이하의 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000001
Figure PCTKR2018006128-appb-I000002
Figure PCTKR2018006128-appb-I000003
Figure PCTKR2018006128-appb-I000004
수학식 2에서, p는 음향 압력, γe는 위상 최적화 동안 0에서 1까지의 간격으로 변하는 설계 변수이고, VFF는 전체 설계 영역에 대한 불투명 영역의 비율을 정의하는 필수 부피 비율, Vdesign은 전체 설계영역의 볼륨, e은 제약조건(g2)의 전환(relaxation)을 위한 임계값, NE는 설계 변수의 합계이다.
또한 갱신된 설계 변수에 따라, 설계 영역에서의 재료 분포는 이하의 수학식 3a, 수학식 3b에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 3a]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000005
[수학식 3b]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000006
상기 수학식 3a 및 수학식 3b에서, q1과 q2는 각각 질량 밀도(ρ), 음속(c)에 대한 패널티 계수이다.
또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은 초 발진 평면 음향렌즈를 설계하는 방법에 있어서, 최적 레이아웃을 위한 설계영역을 결정하는 단계; 원하는 주 초점영역을 설정하고 음향 투과물질과 차음물질을 결정하는 단계; 원하는 FWHM을 설정하고, 제약조건을 도입하는 단계; 토폴로지 최적화 역설계방법에 의해 투과영역과 차음영역의 레이아웃을 최적화하는 단계; 및 최적화된 레이아웃을 기반으로 포토 에칭 방법을 통해 음향렌즈를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈의 설계 방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 토폴로지 최적화 과정 동안 주 초점 영역에서의 음향에너지는 점차적으로 증가되어 최대화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 차음영역과 상기 투과영역의 레이아웃 설계는 이하의 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000007
Figure PCTKR2018006128-appb-I000008
Figure PCTKR2018006128-appb-I000009
Figure PCTKR2018006128-appb-I000010
상기 수학식 2에서, p는 음향 압력, γe는 위상 최적화 동안 0에서 1까지의 간격으로 변하는 설계 변수이고, VFF는 전체 설계 영역에 대한 불투명 영역의 비율을 정의하는 필수 부피 비율, Vdesign은 전체 설계영역의 볼륨, e은 제약조건(g2)의 전환(relaxation)을 위한 임계값, NE는 설계 변수의 합계이다.
그리고 갱신된 설계 변수(γe)에 따라, 설계 영역에서의 재료 분포는 이하의 수학식 3a, 수학식 3b에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 3a]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000011
[수학식 3b]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000012
상기 수학식 3a 및 수학식 3b에서, q1과 q2는 각각 질량 밀도(ρ), 음속(c)에 대한 패널티 계수이다.
또한, 최적화 과정동안, AVM(Adjoint Variable Method)에 의해 계산된 기울기 정보를 기반으로 상기 설계변수를 업데이트하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 최적화 과정동안, 베타-연속을 갖는 헤비 사이드 투영필터링 방법이 반복되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음향렌즈에 따르면, 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속이 가능한 초박막 음향렌즈를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈에 따르면, 레일리 회절 한계(0.61λ/NA, NA는 NumericalAperture)를 능가할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈에 따르면, 이미지화될 물체의 아주 근접한 곳에서 작동할 필요없이 서브 파장 집속의 생성을 허용할 수 있고, 음향렌즈의 최적 레이아웃은 토폴로지 최적화라고하는 체계적인 역설계 방식을 사용하여 얻을 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 소멸파(evanescent waves)의 활용에 따른 음향렌즈의 전형적인 분류,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 메가 소닉 SOAL 및 그것의 기본 메커니즘,
도 4, 도 5는 바이너리 링 마스크형 SOAL의 설계와 분석 모두를 위한 수치 모델
도 6은 제작된 FZP렌즈의 레이아웃을 나타낸 평면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 최적화 SOAL의 평면도,
도 8은 기존의 FZP 렌즈와 최적화된 SOAL을 통한 음향 장 측정을 위한 실험 설정,
도 9는 기존의 FZP 렌즈를 통해 수치 계산된 음향세기 필드
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 최적화된 SOAL을 통해 수치 계산 된 음향 세기 필드,
도 11은 기존의 FZP 렌즈를 통해 실험적으로 측정된 음향 세기 필드,
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 최적화된 SOAL을 통해 실험적으로 측정된 음향 세기 필드,
도 13은 정규화된 음향 세기 필드의 비교그래프를 도시한 것이다.
이하에서는 초-발진 현상의 증명과 서브 파장 집속 음향 렌즈에 대한 적용에 대해 설명하도록 한다. 본 발명에서 제안된 메가 소닉 초 발진 음향렌즈의 초-발진 메커니즘은 접근법에 따라 여섯 개의 공간 푸리에(Fourier) 성분으로 구성된 1 차원(1D) 파에서 단순히 증명 될 수 있다. 1D 파형은 수학식 1에서 f(r)로 정의할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000013
수학식 1에서, r은 소스 트랜스듀서의 반경으로 정규화된 횡 방향 위치를 의미한다. 여기서 An은 푸리에 계수(여기서는 A0 = 19.0123, A1 = -2.7348, A2 = -15.7629, A3 = -17.9047, A4 = -1.0000, A5 = 18.4910)를 사용하였다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 메가 소닉 SOAL 및 그것의 기본 메커니즘을 나타낸 것으로 도 2는 1D 초 발진 함수의 기본 메커니즘으로, 상부 패널은 초 진동 함수(청색)과 가장 빠른 푸리에 요소(적색)이고, 하단 패널은 좁은 피크를 보여주는 r = 0 근처 함수의 확대를 나타낸 것이다. 초-발진 기능은 두 개의 영역, 즉 원하는 주 초점 영역과 원하지 않는 사이드 로브(lobe)로 분리될 수 있다. 도 3에 도시 된 바와 같이, 바이너리 링 마스크(binary ring mask)가 있는 SOAL은 위상과 진폭을 모두 제어하고, SOAL을 통해 입사 음향 평면파를 바늘형 집속 빔으로 변환 할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 도 2에서, 원래의 파동의 음향 세기 |f (r)|2(즉, 실선 파란 선) 및 그의 가장 빠른 푸리에 성분(ffastest = P*cos(10πr))(즉, 파선 빨간 선)을 도시한다.
여기에서 "가장 빠른"이라는 용어는 원래 파형의 최고 주파수 성분에 의한 공간적으로 가장 빠른 진동 성분을 의미한다. 도 2의 하단 패널에 나타난 것처럼 r = 0 부근의 원래 파의 가장 빠른 푸리에 성분보다 약 10 배 좁은 fAsym = P * cos (500πr) 인 좁은 피크가 있음을 알 수 있다.
이러한 1D에서, 초 발진이 한정된 간격(예 : 원하는 메인 포커싱 영역)에서 원래 파장의 가장 높은 구성 주파수 성분보다 빠르게 진동하는 파형을 의미한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 서브 파장 집속 특징은 이러한 유한 영역에서만 보장된다. 이러한 1 D에서 볼 수 있듯이, 초-발진 현상 기반의 서브 파장 집속은 렌즈의 마이크로 - 슬릿으로부터 회절된 파의 진폭(푸리에 계수) 및 위상(2πnr)을 제어함으로써 달성될 수 있다.
한편, 초 발진파의 서브 파장 특성은 원하는 주요 집광 영역 외부의 고 진폭 영역을 수반해야 한다. 원하지 않는 영역을 사이드 로브라고 한다. 렌즈의 포커싱 성능(즉, 더 좁은 FWHM)을 개선하기 위해, 바람직하지 않은 사이드 로브는 불가피한 결과이다. 왜냐하면, 원하는 영역과 원하지 않는 영역 사이의 관계는 트레이드 - 오프 성능을 갖기 때문이다. 따라서, SOAL을 실질적으로 설계하기 위해 원하는 주 초점 영역의 적절한 크기를 선택할 필요가 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, SOAL은 공간적으로 변하는 위상 및 진폭을 갖는 바이너리 링 마스크를 통해 실현 될 수 있다. 바이너리 링 마스크 형 SOAL은 초 발진 현상에 기반한 서브 파장 집속을 구현할 수 있다. 그것은 포토 에칭 공정과 같은 종래의 미세 가공 기술을 사용하여 제조 될 수 있다. 이러한 이점 때문에 본 발명에서 서브 파장 집속화 실현 방법으로 바이너리 링 마스크형 SOAL을 적용하였다. 이러한 SOAL을 이용하여 오리지널 파형을 서브 파장 집속 특징을 갖는 초-발진 파형으로 변환 할 수 있다.
다음으로 바이너리 링 마스크형 SOAL의 최적 레이아웃을 설계하기 위해 물리적으로 정량화 가능한 최적화 공식을 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 설계 최적화 과정에서는 원하는 설계 영역에서 홀의 수의 증가 또는 감소와 같은 위상 변화가 허용되기 때문에 가장 유연한 유형의 역설계 방법 중 하나인 토폴로지 최적화를 적용하였다.
바이너리 링 마스크형 SOAL의 최적 레이아웃을 얻으려면 수치 모델을 분석과 설계 모두에 고려해야한다. 도 4, 도 5는 바이너리 링 마스크형 SOAL의 설계와 분석 모두를 위한 수치 모델을 나타낸 것이고 도 4는 바이너리 링 마스크형 SOAL의 레이아웃의 토폴로지 설계를 위한 수치모델의 구성을 나타낸 것이다. 여기서는 Helmholtz 방정식을 기반으로 메가 소닉 범위에서 음향 전파 문제를 효율적으로 해결하기 위해 2차원(2D) 선대칭 유한 요소 모델을 사용하였다. 도 5는 토폴로지 최적화 히스토리를 도시한 것으로 이미지는 최적화 과정 동안 음향 에너지와 SOAL의 2D 토폴로지 레이아웃의 진화를 보여주고 있다. 검은색 영역은 SUS 303 재질을 나타내고 흰색 영역은 물을 나타낸다. 메인 포커싱 영역(즉, 도 4의 적색-반원형 대상 밝은 영역)에서의 음향 에너지(
Figure PCTKR2018006128-appb-I000014
)는 점차적으로 증가한다.
도 4는 Helmholtz 방정식을 기반으로 메가 소닉 범위에서 음향 전파 문제를 효율적으로 해결하기 위해 2 차원(2D) 선대칭 유한 요소 모델을 사용하였다. SOAL의 최적 레이아웃을 위한 영역(즉, 설계 영역, Ωdesign)은 방사선 경계 조건에 의해 모델링 될 수 있는 소스 트랜스듀서로부터 10mm 떨어진 위치에 위치한다. 웨이브 반사를 피하기 위해 분석 및 설계 영역을 흡수 경계로 묶었다.
설계영역의 반지름과 높이(즉, SOAL의 두께)는 각각 30mm와 0.2mm이다. 그 다음, 원하는 주 초점영역(즉,도 4의 적색-반원형 타겟 밝은 영역)의 위치는 설계 영역으로부터 25mm(즉, 약 16.6λ) 떨어진 곳에 위치한다. 한편, 음향 불투명 및 투명 영역은 SOAL의 레이아웃을 설계하는 데 필요하다. 이를 위해 본 발명의 실시예에서는 SUS 303 재질(질량 밀도, ρSUS 303 = 8,000 kg/m3 및 음속, cSUS 303 = 4,484 m / s) 및 물(ρwater = 1,000 kg/m3 및 cwater = 1,482 m/s)는 각각 음향 불투명 및 투명 영역에 사용된다.
한편, 서브 파장 집속을 위한 바이너리 링 마스크형 SOAL을 체계적으로 설계하기 위해서는 주 초점 영역(즉, 도 4의 적색 반원형 타겟 밝은 영역)의 대역 제한 특성을 유지하면서, 주 초점 영역뿐만 아니라 사이드 로브(side lobe)를 고려할 필요가 있다. 토폴로지 최적화 설정을 위해 원하는 FWHM과 관련된 제약 조건이 도입되었다. 일반적으로 음향 렌즈는 메인 집속 영역에서의 음향 에너지(
Figure PCTKR2018006128-appb-I000015
)만 최대화하여 최적화되었다. 그러나, SOAL의 서브 파장 집속 특성을 보장하기 위해, 목적 함수(
Figure PCTKR2018006128-appb-I000016
)뿐만 아니라 원하는 FWHM과 관련된 제약 조건(g2)을 새로 도입하였다. 이것은 SOAL의 설계 측면에서 간단하지만 매우 강력한 최적화 공식에 해당한다. 따라서 본 발명에서 SOAL의 레이아웃을 설계하기 위한 토폴로지 최적화 설정은 이하의 수학식 2로 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000017
Figure PCTKR2018006128-appb-I000018
Figure PCTKR2018006128-appb-I000019
Figure PCTKR2018006128-appb-I000020
여기서 p는 음향 압력, γe는 위상 최적화 동안 0에서 1까지의 간격으로 변하는 설계 변수이다. VFF는 전체 설계 영역에 대한 불투명 영역(차음영역)의 비율을 정의하는 필수 부피 비율이다. Vdesign은 전체 설계영역의 볼륨이다. ε은 제약조건(g2)의 전환(relaxation)을 위한 임계값이다. 본 발명의 실시예에서, 이 값은 10-3으로 선택된다. NE는 설계 변수의 합계이다. 여기서, 갱신된 설계 변수(γe)에 따라, 설계 영역에서의 재료 분포는 다음의 수학식 3a,b에 기초하여 결정될 수 있다. γe = 0 일 때, 음향 재료는 물(즉, 음향 투과 영역)에 대응하고, γe = 1 일 때, 음향 재료는 SUS303(즉, 차음 영역)에 대응한다.
[수학식 3a]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000021
[수학식 3b]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000022
여기에서 q1과 q2는 각각 질량 밀도(ρ), 음속(c)에 대한 패널티 계수이다. 이 패널티 계수는 최적화 과정의 수렴 속도를 향상시키는 데 사용된다. 이러한 값은이 본 발명의 실시예에서 1.5로 선택된다. 그 다음 최적화 알고리즘으로 MMA (Moving Asymptotes) 방법을 사용한다.
이러한 유형의 최적화 알고리즘은 설계 변수를 업데이트하기 위해 설계 감도라고 부르는 목적 함수의 1 차 미분정보(즉, 구배(gradient))를 필요로 한다. 따라서 본 발명에서 이러한 기울기 정보를 계산하기 위해 Adjoint Variable Method(AVM)에 기반한 효율적인 설계 민감도 분석을 수행한다.
도 5는 음향 에너지및 SOAL의 2D 토폴로지 최적 레이아웃 모두의 과정을 도시하고 있다. 최적화 프로세스는 고체 재료(즉, SUS 303)로 완전히 채워지는 영역에서 시작하기 때문에 초기 레이아웃은 검정색 사각형에 가깝게 나타난다. 여기서, 순수한 0-1 솔루션(즉, 완벽한 바이너리 링 마스크 타입 SOAL)을 찾기 위해, 베타- 연속을 갖는 헤비 사이드 투영 필터링 방법이 50 번마다 적용된다.
그러므로, 목적 함수(즉, 음향 에너지
Figure PCTKR2018006128-appb-I000023
)는 토폴로지 최적화 이력 플롯(도 5)에 나타난 바와 같이 50 번마다 약간 점프한다. 이러한 최적화 히스토리는 SOAL 레이아웃이 최적화 프로세스 중에 잘 수렴함을 확인한다. 또한 제안된 체계적인 설계 방법론은 앞서 언급한 단층 SOAL 외에도 다층 형 SOAL의 역 설계에 동일하게 적용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 초 발진 음향렌즈(SOAL)의 서브 파장 집속의 실험적 결과에 대해 설명하도록 한다. 최적화된 SOAL의 서브 파장 집속 성능을 검증하기 위해 포토 에칭을 통해 원형을 제작하고 음향 세기 측정 시스템을 사용하여 최적화된 SOAL에서 방사된 음향 장을 측정하는 실험을 수행하였다. 최적화된 SOAL의 서브 파장 집속 성능은 최적화된 SOAL의 것과 동일한 1차 초점 길이(즉, 원하는 메인 집속 영역의 위치)를 갖는 종래의 FZP 렌즈와 비교함으로써 검증하였다. 1 차 초점 거리 (F)를 갖는 종래의 FZP 렌즈의 레이아웃은 이하의 수학식 4을 사용함으로써 얻어 질 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2018006128-appb-I000024
여기서, bn은 n 번째 환형 영역의 반지름이다. n = 1, 2 ... N, 여기서는 N은 총 구역 개수이다. F는 메인 초점 거리, λ는 사용된 음파 파장이다. 종래의 FZP 음향 렌즈와 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 SOAL은 도 6 및 도 7에 나타낸 것처럼 포토 에칭을 사용하여 제작되었다. 도 8은 기존의 FZP 렌즈와 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 SOAL을 통해 음향 장을 측정하기 위한 실험 설정을 그래픽으로 도시한 것이다. 즉, 도 6은 제작된 FZP렌즈를 도시한 것으로서 레이아웃(즉, 환형 영역의 치수)은 수학식 4에 의해 결정된다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 단층 최적화 SOAL를 도시한 것이다. 도 8은 기존의 FZP 렌즈와 최적화된 SOAL을 통한 음향 장 측정을 위한 실험 설정을 나타낸 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실험예에서는, 효과적으로 음향 장을 측정하기 위해 SOAL의 분리성을 쉽게 조정할 수 있는 지그를 제작하였다(도 8의 우측). 이러한 지그를 통해 단 하나의 소스 트랜스듀서에 대한 메가 소닉 집속 성능에 다양한 평면 렌즈의 영향을 테스트 할 수 있었다.
본 발명의 실험예에 따른 실험 장치는 도 8에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서, 하이드로폰, 임의파형 발생기, 증폭기 및 물탱크로 구성하였다. 트랜스 듀서(, "KRISS1MHz4p5"(KRISS 자체 개발 국제 표준 변환기를 사용))는 평면파를 만드는 데 사용된다.
수중 전치 증폭기가 장착된 500㎛ 직경 니들 형 하이드로폰(Precision Acoustics)은 음향 렌즈를 통해 음향 분야를 정확하게 측정하는 데 사용된다. 또한 1 MHz에서 200 mVrms의 15 사이클 톤 버스트 신호를 생성하기 위해 임의 파형 발생기(33250A, Agilent Technologies)를 사용하였다. 생성된 톤 버스트 신호를 증폭하기 위해 RF 증폭기(2100L RF 증폭기, Electronics & Innovation, Ltd)가 사용되었다. 모든 장비는 탈 이온 및 탈기 물탱크에 설치 한 다음 음향 렌즈를 통과하는 음향 장을 음향 세기 측정 시스템(Soniq 소프트웨어 인 AIMS III, ONDA)으로 측정하였다.
실험적으로 측정된 결과를 표시하기 전에 수치 계산 된 결과를 먼저 제시하도록 한다. 도 9와 도 10은 각각 기존의 FZP 렌즈(좌측, a)와 최적화된 SOAL(우측 패널, b)을 통해 수치 계산 된 음향 세기 필드를 보여준다. 이에 대응하여, 도 11 및 도 12는 실험적으로 측정된 음향 세기 필드를 도시한 것이다. 여기서, 도 13의 모든 결과는 측정된 음향 세기의 최대 값에 의해 표준화된다.
본 발명의 실시예에서 상용 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics및 MATLAB을 기반으로 한 유한 요소법(FEM)은 SOAL의 수치 해석 및 설계 최적화에 사용되었다. 시뮬레이션에 사용된 재료는 물과 SUS 303이다. 시간-고조파 분석(time-harmonic analysis)은 최적화된 SOAL을 통해 음향 필드를 계산하는 데 사용된다. 2 차 소머 펠트 흡수 경계 조건(Sommerfeld absorbing boundary conditions)은 경계 반사 음향 파를 제거하기 위해 시뮬레이션 영역의 외부 경계에 설정된다. 소스 트랜스듀서는 평면파 경계 조건으로 근사된다. 가장 큰 메쉬 요소 크기는 파장의 1/10보다 작게 설정된다.
도 5는 서브 파장 집속 성능 측면에서 단일층으로 최적화된 SOAL의 수치 및 실험 결과 비교를 나타낸 것으로, 도 9 및 도 10은 기존의 FZP 렌즈(도 9) 및 최적화된 SOAL(도 10)에 의한 수치적으로 계산된 음향 세기 필드를 도시한 것이고, 도 11 및 도 12는 기존의 FZP 렌즈(도 11) 및 최적화된 SOAL(도 12)에 의해 방사 된 실험적으로 측정된 음향 세기 필드를 도시한 것이며, 도 13은 정규화된 음향 세기 필드의 비교그래프이고, 횡 방향을 따른 횡단면 측정 라인은 파선으로 표시되었다.
측정값은 도 8의 XZ- 스캐닝 평면(즉, 40mm × 40mm)에서 수행된다. 도 9내지 도 12에서와 같이 실험 측정치와 수치 계산된 필드는 서로 거의 일치함을 알 수 있다. 그런 다음, 음향 에너지는 도 10 및 도 12에 제시된 바와 같이, 최적화 된 SOAL을 통해 원하는 주 초점 영역(즉, 주 초점 길이, F = 25mm)에 매우 잘 집중된다. 다음으로, 도 13은 도 9 내지 도 12의 정규화된 음향 세기의 횡단면 플롯을 도시하고, 측면 FWHM을 면밀히 비교한 것이다.
플롯팅을 위한 횡단면 선은 파선으로 표시되었다. 앞서 언급한 바와 같이, 최적화된 SOAL의 서브 파장 집속 성능을 정확하게 평가하려면 NA를 고려해야한다. NA는 입력 소스 트랜스듀서의 반경(rsource)과 지정된 기본 초점 길이(F)에 의해 결정되며, NA = sin (tan-1(rsource /F))이다. 단일층을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 SOAL에 대해 NA는 약 0.707이다. 따라서, 종래의 음향 렌즈의 집광 한계(즉, Rayleigh 회절 한계)는 0.61λ/NA ≒ 0.86λ ≒ 1.28mm이다.
도 5와 표 1의 수치 및 실험 결과로부터, 최적화된 SOAL은 집속 성능 측면에서 두 가지 중요한 특징을 가지고 있음을 알 수 있다
Numericallycalculated FWHM Experimentally measured FWHM Rayleigh diffraction limit (The focusing limit)
Conventional FZP lens 1.24 1.37 1.28
Optimized SOAL 0.78 0.84
(1) 종래의 FZP 렌즈(0.64λ/NA ≒ 0.91λ ≒ 1.37㎜)에 비해 FWHM(0.40λ/NA ≒ 0.57λ ≒ 0.84㎜)이 좁고, (2) 레일리 회절 한계(0.61λ / NA ≒ 0.86λ ≒ 1.28mm)를 극복하고 서브 파장 집속(0.40λ / NA ≒ 0.57λ ≒ 0.84mm)을 얻을 수 있다.한편, 최적화된 SOAL은 매우 좁은 음향 통과 영역(즉, 마이크로-슬릿)을 갖는다. 실제로 이것은 열 점성 손실을 일으켜 댐핑 효과를 일으킬 수 있다. 여기서 최적화된 SOAL의 가장 좁은 음향 통과 영역(~ 0.29 mm)은 간단한 분석 공식에서 추정된 열(δthermal ~ 0.21 ㎛) 및 점성(δviscous ~ 0.56 ㎛)층의 두께보다 훨씬 크기 때문에 20 ℃ 및 1 기압에서 열-점성 손실 효과는 무시 될 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 SOAL보다 훨씬 좁은 측면 FWHM을 갖는 SOAL을 실현하기 위해서는 더 좁은 마이크로 슬릿을 적당한 불확실성 하에서 제조해야 한다. 이러한 좁은 마이크로 슬릿에 의해 최대화된 손실 효과가 SOAL의 성능에 중요한 영향을 줄 수 있기 때문에 열 및 음향 분야의 완전 결합 모델을 작업의 최적화 과정에서 고려해야 할 것이다.
결론적으로 본 발명의 실시예에서는 입사 음향 에너지를 서브 파장 영역으로 집속시킬 수 있는 서브 파장 집속 기능을 갖춘 초소형 SOAL을 최적화하였다. 최적의 SOAL 레이아웃을 체계적으로 설계하기 위해 토폴로지 최적화라고하는 역설계 방법을 적용하였다. 본 발명의 실시예에서 제안된 역설계 방법론을 활용함으로써 SOAL은 FWHM 관점에서 음향 에너지의 집속 성능을 최대화하도록 설계되었다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 SOAL의 실험적 구현으로 최적화된 SOAL이 회절 한계를 극복하고 서브 파장 집속 기능을 달성 할 수 있음을 확인하였다. 한편, 임상 상황에서보다 실용적인 진단 및 치료 과정을 위해서, 음향 에너지는 음향 렌즈로부터 먼 위치(즉, z≫λ)에 집중되어야 한다. 즉, 음향 렌즈는 긴 초점 거리를 가져야한다. 최적화된 SOAL은 음향 에너지를 약 16λ의 위치에 집중시킬 수 있기 때문에 여러 AMM 기반 렌즈를 포함한 근거리 이미징 접근법의 단점을 보완 할 수 있을 것이다. 매우 좁은 마이크로 슬릿에 의한 열 점성 손실 효과에 대한 해결책이 여전히 남아 있지만, 최적화된 SOAL은 실용적인 측면에서 큰 장점이 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 SOAL은 저전력 치료, 긴 초점 거리의 원거리 초점 및 최적화된 SOAL 대체를 통한 초점 길이 제어와 같은 여러 가지 이점을 제공할 수 있다. 따라서 고강도 집속 초음파(HIFU)/고강도 치료 용 초음파 (HITU)의 치료 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 최적화된 SOAL은 실제로 초-해상도 음향 이미징을 실현하기 위해 음향 현미경에 적용될 수 있다. 또한, 최적화된 SOAL의 개념은 본 발명의 실시예에서 제안된 유사한 설계 프로세스를 통해 다양한 웨이브(예 : 탄성, 음향, 광파 등) 기반 시스템으로 확장 될 수 있을 것이다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 초 발진 평면 음향렌즈에 있어서,
    중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 복수의 동심원 영역을 갖고,
    상기 동심원 영역은 중심점부터 반경방향으로, 입사되는 음파를 차음시키는 차음영역과, 음파를 투과시키는 투과영역이 교차되며 형성되어,
    입사되는 입사 음파에너지를 서브파장영역으로 집속시키며,
    상기 음향렌즈는 양면이 평평한 면으로 구성되며 두께가 일정한 판형태이고,
    상기 동심원 영역 내 복수의 차음영역과 투과영역 각각의 반경인 레이아웃은 토폴로지 최적화 역설계방법에 의해 결정되며, 트랜스듀서와 이격되어 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 음향렌즈는 바이너리 링 마스크형 초 발진 음향렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 토폴로지 최적화 과정 동안 주 초점 영역에서의 음향에너지는 점차적으로 증가되어 최대화되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 음향렌즈는 트랜스듀서에 부착되지 않고 이격된 형태로 구비되어 다른 다양한 레이아웃을 갖는 또 다른 음향렌즈로 교체가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 주 초점 영역에서의 FWHM(Full Width at Half Maximum)는 레일리 회절한계이하인 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 주 초점 영역에서의 FWHM(Full Width at Half Maximum)는 0.5λ/NA이하인 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 주 초점 영역에서의 FWHM(Full Width at Half Maximum)는 0.5λ/NA이하인 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 차음영역과 상기 투과영역의 레이아웃 설계는 이하의 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈:
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000025
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000026
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000027
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000028
    상기 수학식 2에서, p는 음향 압력, γe는 위상 최적화 동안 0에서 1까지의 간격으로 변하는 설계 변수이고, VFF는 전체 설계 영역에 대한 불투명 영역의 비율을 정의하는 필수 부피 비율, Vdesign은 전체 설계영역의 볼륨, e은 제약조건(g2)의 전환(relaxation)을 위한 임계값, NE는 설계 변수의 합계이다.
  9. 제 8항에 있어서,
    갱신된 설계 변수(γe)에 따라, 설계 영역에서의 재료 분포는 이하의 수학식 3a, 수학식 3b에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈:
    [수학식 3a]
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000029
    [수학식 3b]
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000030
    상기 수학식 3a 및 수학식 3b에서, q1과 q2는 각각 질량 밀도(ρ), 음속(c)에 대한 패널티 계수이다.
  10. 초 발진 평면 음향렌즈를 설계하는 방법에 있어서,
    최적 레이아웃을 위한 설계영역을 결정하는 단계;
    원하는 주 초점영역을 설정하고 음향 투과물질과 차음물질을 결정하는 단계;
    원하는 FWHM을 설정하고, 제약조건을 도입하는 단계;
    토폴로지 최적화 역설계방법에 의해 투과영역과 차음영역의 레이아웃을 최적화하는 단계; 및
    최적화된 레이아웃을 기반으로 포토 에칭 방법을 통해 음향렌즈를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈의 설계 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 토폴로지 최적화 과정 동안 주 초점 영역에서의 음향에너지는 점차적으로 증가되어 최대화되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈의 설계 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 차음영역과 상기 투과영역의 레이아웃 설계는 이하의 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈의 설계 방법:
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000031
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000032
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000033
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000034
    상기 수학식 2에서, p는 음향 압력, γe는 위상 최적화 동안 0에서 1까지의 간격으로 변하는 설계 변수이고, VFF는 전체 설계 영역에 대한 불투명 영역의 비율을 정의하는 필수 부피 비율, Vdesign은 전체 설계영역의 볼륨, e은 제약조건(g2)의 전환(relaxation)을 위한 임계값, NE는 설계 변수의 합계이다.
  13. 제 12항에 있어서,
    갱신된 설계 변수(γe)에 따라, 설계 영역에서의 재료 분포는 이하의 수학식 3a, 수학식 3b에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈의 설계 방법:
    [수학식 3a]
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000035
    [수학식 3b]
    Figure PCTKR2018006128-appb-I000036
    상기 수학식 3a 및 수학식 3b에서, q1과 q2는 각각 질량 밀도(ρ), 음속(c)에 대한 패널티 계수이다.
  14. 제 13항에 있어서,
    최적화 과정동안, AVM(Adjoint Variable Method)에 의해 계산된 기울기 정보를 기반으로 상기 설계변수를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈의 설계 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 최적화 과정동안, 베타-연속을 갖는 헤비 사이드 투영필터링 방법이 반복되는 것을 특징으로 하는 메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈의 설계 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111240011A (zh) * 2020-01-09 2020-06-05 西安交通大学 一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法
CN111803121A (zh) * 2020-06-30 2020-10-23 深圳先进技术研究院 一种声波聚焦透镜和超声调控装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114913842B (zh) * 2022-04-29 2023-03-24 浙江大学 一种双功能声学平面超透镜

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6097251A (ja) * 1983-11-01 1985-05-31 Olympus Optical Co Ltd 超音波顕微鏡
KR20030082303A (ko) * 2002-04-17 2003-10-22 주식회사 프로소닉 배열형 초음파 변환기
KR101656185B1 (ko) * 2015-06-02 2016-09-09 서울과학기술대학교 산학협력단 초음파 현미경의 신호 분석 방법
KR20170122894A (ko) * 2016-04-27 2017-11-07 한국표준과학연구원 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스 듀서의 제작방법
KR20180037349A (ko) * 2016-10-04 2018-04-12 주식회사 제이시스메디칼 음향렌즈를 구비한 초음파 의료장치

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6136210A (en) * 1998-11-02 2000-10-24 Xerox Corporation Photoetching of acoustic lenses for acoustic ink printing
US8616329B1 (en) * 2012-10-30 2013-12-31 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Air coupled acoustic aperiodic flat lens

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6097251A (ja) * 1983-11-01 1985-05-31 Olympus Optical Co Ltd 超音波顕微鏡
KR20030082303A (ko) * 2002-04-17 2003-10-22 주식회사 프로소닉 배열형 초음파 변환기
KR101656185B1 (ko) * 2015-06-02 2016-09-09 서울과학기술대학교 산학협력단 초음파 현미경의 신호 분석 방법
KR20170122894A (ko) * 2016-04-27 2017-11-07 한국표준과학연구원 프레넬 존 플레이트 원리를 이용한 음향렌즈가 적용된 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스 듀서의 제작방법
KR20180037349A (ko) * 2016-10-04 2018-04-12 주식회사 제이시스메디칼 음향렌즈를 구비한 초음파 의료장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111240011A (zh) * 2020-01-09 2020-06-05 西安交通大学 一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法
CN111803121A (zh) * 2020-06-30 2020-10-23 深圳先进技术研究院 一种声波聚焦透镜和超声调控装置
CN111803121B (zh) * 2020-06-30 2023-03-21 深圳先进技术研究院 一种声波聚焦透镜和超声调控装置

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