CN107913056B - 一种实现任意超声场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现任意超声场的方法，所述方法利用脉冲激光器产生的脉冲激光，经过相位型空间光调制器调制为特定的二维或三维光场分布，该特定分布的光作用于光声介质，由于光声效应，在光声介质中将产生与光场相对应的声场分布，该声场构成了二维或三维的空间声源，该声源发出的声波经过一定距离的传输，可以在样品表面或内部形成预期的超声场分布。本发明仅仅通过调整输入到空间光调制器上的相位分布图，就能够变换在目标物体表面或内部形成的相干的超声场分布，具有极大的灵活性。

Description

一种实现任意超声场的方法
技术领域
本发明涉及超声场领域，具体涉及一种实现任意超声场的方法。
背景技术
超声成像不仅是临床医学影像学检测的重要手段，超声检测也是工业上无损检测重要方法的一种。扫描声全息将光全息的干涉原理引入到声学领域，利用阵列换能器或者阵列检测器，直接测出物波衍射场的幅度与相位，从而重建物体的可见像。超声不仅可以作为图像信息的采集工具，利用超声波穿透能力强、定向性能好的优点，也可以作为能量传输的工具，可用于清洗、碎石、声学镊子等，在医学、军事、工业有广泛应用。超声成像通常采用压电换能器阵列激发和检测超声波，阵列单元数目直接决定成像质量：阵列单元数目越多，空间带宽积越大，成像也越清晰，然而阵列单元数目增加也增加了***硬件的规模和复杂性。
在现有技术中，有些研究人员利用二维塑料材料构成的相位阵列(12x12)，演示了空气声全息产生任意超声场，该方法虽然很好地展示了声全息的概念，但由于其单元尺寸大，且不能主动调制相位，所以离应用还有较远的路要走；有些研究人员利用3D打印生成一块声全息板，然后用单元平面声波发生器产生的声波通过全息板，从而实现了预先设定好的声场图形；也有些研究人员进一步利用3D打印技术加工出具有特殊表面形貌的光声材料，通过脉冲激光激发光声材料来实现任意超声场的分布。这两种基于3D打印技术实现声场调控的方法较之前实现任意超声场的优点在于：利用3D打印的具有特殊表面形貌的介质代替了以前复杂的阵列换能器，声场质量不受换能器单元数目的限制，然而该方法的缺点是声全息板材料对应某种图样的超声场，如果需要改变超声场，就必须从新制作全息板，极大地限制了其应用。
光声成像是一种基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作为媒介的无损生物光子成像方法，结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点，可以提供高对比度和高分辨率的组织影像，在生物医学临床诊断以及在体组织结构和功能成像领域具有广泛的应用前景，Yao等人采用振镜实现快速光声扫描显微成像，振镜等可动部件既提高了***的复杂性也降低了光声耦合效率。基于此，我们提出了利用空间光调制器对脉冲激光进行调制，然后作用于光声介质，从而实现任意超声场的动态构建方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种实现任意超声场的方法，所述方法利用空间光调制器对脉冲激光进行相位调制，产生需求的空间光场分布，空间调制的脉冲激光进一步作用于介质上，由于光声效应，脉冲激光会产生特定的压强分布，进而在介质内实现任意的超声场分布。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种实现任意超声场的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、将脉冲激光器发出的脉冲激光经光学扩束器扩束后照射在空间光调制器上；
S2、计算机根据设计目标计算生成对应的相位分布图输入到空间光调制器上，照射在空间光调制器上的脉冲激光经过相位调制后，通过光学透镜在焦平面处形成具有目标相位分布图案的光场；
S3、步骤S2生成的具有目标相位分布图案的光场作用于光声介质，由于光声效应，在光声介质内部产生与光场相对应的声场分布，该声场构成了二维或三维的空间声源，该空间声源发出的声波经过一定距离的传输，在目标物体表面或内部形成预期的相干的超声场分布。
进一步地，所述空间光调制器为相位型空间光调制器。
进一步地，所述光声介质中的声场作用于目标物体能够用于对生物组织进行选择性高通量成像，也能够用于颗粒物体的捕获及定向输运。
进一步地，通过调整输入到空间光调制器上的相位分布图，能够随时随意变换在目标物体表面或内部形成的相干的超声场分布。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明的方法不通过传统超声换能器或者复杂的超声换能器实现任意超声场的分布，而是通过光场来控制声场分布，而光场分布又是靠空间光调制器来实现，这就不仅保证了实现声学场的空间任意调控，而且可以实现声场动态变化，相比于传统超声换能器或者复杂的超声换能器，具有极大的灵活性和方便性，可望在超声成像、声波操控等领域有直接应用。
附图说明
图1为本发明实施例实现任意超声场方法的光路图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供了一种实现任意超声场的方法，实现所述方法的光路图如图1所示，包括以下步骤：
S1、将脉冲激光器发出的脉冲激光经光学扩束器扩束后照射在相位型空间光调制器上；
S2、计算机根据设计目标计算生成对应的相位分布图输入到相位型空间光调制器上，控制照射在相位型空间光调制器上的脉冲激光经过相位调制后，通过光学透镜在焦平面处形成具有目标相位分布图案的光场；
S3、步骤S2生成的具有目标相位分布图案的光场作用于光声介质，由于光声效应，在光声介质内部产生与光场相对应的声场分布，该声场构成了二维或三维的空间声源，该空间声源发出的声波经过一定距离的传输，在目标物体表面或内部形成预期的超声场分布。
其中，所述光声介质中的声场作用于目标物体能够用于对生物组织进行选择性高通量成像，也能够用于颗粒物体的捕获及定向输运。
另外，通过调整输入到空间光调制器上的相位分布图，能够变换在目标物体表面或内部形成的超声场分布。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种实现任意超声场的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将脉冲激光器发出的脉冲激光经光学扩束器扩束后照射在空间光调制器上；
S2、计算机根据设计目标计算生成对应的相位分布图输入到空间光调制器上，照射在空间光调制器上的脉冲激光经过相位调制后，通过光学透镜在焦平面处形成具有目标相位分布图案的光场；
S3、步骤S2生成的具有目标相位分布图案的光场作用于光声介质，由于光声效应，在光声介质内部产生与光场相对应的声场分布，该声场构成了二维或三维的空间声源，该空间声源发出的声波经过一定距离的传输，在目标物体表面或内部形成预期的相干的超声场分布。
2.根据权利要求1所述的一种实现任意超声场的方法，其特征在于：所述空间光调制器为相位型空间光调制器。
3.根据权利要求1所述的一种实现任意超声场的方法，其特征在于：所述光声介质中的声场作用于目标物体能够用于对生物组织进行选择性高通量成像，也能够用于颗粒物体的捕获及定向输运。
4.根据权利要求1所述的一种实现任意超声场的方法，其特征在于：通过调整输入到空间光调制器上的相位分布图，能够随时随意变换在目标物体表面或内部形成的相干的超声场分布。
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