CN110596010A - 一种可接收和发射超声的微透镜阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种可接收和发射超声的微透镜阵列，包括采用高光学透过率的压电材料制作的基层底板、具有高光学透过率的电极层、具有高光学透过率的声匹配层、具有高光学反射率的光学掩膜。该微透镜阵列可同时实现大视场的光学阵列式显微聚焦、超声阵列式发射和接收等光学和声学的两类功能，具有结构简单、体积小、重量轻等优点，便于大面积工业制备和***集成，有望应用于采用激光超声技术开发的生物身份识别、医学成像诊断、工业无损检测、多功能水下检测机器人等领域。

Description

一种可接收和发射超声的微透镜阵列
技术领域
本发明涉及光学元器件，尤其涉及可接收和发射超声的微透镜阵列，适用于采用激光超声技术开发的生物身份识别、医学成像诊断、工业无损检测、多功能水下检测机器人等领域。
背景技术
微透镜阵列又称为复眼透镜或蝇眼透镜，通常由一系列孔径在几个微米至几百个微米的微小型透镜按照一定排序组成的阵列，可非常方便制作于玻璃或树脂等光学透明材料上。它不仅具有传统光学透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学检测***，在波前传感、光聚焦、光整形等领域有着广泛的应用。
工业和医用超声相控阵技术已有几十年的发展历史，其性能的优劣首先看超声阵列探头的质量。通常它是由压电晶片切割成按一定的规律分布排列的压电阵元，如线阵、面阵、环阵等，再与匹配层、背衬等封装而成，并采用机械或电子扫描方式实现超声波束的聚焦发射和接收。
激光超声是一种非接触、高精度、无损伤的新型检测技术，它结合了超声检测的高精度和光学检测的非接触的优点，具有灵敏度高和检测带宽宽的优点，在工业无损检测、生物医学成像等领域有着广阔的应用。超声波产生的方式有激光激励或压电换能器激励产生，超声波接收的方式有压电换能器接收或光学法接收(包括光学干涉法和非干涉法)。因此，主要的激光超声检测方法可划分为三种模式：激光激励-激光接收、激光激励-超声接收、超声发射-激光接收。目前，后两种模式的激光超声检测***都是激光和超声两套独立的***构成，且大多数光学或声学结构复杂不便于实现小型化，难以真正实现同尺度的光学和声学集成一体化。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种可接收和发射超声的微透镜阵列，包括采用高光学透过率的压电材料制作的基层底板、具有高光学透过率的电极层、具有高光学透过率的声匹配层、具有高光学反射率的光学掩膜层，实现了光学和声学结构的集成一体化和微型化，大大降低了采用激光超声技术的检测***复杂性。
为实现上述发明目的，本发明包括如下设计方案：
一种可接收和发射超声的微透镜阵列，其中包括采用高光学透过率的压电材料制作的基层底板、具有高光学透过率的电极层、具有高光学透过率的声匹配层、具有高光学反射率的光学掩膜层。
所述基层底板上刻有多个微透镜组成的大面积阵列；所述微透镜上镀着有电极层；所述基层底板上除了微透镜以外的区域都镀有光学掩膜层；所述基层底板外表面粘贴有声匹配层；所述微透镜具有光学显微聚焦功能的同时可发射和接收超声信号。
所述基层底板优选高光学透过率的压电单晶材料或压电复合材料；所述微透镜优选微米级至厘米级的尺寸；所述微透镜优选圆形或方形结构；所述微透镜上可镀有特定光谱区域的光学增透膜；所述微透镜优选采用相同的形状、尺寸和光学焦距；所述微透镜组成的大面积阵列的排布方式优选方形排布。
本发明的有益效果在于：
(1)在激光超声检测结构中，采用高光学透过率的微透镜阵列，同时实现了大视场光学阵列式显微聚焦的光学功能、超声阵列式发射和接收的声学功能。
(2)多个光学微焦点进一步简化光路中所需的光学透镜数量，降低了光路的复杂性和激光的衰减，单个微透镜就实现了光学和声学路径的同轴、共焦、小型一体化的简单结构，消除了光学和声学的多次反射衰减，有效提高了光学和声学的耦合效率和检测灵敏度。
(3)通过调整微透镜的形状、尺寸、间距、厚度和材料构成等参数，可微透镜阵列获得不同的声学和光学性能参数，包括光学焦距、光学焦斑形状、声学主频、声学带宽、声学灵敏度等。
附图说明
图1为本发明的可发射和接收超声的微透镜阵列结构示意图；
图2为本发明的可发射和接收超声的微透镜阵列侧视图；
图3为公式图解图；
图4为放大后的单个微透镜；
图5a和图5b分别为PMNT压电单晶材料的阻抗谱及超声接收响应图,图5c和图5d分别为PMNT 1-3压电复合材料的阻抗谱及超声接收响应图；
图6为两种掺锡氧化铟(ITO)薄膜的光学透过率曲线图。
附图标记：基层底板1、电极层2、光学掩膜层3、微透镜4、光学增透膜5、声匹配层6。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：一种可接收和发射超声的微透镜阵列，其特征在于，包括采用高光学透过率的压电材料制作的基层底板1、具有高光学透过率的电极层2、具有高光学反射率的光学掩膜层3、具有高光学透过率的声匹配层6。
进一步地，所述基层底板1选择高光学透过率的PMNT单晶材料；所述基层底板1上刻有直径250μm、曲率半径为835μm的微透镜4组成的10mm×10mm阵列，单个微透镜4的有效焦距小于1.8mm；所述微透镜4的阵列采用40×40的正方形排布方式；所述微透镜4采用二维球面方形结构，各微透镜4之间的中心间距为250μm；所述微透镜4的电极层2表面可镀有350-700nm宽带的光学增透膜5；所述微透镜4上镀有电极层2；所述基层底板1上除了微透镜4以外的区域都镀有光学掩膜层3；所述微透镜4上可粘贴有高光学透过率的声匹配层6；通过如下理论计算，所述微透镜阵列可以产生束腰半径为3.5μm、瑞利长度约为72μm的衍射焦点。其中，瑞利长度是指光束沿着其行进方向，从其腰部到面积为腰部面积两倍的截面的距离。假如采用高斯光束作为光源模型时，瑞利长度可以用来衡量高斯光束的准直范围。
图3中ω0表示束腰半径，ω表示激光入射到透镜表面光斑半径，Z表示透镜焦距，ZR代表瑞利长度。依据公式：
式中λ表示激光波长(此处选择设置为532nm)，则可得在束腰半径为3.525μm，得到理论条件下的瑞利长度为73μm。
进一步地，所述微透镜4的声学中心频率f和厚度d的关系为f＝N/d，其中N为压电材料的频率常数；下图5a-5d分别为PMNT压电单晶材料和PMNT1-3压电复合材料的阻抗谱及超声接收响应图；
进一步地，所述电极层2优选高光学透过率的ITO薄膜材料，例如一般ITO薄膜对450nm-1100nm的光学透过率可达70％-80％，下图6为两种ITO薄膜的光学透过率曲线图。
进一步地，光学掩膜层3优选高光学反射率的铬版掩膜。
进一步地，所述声匹配层6优选高光学透过率的环氧树脂。
作为实施方式一，所述微透镜4的厚度为4.1mm，具有光学显微聚焦效果的同时可发射和接收中心频率为0.5MHz的超声信号。
作为实施方式二，所述微透镜4的厚度为1.03mm，具有光学显微聚焦效果的同时可发射和接收中心频率为2.0MHz的超声信号。
需要说明的是，在本文中，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种可接收和发射超声的微透镜阵列，其特征在于包括采用高光学透过率的压电材料制作的基层底板、具有高光学透过率的电极层、具有高光学透过率的声匹配层、具有高光学反射率的光学掩膜层；所述基层底板上刻有多个微透镜组成的阵列；所述微透镜上镀有电极层；所述基层底板上除了微透镜以外的区域都镀有光学掩膜层；所述基层底板外表面粘贴有声匹配层；所述微透镜具有光学显微聚焦功能的同时可发射和接收超声信号。
2.根据权利要求1所述的一种可接收和发射超声的微透镜阵列，其特征在于：所述基层底板选择高光学透过率的压电单晶材料或压电复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种可接收和发射超声的微透镜阵列，其特征在于：所述微透镜选择微米级至厘米级的尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种可接收和发射超声的微透镜阵列，其特征在于：所述微透镜选择圆形或方形结构。
5.根据权利要求1所述的一种可接收和发射超声的微透镜阵列，其特征在于：所述微透镜选择采用相同的形状、尺寸和光学焦距。
6.根据权利要求1所述的一种可接收和发射超声的微透镜阵列，其特征在于：所述微透镜组成的阵列排布方式选择方形排布。
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