[发明专利]一种共振全息传感的声学三维成像方法及图像传感器

说明书

本发明公开了一种共振全息传感的声学三维成像方法及图像传感器，应用于声学成像领域,该成像方法利用声学透镜聚焦接收目标物体反射的超声回波，形成成像声场并成像于声学图像传感器表面，该声学图像传感器由亥姆霍兹型微腔超表面、RS型叠层MUT单元阵列和专用集成电路依次层叠构成，且呈像素化阵列排布，成像声场经超表面的各个表面通孔进入对应的内部微腔，并与底部的RS型叠层振膜辐射出的参考声场进行共振干涉，形成全息声场并反作用于RS型叠层振膜，生成全息共振信号，该信号经峰值检波、去噪处理、寻址读出和相位重建后，形成目标物体超声回波的三维图像。本发明能够克服现有声学三维成像技术面临的大视场、高分辨以及快速实时的成像难题。

技术领域

本发明应用于声学成像领域，特别涉及一种共振全息传感的声学三维成像方法及图像传感器。

背景技术

在医学超声诊疗、水声声呐探测等声学成像领域，目前的系统设备大都采用常规B型扫描的成像体制，利用脉冲回波飞行时间获取目标的方位和距离信息，再通过扫描生成二维的方位-距离像，但成像效果存在信息不直观，理解困难等问题。为了能够实现直观可视的声学三维成像，人们探究了外置参考声源直接干涉记录声场波前，以及虚拟干涉检波扫描声场波前的声学全息三维成像方法。但由于没有高分辨、大阵列的波前信息记录介质，这些成像方法要么图像尺寸受制于换能器的阵列孔径，探测范围有限，要么扫描拼接导致成像实时性降低。

近年来科研人员基于常规压电换能器拼接形成的二维阵列，结合脉冲飞行时间和波束形成算法，尝试研究另一种形式的三维成像方法—波束形成三维成像，但该方法存在硬件电路复杂、波束算法耗时等问题。即使采用阵列压缩稀疏，甚至声透镜直接形成多波束的方式来简化信号处理，也不可避免地带来图像质量和成像实时性的问题。

借助MEMS(微机电系统)和半导体工艺的微纳制造能力，CMUT(电容式微机械超声换能器)和PMUT(压电式微机械超声换能器)都能够在硅基上实现大规模阵列和高度集成。但由于声学信号的时域振动特性，与常规换能器阵列的信号处理方式一样，人们也不得不采用大量通道并行采样MUT(微机械超声换能器)阵列中各个阵元的声压信号。虽然两者能够与专用集成电路(ASIC)前端集成，扩大阵列规模，然而大规模阵列也不可避免地存在大量引线扇出和信号处理的问题。采用行列交叉寻址和阵列离散稀疏等方法简化，也只是阵列规模与成像质量和实时性之间的折中考虑。

因此，不管是常规的声学全息成像，还是近年来的波束形成成像，甚至是MUT阵列成像，声学三维成像目前面临的大视场、高分辨的实时成像问题并未得到有效解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种共振全息传感的声学三维成像方法及图像传感器，解决现有的声学三维成像技术中难以实现大视场、高分辨的实时成像问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种共振全息传感的声学三维成像方法，包括：

通过激励超声声源发射超声波照射目标物体，并用声学透镜聚焦接收所述目标物体反射的超声回波，形成含有强度分布和相位分布的成像声场，且成像于声学图像传感器表面；所述声学图像传感器放置于所述声学透镜的像方焦平面上，用于接收所述成像声场的强度和相位的空间分布信息；所述声学图像传感器为表面设置有亥姆霍兹型微腔超表面的声电转换像素单元阵列；所述亥姆霍兹型微腔超表面的每个结构单元与一个所述声电转换像素单元对应，或与多个并联排布的所述声电转换像素单元对应；

所述成像声场通过所述声学图像传感器中所述亥姆霍兹型微腔超表面的各个结构单元的表面通孔进入对应的内部微腔；所述内部微腔的底部由所述声电转换像素单元的叠层振膜构成；所述叠层振膜设置有参考振膜和传感振膜；所述参考振膜和所述传感振膜依次上下叠层连接；

通过在所述参考振膜的激励电极上施加与所述超声回波同频率的参考信号，促使所述参考振膜内部的参考压电层发生谐振形变，继而驱动参考振膜和传感振膜一起同频振动，并同时向所在的内部微腔辐射出与所述超声回波频率一致的参考声场；