【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及聲學超構透鏡，特別是涉及一種基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡及其設計方法。
技術介紹
1、超聲能量的匯聚，即超聲聚焦，在多個領域(如醫學治療、藥物傳遞、粒子俘獲以及無損檢測)具有廣泛應用。傳統的超聲聚焦可通過換能器陣列或曲面透鏡實現，體積龐大，成本高昂且生產耗時。超構透鏡通過使用亞波長結構單元來精確控制透射超聲波的相位，其輕薄的特點引起了研究者們的廣泛關注。目前，實現單點超聲聚焦的超構透鏡的研究比較成熟，單點超聲聚焦的超構透鏡能夠實現高精度的聲能量聚焦，相關技術已經在實踐中獲得推廣；多點超聲聚焦的超構透鏡能夠在多個空間位置同時實現聲能聚焦，擴展了超聲技術的應用范圍，然而實現聲能量在不同空間位置聚焦需要設計更為復雜的超構透鏡結構，這增加了設計和制造的難度，因此，實現聲能量在不同空間位置聚焦的超構透鏡尚待進一步研究。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡及其設計方法，采用基于超像素的復振幅編碼方法，構建相位型超構透鏡，實現對空間多個焦點的位置、強度和相位的靈活調控，多焦點合成聲針或聲渦旋，提高應用價值。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了如下方案：
3、本專利技術提供一種基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，采用光敏樹脂材料制備多焦點聲學超構透鏡，所述多焦點聲學超構透鏡的焦點數量、位置、相對強度和相位可調，實現多焦點合成聲針或聲渦旋，具體包括如下步驟：
4、基于焦點坐標、焦距及背景介
5、在調制相位公式基礎上，采用基于二元互補矩陣的復振幅編碼方法，構建實現多個入射聚焦聲場復振幅疊加的超構透鏡透射系數矩陣，基于透射系數矩陣，實現入射聲波穿過多焦點聲學超構透鏡時波前的調制；
6、基于透射系數矩陣的調制，對聲場振幅與相位同時調控，形成多點聚焦聲場，通過調節焦點在預設直線或任意閉合軌跡的位置，多個焦點合成聲針或聲渦旋。
7、進一步地，所述基于焦點坐標、焦距及背景介質中的波數構建調制相位公式，具體包括：
8、
9、式中，pi(x,y)表示聚焦第i焦點所需附加相位，k是背景介質中的波數，(xi,yi)為焦點坐標，fi為焦距，ci為常數，其具體數值不改變焦點坐標和焦距，(x，y)表示笛卡爾坐標。
10、進一步地，所述采用基于二元互補矩陣的復振幅編碼方法，構建實現多個入射聚焦聲場復振幅疊加的超構透鏡透射系數矩陣，具體包括：
11、將初始的透射系數矩陣t(x,y)構建為兩個純相位分布的疊加形式，獲得兩個純相位分布；
12、采用超像素構建二元互補矩陣m1與m2，其中，m1+m2＝1；
13、利用二元互補矩陣m1與m2，對兩個純相位分布進行疊加，得到疊加相位
14、確定透射系數矩陣的振幅a(x,y)，a(x,y)可為任意正數；
15、基于疊加相位及振幅a(x,y)，得到實現多個入射聚焦聲場復振幅疊加的超構透鏡透射系數矩陣
16、進一步地，所述將初始的透射系數矩陣t(x,y)構建為兩個純相位分布的疊加形式，獲得兩個純相位分布，具體包括：
17、基于出射聲波在空間多點聚焦以及單點的調制相位，構建透射系數矩陣t(x,y)的初始表達式如下：
18、
19、其中，ai表示第i個入射聚焦聲場的振幅，j表示虛數單位，pi(x,y)表示聚焦第i焦點所需附加相位。
20、將透射系數矩陣t(x,y)構建為兩個純相位分布的疊加形式：
21、
22、式中，表示任意多點聚焦入射聲場振幅的最大值；
23、其中，兩個純相位分布表達式如下：
24、
25、進一步地，所述采用超像素構建二元互補矩陣m1與m2，具體包括：
26、將4個連續基本像素元作為一個2×2的超像素單元，用數字1、2、3、4將這4個基本像素元進行區分，整個相位面進行劃分多個超像素單元，每個超像素單元中數字序列的位置隨機排布，奇數1和3對應位置填“0”，偶數2和4對應位置填“1”，得到第一個二元矩陣m1；反之，奇數1和3對應位置填“1”，偶數2和4對應位置填“0”，得到第二個二元矩陣m2，兩個二元矩陣m1與m2為互補矩陣。
27、進一步地，所述利用二元互補矩陣m1與m2，對兩個純相位分布進行疊加，得到疊加相位具體表示如下：
28、
29、進一步地，所述通過調節焦點在預設直線的位置，多個焦點合成聲針，具體包括：
30、選取針狀聚焦中心后，以聚焦在針狀聚焦中心位置艾里光斑半長寬大小的一半作為構建針狀聚焦各焦點間隔的起始依據；
31、在聚焦范圍內采用遺傳算法，調節各焦點的位置，隨著聚焦范圍的縮小得到聚焦范圍內強度波動小于10％的針狀波束。
32、進一步地，所述通過調節焦點在任意閉合軌跡的位置，多個焦點合成聲渦旋，具體包括：
33、將焦點的位置選取在任意閉合軌跡上，并沿順時針或逆時針方向依次將每個焦點賦予周期性螺旋相位，即可合成聲渦旋。
34、進一步地，所述采用光敏樹脂材料制備多焦點聲學超構透鏡，還包括：
35、設當一束垂直入射的聲波穿過高度為h的光敏樹脂時，產生的相移表示如下：
36、
37、其中，n表示聲波在光敏樹脂材料中縱波的折射率，λ0表示入射聲波波長；
38、基于公式(8)，確定多焦點聲學超構透鏡表面，光敏樹脂材料的高度h分布。
39、本專利技術還提供一種如上述的設計方法設計得到的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡。
40、根據本專利技術提供的具體實施例，本專利技術提供的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡及其設計方法，公開了以下技術效果：采用光敏樹脂材料制備多焦點聲學超構透鏡，采用基于超像素的復振幅編碼方法，構建相位型超構透鏡，實現對空間多個焦點的位置、強度和相位的靈活調控；基于透射系數矩陣的調制，對聲場振幅與相位同時調控，形成多點聚焦聲場，通過調節焦點在預設直線或任意閉合軌跡的位置，多個焦點合成聲針或聲渦旋。
41、其中，聲學針狀聚焦即聲針，在腫瘤消融，光聲成像等場景中具有潛在應用。本專利技術采用多個焦點合成聲針的方式，構建長度，數量以及指向均可調控的針狀聚焦波束。聲渦旋是具有拓撲相位的特殊波形，本專利技術采用多焦點合成渦旋的方式，構建了空間位置、幾何形狀和拓撲荷均可調節的聲渦旋。基于本專利技術所述設計方法的超構透鏡能夠實現多種形式的聲針或者聲渦旋，有望在聲學檢測、成像、醫療等領域獲得重要應用。
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1.一種基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，
2.根據權利要求1所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述基于焦點坐標、焦距及背景介質中的波數構建調制相位公式，具體包括：
3.根據權利要求2所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述采用基于二元互補矩陣的復振幅編碼方法，構建實現多個入射聚焦聲場復振幅疊加的超構透鏡透射系數矩陣，具體包括：
4.根據權利要求3所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述將初始的透射系數矩陣t(x,y)構建為兩個純相位分布的疊加形式，獲得兩個純相位分布，具體包括：
5.根據權利要求4所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述采用超像素構建二元互補矩陣M1與M2，具體包括：
6.根據權利要求5所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述利用二元互補矩陣M1與M2，對兩個純相位分布進行疊加，得到疊加相位具體表示如下：
7.根據權利要求1所述
8.根據權利要求1所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述通過調節焦點在任意閉合軌跡的位置，多個焦點合成聲渦旋，具體包括：
9.根據權利要求1所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述采用光敏樹脂材料制備多焦點聲學超構透鏡，還包括：
10.一種如權利要求1-9任一項所述的設計方法設計得到的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡。
...【技術特征摘要】
1.一種基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，
2.根據權利要求1所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述基于焦點坐標、焦距及背景介質中的波數構建調制相位公式，具體包括：
3.根據權利要求2所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述采用基于二元互補矩陣的復振幅編碼方法，構建實現多個入射聚焦聲場復振幅疊加的超構透鏡透射系數矩陣，具體包括：
4.根據權利要求3所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述將初始的透射系數矩陣t(x,y)構建為兩個純相位分布的疊加形式，獲得兩個純相位分布，具體包括：
5.根據權利要求4所述的基于復振幅編碼的多焦點聲學超構透鏡的設計方法，其特征在于，所述采用超像素構建二元互補矩陣m1與m2，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：呂雨航，姚潔，吳大建，朱興鳳，陳帝超，
申請(專利權)人：南京師范大學，
類型：發明
國別省市：
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