专利摘要

专利摘要

本发明提供一种基于超表面的反射型声学全息成像器件及方法，包括多个单元结构，所述单元结构为正方体金属结构，所述正方体金属结构的四个侧壁分别为：第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁；每个正方体金属结构的第一侧壁与同其左侧相邻的正方体金属结构的第二侧壁贴合，第二侧壁与同其右侧相邻的正方体金属结构的第一侧壁贴合，第三侧壁与同其上方相邻的正方体金属结构的第四侧壁贴合，第四侧壁与同其下方相邻的正方体金属结构的第三侧壁贴合，其特征在于，所述正方体金属结构内部包括第一空腔、第二空腔。本发明所述方法通过超表面构成整个全息成像器件，构造简单，性能稳定，可以实现对反射波相位的任意调控，具有很强的实用性。

权利要求

1.一种基于超表面的反射型声学全息成像器件，其特征在于，包括多个单元结构，所述单元结构为正方体金属结构，所述正方体金属结构的四个侧壁分别为：第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁；每个正方体金属结构的第一侧壁与同其左侧相邻的正方体金属结构的第二侧壁贴合，第二侧壁与同其右侧相邻的正方体金属结构的第一侧壁贴合，第三侧壁与同其上方相邻的正方体金属结构的第四侧壁贴合，第四侧壁与同其下方相邻的正方体金属结构的第三侧壁贴合，所述正方体金属结构内部包括第一空腔、第二空腔。

2.如权利要求1所述的反射型声学全息成像器件，其特征在于，所述第一空腔、第二空腔为立方体，所述第一空腔、第二空腔的一个侧壁互相贴合，所述第一空腔、第二空腔的高度相同且小于所述正方体金属结构的边长，所述第一空腔、第二空腔的长和宽不固定，随反射相位的变化而调整变化；

所述第一空腔、第二空腔位于所述正方体金属结构内部且悬空。

3.如权利要求1所述的反射型声学全息成像器件，其特征在于，具有不同空腔的所述正方体金属结构根据相位分布采用不同的排列方式，所述正方体金属结构单层排布，形成所述反射型声学全息成像器件。

4.如权利要求1所述的反射型声学全息成像器件，其特征在于，所述单元结构以黄铜为材料。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述器件的基于超表面的反射型声学全息成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

选取超表面的反射型声学全息成像器件的工作频率，确定所述工作频率下的声波波长；

预先设定正方体金属结构的边长；

预先设定第一空腔、第二空腔的高，高的数值为小于所述正方体金属结构的边长的常值；

通过多物理场仿真平台仿真得到多组参数：多组第一空腔的长和宽、多组第二空腔的长和宽；

根据反射声场的相位分布将全息成像器件的单元结构对应的单层排布；

将所述工作频率下的声波垂直入射到全息成像器件上，在全息成像器件上方一定距离处的成像面上重建出任意图样。

6.如权利要求5所述的反射型声学全息成像方法，其特征在于，声波垂直入射到所述第一空腔、第二空腔内时产生反射波，所述反射波在所述反射型声学全息成像器件上方一定距离处的成像面上形成一点或多点的聚焦投影，形成任意图样。

7.如权利要求5所述的反射型声学全息成像方法，其特征在于，

反射声场的相位随所述多组参数的变化而变化；

所述反射声场的相位分布根据瑞利-索莫菲衍射公式倒推得到。

8.如权利要求6所述的反射型声学全息成像方法，其特征在于，当所述全息成像器件周围为空气时，所述成像面上的声场分布可以根据瑞利-索莫菲衍射公式倒推得到：

其中，U₀和U′₁分别表示全息成像器件所在平面上任意一点P₀(x₀,y₀,z₀)和成像面上任意一点P₁(x₁,y₁,z₁)处的声场幅值；j代表虚数单位；k代表空气声波波矢；h代表全息成像器件所在平面和成像面之间的距离；r代表点P₀和P₁之间的距离。

9.如权利要求5所述的反射型声学全息成像方法，其特征在于，所述相位的范围为-180°到180°。

说明书

技术领域

本发明涉及声学材料技术领域，特别涉及一种基于超表面的反射型声学全息成像器件及方法。

背景技术

声学成像和聚焦在现代科学和工业生产中有许多重要应用，比如疾病诊断、油气勘探、震源可视化和微流体颗粒分离等。现阶段通常借助凹面镜、凸面镜或楔形结构来实现声学成像和聚焦，但是这些结构往往体积较大且成像效果有限，需要在全息膜后面布置很大的空间使得幻影成像的影响距离背景有一定的距离，营造立体感。全息投影因其可以完整记录三维信息并实现三维成像而受到广泛关注。传统的全息投影器件记录下散射波的相位和幅值等信息，之后使用这些信息重建散射场，但这类技术需要信息的采集与还原。利用声学超表面，能够通过设计单元结构，直接产生全息声场，能够极大地增加声学全息的实用性。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于超表面的反射型声学全息成像器件及方法，该方法解决了传统方法中全息成像器件体积过大且成像效果有限的缺陷，并且性能稳定，可以任意控制相位，具有很好的发展和应用潜力。具体通过以下几个方面的方式来实现该目的。

第一方面，本发明提供一种基于超表面的反射型声学全息成像器件，包括多个单元结构，所述单元结构为正方体金属结构，所述正方体金属结构的四个侧壁分别为：第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁；每个正方体金属结构的第一侧壁与同其左侧相邻的正方体金属结构的第二侧壁贴合，第二侧壁与同其右侧相邻的正方体金属结构的第一侧壁贴合，第三侧壁与同其上方相邻的正方体金属结构的第四侧壁贴合，第四侧壁与同其下方相邻的正方体金属结构的第三侧壁贴合，其特征在于，所述正方体金属结构内部包括第一空腔、第二空腔。

结合第一方面，所述第一空腔、第二空腔为立方体，所述第一空腔、第二空腔的一个侧壁互相贴合，所述第一空腔、第二空腔的高度相同且小于所述正方体金属结构的边长，所述第一空腔、第二空腔的长和宽不固定，随反射相位的变化而调整变化；

所述第一空腔、第二空腔位于所述正方体金属结构内部且悬空。

结合第一方面，具有不同空腔的所述正方体金属结构根据相位分布采用不同的排列方式，所述正方体金属结构单层排布，形成所述反射型声学全息成像器件。

结合第一方面，单元结构以黄铜为材料。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于超表面的反射型声学全息成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

选取超表面的反射型声学全息成像器件的工作频率，确定所述工作频率下的声波波长；

预先设定正方体金属结构的边长；

预先设定第一空腔、第二空腔的高，高的数值为小于所述正方体金属结构的边长的常值；

通过多物理场仿真平台仿真得到多组参数：多组第一空腔的长和宽、多组第二空腔的长和宽；

反射声场的相位随所述多组参数的变化而变化；

所述反射声场的声场分布根据瑞利-索莫菲衍射公式倒推得到；

根据所述反射声场的声场分布将全息成像器件的单元结构对应的单层排布；

将所述工作频率下的声波垂直入射到全息成像器件上，在全息成像器件上方一定距离处的成像面上重建出任意图样。

结合第二方面，声波垂直入射到所述第一空腔、第二空腔内时产生反射波，所述反射波在所述反射型声学全息成像器件上方一定距离处的成像面上形成一点或多点的聚焦投影，形成任意图样。

结合第二方面，反射声场的相位随所述多组参数的变化而变化；

所述反射声场的相位分布根据瑞利-索莫菲衍射公式倒推得到。

结合第二方面，当所述全息成像器件周围为空气时，所述成像面上的声场分布可以根据瑞利-索莫菲衍射公式倒推得到：

其中，U₀和U′₁分别表示全息成像器件所在平面上任意一点P₀(x₀,y₀,z₀)和成像面上任意一点P₁(x₁,y₁,z₁)处的声场幅值；j代表虚数单位；k代表空气的声波波矢；h代表全息成像器件所在平面和成像面之间的距离；r代表点P₀和P₁之间的距离。

结合第二方面，相位控制的范围为-180°到180°。

本发明的优点在于：本发明以超表面作为构造全息投影器件的材料，声波入射到该器件的空腔内时，利用超表面控制反射波的相位，从而使反射声场在成像面上形成任意的成像效果。本发明通过超表面构成整个全息成像器件，构造简单，性能稳定，可以实现对反射波相位的任意调控，具有很强的实用性。

附图说明

通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了根据本发明实施方式的超表面整体结构理论模型示意图；

附图2(a-h)分别示出了根据本发明实施方式的8种单元结构示意图；

附图3(a-f)分别示出了本发明实施例所提供的六种超表面单元结构不同排布方式在7.0kHz下产生的聚焦成像效应示意图；

其中，1表示超表面的一种单元结构；2表示单元结构的第一侧壁；3表示单元结构的第二侧壁；4表示单元结构的第三侧壁；5表示单元结构的第四侧壁；6表示第一空腔；7表示第二空腔；8表示单元结构的长；9表示单元结构的宽；10表示单元结构的高；11表示第一空腔和第二空腔的高；12表示第一空腔的长；13表示第一空腔的宽；14表示第二空腔的长；15表示第二空腔的宽。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

全息投影因其可以完整记录三维信息并实现三维成像而受到广泛关注。在最近的研究中，全息投影也可以通过计算全息投影器件上相位的分布并将相位信息转换为对应的单元结构来实现。

声学超表面是仅由一层或几层平面金属组成的、有特殊声学性质的新兴材料，通过设计表面结构，它可以被用于控制声波的波前、相位和幅值等特性。关于超表面的研究正飞速发展，将全息与超表面相结合形成超表面全息的新想法已经被提出。利用计算机生成全息投影技术，能够得到构造简单、易于实现、性能稳定、可以任意控制相位的声学全息成像器件。

根据本发明的实施方式，提出一种基于超表面的反射型声学全息成像器件，包括多个单元结构，所述单元结构为正方体金属结构，所述正方体金属结构的四个侧壁分别为：第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁；每个正方体金属结构的第一侧壁与同其左侧相邻的正方体金属结构的第二侧壁贴合，第二侧壁与同其右侧相邻的正方体金属结构的第一侧壁贴合，第三侧壁与同其上方相邻的正方体金属结构的第四侧壁贴合，第四侧壁与同其下方相邻的正方体金属结构的第三侧壁贴合，其特征在于，所述正方体金属结构内部包括第一空腔、第二空腔。

第一空腔、第二空腔为立方体，所述第一空腔、第二空腔的一个侧壁互相贴合，所述第一空腔、第二空腔的高度相同且小于所述正方体金属结构的边长，所述第一空腔、第二空腔的长和宽不固定，随反射相位的变化而调整变化；所述第一空腔、第二空腔位于所述正方体金属结构内部且悬空。具有不同空腔的所述正方体金属结构根据相位分布采用不同的排列方式，所述正方体金属结构单层排布，形成所述反射型声学全息成像器件。

单元结构以黄铜为材料。

本发明实施例提供了一种基于超表面的反射型声学全息成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

选取超表面的反射型声学全息成像器件的工作频率，确定所述工作频率下的声波波长；

预先设定正方体金属结构的边长；

预先设定第一空腔、第二空腔的高，高的数值为小于所述正方体金属结构的边长的常值；

通过多物理场仿真平台仿真得到多组参数：多组第一空腔的长和宽、多组第二空腔的长和宽；

反射声场的相位随所述多组参数的变化而变化；

所述反射声场的声场分布根据瑞利-索莫菲衍射公式倒推得到；

根据所述反射声场的声场分布将全息成像器件的单元结构对应的单层排布；

将所述工作频率下的声波垂直入射到全息成像器件上，在全息成像器件上方一定距离处的成像面上重建出任意图样。

组成单元结构的正方体金属结构的边长d，该参数与工作频率下的声波波长有关，约为波长的1/5；第一空腔的长a，第一空腔的宽b，第二空腔的长h和第二空腔的宽w，这些参数通过多物理场仿真软件平台COMSOL Multiphysics仿真得到。

声波垂直入射到所述第一空腔、第二空腔内时产生反射波，所述反射波在所述反射型声学全息成像器件上方一定距离处的成像面上形成一点或多点的聚焦投影，形成任意图样。

声场分布的计算由瑞利-索莫菲衍射公式给出：

其中，U₀和U₁分别表示全息投影器件所在平面上任意一点P₀(x₀,y₀,z₀)和成像面上任意一点P₁(x₁,y₁,z₁)处的声场幅值；j代表虚数单位；k代表空气的声波波矢；h代表全息投影器件所在平面和成像面之间的距离；r代表点P₀和P₁之间的距离；ds代表积分变量。

当所述全息成像器件周围为空气时，成像面上聚焦点所在位置的声场幅值U₁被设置为1，聚焦点以外位置的声场U₁被设置为0，成像面上各处声场的相位值一致。

当所述全息成像器件周围为空气时，所述成像面上的相位分布可以倒推得到：

其中，U′₁表示成像面上任意一点P₁(x₁,y₁,z₁)处的声场幅值。

相位控制的范围为-180°到180°。

实施例一：

如图1所示，一种基于超表面的反射型声学全息成像器件，包括由400个超表面单元拼接成的超表面全息板。选取超表面的反射型声学全息成像器件的工作频率f＝7.0kHz，确定所述工作频率下的声波波长。为了实现对反射波相位的任意控制，反射相位变化需覆盖[-180°,180°]，相位变化通过调节超表面单元结构的尺寸来实现。超表面单元结构选用带空腔的金属立方体，将反射相位离散为8个区间，则超表面单元结构根据反射相位的大小分为8种，分别如附图2a-h所示。八种单元结构的尺寸参数如下表1所示。全息器件的每一行、每一列均由20个超表面单元组成，每个超表面单元结构的边长为10mm，所以全息器件的边长为200mm；第一空腔和第二空腔的高度均为5mm。声波垂直入射到该反射型超表面全息成像器件的空腔内，在空腔中振荡后形成反射波传播到一定距离远处的成像面上，成像面与超表面全息器件的距离为预先设定，在本实施例中是20mm。

为了减小计算机仿真内存的需要，以及在尽可能低的像素下重现较清晰的图像，选择超表面全息成像器件每行每列单元结构的数量均为20个，整个全息器件的尺寸为200mm×200mm。

表1八种单元结构的尺寸参数

根据想要成的像计算出成像面的声场分布，可以得到全息成像器件所在平面上超表面单元的排列方式，从而实现所需的成像效果。

所述全息投影器件所在平面的声场分布可以由瑞利-索莫菲衍射公式给出：

其中，U₀和U₁分别表示全息投影器件所在平面上任意一点P₀(x₀,y₀,z₀)和成像面上任意一点P₁(x₁,y₁,z₁)处的声场幅值；j代表虚数单位；k代表空气的声波波矢；h代表全息投影器件所在平面和成像面之间的距离；r代表点P₀和P₁之间的距离；ds代表积分变量。

图2所示的实施例中，该声学全息投影器件的周围都是空气；成像面上聚焦点所在位置的声场幅值U₁被设置为1，聚焦点以外位置的声场U₁被设置为0；成像面上各处声场的相位值一致。

成像面上的相位分布可以倒推得到：

其中，U′₁表示成像面上任意一点P₁(x₁,y₁,z₁)处的声场幅值。

在实施例中，全息成像器件所在平面与成像面的距离为20mm。

对超表面全息成像器件作了仿真，附图3a是声波垂直入射到超表面上后反射声波聚焦到成像面上一点的结果图，从图中可以看出本发明的全息成像效果。

改变超表面单元结构的排列方式，可以得到反射声波聚焦到成像面上多点的效果，如附图3(b-f)所示。

本发明以超表面作为构造全息投影器件的材料，声波入射到该器件的空腔内时，利用超表面控制反射波的相位，从而使反射声场在成像面上形成任意的成像效果。本发明通过超表面构成整个全息成像器件，构造简单，性能稳定，可以实现对反射波相位的任意调控，具有很强的实用性。以上，仅为本发明示例性的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

一种基于超表面的反射型声学全息成像方法及器件专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。