一种声场成像菲涅尔透镜的制作方法

本实用新型涉及一种声场成像聚焦透镜，具体涉及声波衍射以及最优化设计方法技术领域。

背景技术：

目前超声波的应用主要可分为功率超声和检测超声，前者包括焊接、粉碎、清洗等；而后者在军事上应用于雷达定位等，在医学上作为重要的检测手段，常用于超声成像。而这些应用都离不开对超声的聚焦。

在功率超声方面，一束被良好聚焦的超声波可提高被探测区域局部声压，可以在较小的空间尺度上汇聚更大的能量，并获得较高的能量利用率，而且对目标附近区域的影响可以减小到最低。适用于精细操作，或对局部空间有大功率要求的应用场景。在检测超声方面，超声波的聚焦精细程度直接决定了成像的空间分辨率。综上，如何高效、精确地聚焦超声波是提高超声设备性能需解决的一个重要问题。

目前已开发比较成熟的声波聚焦器件有声透镜，反射镜，声波导等，其原理可由相应光学器件工作原理类比而来，即改变声程长度，将平面波或扩散波变换成汇聚波，进而形成焦点。而应用衍射原理进行声场成像的技术尚不成熟，大多因为无法有效解决虚焦点对成像的巨大影响而无法实用。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有菲涅尔透镜的低效、聚焦超声波精确度低以及体积较大的问题，提出了一种声场成像菲涅尔透镜，所采取的技术方案如下：

一种声场成像菲涅尔透镜，所述声场成像菲涅尔透镜包括圆形中心1和以圆形中心为环心的同心环透镜体2；所述多个同心环透镜体通过支臂3与圆形中心1固定为一体。

进一步地，所述同心环透镜体2采用环数为5环的同心环体；相连的两个环体之间设有环体间缝隙4，并形成沿圆心中心1向外延伸的方向环形排列的四级环体间缝隙4；所述圆形中心 1与直径最小的环体之间设有缝隙5。

进一步地，所述环体间缝隙4的宽度沿圆心中心1向外延伸的方向逐级递减；所述缝隙5 的宽度值大于宽度最大的环体间缝隙4的宽度值。

进一步地，所述同心环透镜体2中的同心环的宽度值沿圆心中心1向外延伸的方向逐级递减。

进一步地，所述声场成像菲涅尔透镜上设有三个支臂3；所述三个支臂3的一端固定连接在圆形中心1上，并且任意相邻两根支臂3之间的夹角为120°。

进一步地，所述圆形中心1、同心环透镜体2和支臂3同处于一个水平面上。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提出的声场成像菲涅尔透镜，属于声波聚焦器件，具有有益效果为：1、所述菲涅尔透镜具有聚焦性能突出和结构简洁的优点；2、所述菲涅尔透镜类比于光学菲涅尔透镜，声场成像菲涅尔透镜的主要结构是由同心圆环构成的，其在轴向的尺寸远小于其他所有超声器件。3、所述菲涅尔透镜将虚焦点对成像的影响降到最低，实现了声波衍射成像器件的实用。

此外，在实现相同聚焦精度的条件下，本实用新型声场成像菲涅尔透镜具有突出的体积优势，这极大地方便了在超声器件的集成，为超声仪器的小型化、便携化提供便利。同时，由于其结构相对简单，亦可应用于一些大型的声学设备，在制作出相同口径器件的前提下，声场成像菲涅尔透镜在重量、加工难易程度及成本控制上均具有显著的优点。

附图说明

图1是本实用新型所述的声场成像菲涅尔透镜的二维及三维设计图(对应最佳适用频率 280kHz)。

图2是本实用新型所述的声场成像菲涅尔透镜的二维及三维设计图(对应最佳适用频率 40kHz)。

图3是本实用新型所述的声场成像菲涅尔透镜的二维及三维设计图(对应最佳适用频率6kHz)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型不受实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。

以下实施方式中所用材料、仪器和方法，未经特殊说明，均为本领域常规材料、仪器和方法，均可通过商业渠道获得。

实施例1

一种声场成像菲涅尔透镜，所述声场成像菲涅尔透镜包括圆形中心1和以圆形中心为环心的同心环透镜体2；所述多个同心环透镜体通过支臂3与圆形中心1固定为一体。所述同心环透镜体2采用环数为5环的同心环体；相连的两个环体之间设有环体间缝隙4，并形成沿圆心中心 1向外延伸的方向环形排列的四级环体间缝隙4；所述圆形中心1与直径最小的环体之间设有缝隙5。所述环体间缝隙4的宽度沿圆心中心1向外延伸的方向逐级递减；所述缝隙5的宽度值大于宽度最大的环体间缝隙4的宽度值。所述同心环透镜体2中的同心环的宽度值沿圆心中心1 向外延伸的方向逐级递减。所述声场成像菲涅尔透镜上设有三个支臂3；所述三个支臂3的一端固定连接在圆形中心1上，并且任意相邻两根支臂3之间的夹角为120°。所述圆形中心1、同心环透镜体2和支臂3同处于一个水平面上。

实施例2

实施例2是对实施例1尺寸上的进一步限定，如图1所示，所述声场成像菲涅尔透镜对应最佳适用频率为280kHz；所述菲涅尔透镜的整体直径为70.26mm，厚度为2mm；其中，圆形中心1的直径为20.71mm，支臂宽度为1.73mm；所述同心环透镜体2中所包含的五个同心环从圆形中心向外延伸方向设为1至5级环体；所述环体间缝隙4从圆形中心向外延伸方向设为1至4 级环体间缝隙；其中，1至5级环体的宽度分别为：3.39mm，2.545mm，2.125mm，1.845mm， 1.63mm；1至4级环体间缝隙的宽度分别为：2.875mm，2.31mm，1.97mm，1.73mm；圆形中心与1级环体之间的缝隙为4.355mm。

实施例3

实施例3是对实施例1尺寸上的进一步限定，如图2所示，所述声场成像菲涅尔透镜对应最佳适用频率为40kHz；所述菲涅尔透镜的整体直径为140.52mm，厚度为3mm；其中，圆形中心1的直径为41.43mm，支臂宽度为3.46mm；所述同心环透镜体2中所包含的五个同心环从圆形中心向外延伸方向设为1至5级环体；所述环体间缝隙4从圆形中心向外延伸方向设为1至4 级环体间缝隙；其中，1至5级环体的宽度分别为：6.775mm，5.09mm，4.25mm，3.69mm， 3.265mm；1至4级环体间缝隙的宽度分别为：5.75mm，4.62mm，3.94mm，3.455mm；圆形中心与1级环体之间的缝隙为8.71mm。

实施例4

实施例4是对实施例1尺寸上的进一步限定，如图3所示，所述声场成像菲涅尔透镜对应最佳适用频率为6kHz；所述菲涅尔透镜的整体直径为281.04mm，厚度为4mm；其中，圆形中心 1的直径为82.85mm，支臂宽度为6.93mm；所述同心环透镜体2中所包含的五个同心环从圆形中心向外延伸方向设为1至5级环体；所述环体间缝隙4从圆形中心向外延伸方向设为1至4级环体间缝隙；其中，1至5级环体的宽度分别为：13.555mm，9.24mm，8.5mm，7.38mm， 6.525mm；1至4级环体间缝隙的宽度分别为：11.5mm，9.24mm，7.88mm，6.915mm；圆形中心与1级环体之间的缝隙为15.92mm。

实施例5

本实用新型所述菲涅尔透镜的设计过程为：

本实用新型基于声波衍射理论，类比光学菲涅尔波带片(一种光学聚焦透镜)。但是因为声波的波长远大于光波，且在宏观尺度上与透镜尺寸在同一数量级，因此适用于光学领域推导的近似处理不适用于声学聚焦透镜的设计。

为设计满足实际需求的声场成像菲涅尔透镜，以及便于后续制作，将球冠推导运用到平面理论推导，最终得到以下设计方案。

这里设物距为u，像距为v，此透镜设计对应的声波波长为λ，波带片第m个半径是r_m，其中m是非负整数。

理论推导可得声场成像菲涅尔透镜焦距f的一元三次方程为：

af³+bf²+cf+d＝0 1-1

1-1式的系数，有以下关系

1-2式中k为像距与物距比值，由以上数值关系可知，m不同，焦距不同，即存在多个成像焦点。若将多个焦点的间距尽量减小，则可以形成一段长条状的放大聚焦区域。此即为本实用新型声场成像菲涅尔透镜的基本原理。将所需波长λ代入，求解上述方程，即可得到相应的设计参数，即各个同心圆的半径。

由于受菲涅尔透镜的原理限制，必然存在多个虚焦点。为提高成像质量以及其实用价值，本设计运用了枚举参数的设计算法，将虚焦点对成像的影响降到设计范围内的最低，目前尚无使用此类优化算法的同类产品。

为保证设计的可靠性，避免不必要的浪费，本实用新型在设计阶段使用仿真计算对声场成像情况进行了计算，计算所得结果与实测结果契合程度极高，与光学菲涅尔波带片可以印刷在透明薄膜上不同，由于实际设计中波带片环状结构必须通过辐条固定，本设计在保证一定机械强度的情况下尽量减少了辐条的数量，将其减少至3条，以此减小影响。实测结果证明，此种处理方式对原有理论导出的成像影响可以忽略不计。

虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。