本发明属于声波技术领域，更具体地，涉及一种基于图案化裁剪技术实现亚波长分辨的方法。
背景技术：
实现声波的亚波长分辨对于提高基于声的成像和探测方式(比如b超，声呐探测等)的分辨率有着重大意义。成像的分辨率与所用波长息息相关。通常的器件成像受限于瑞利极限。瑞利极限的长度为0.5倍波长(以半高全宽为基准)，也就意味着现有技术能分辨的最小长度为0.5倍波长。
现有实际应用的技术几乎不能实现亚波长分辨，相应的，利用现有技术的声学成像质量都相对较低。而在现有的文献中，实现亚波长分辨，即打破衍射极限的方式主要是基于对倏逝波的恢复。具体主要是利用负折射材料或者极致各向异性材料来恢复高频的倏逝波信息。但是这种方式只在近场被实验证明了，在远场很难达到类似的效果。并且文献中涉及到的装置都十分庞大厚重，难以加工，成本较高，不利于实用化。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于图案化裁剪技术实现亚波长分辨的方法，由此解决现有技术几乎不能实现亚波长分辨，使得现有声学成像质量都相对较低，并且现有技术不能实现在远场大范围距离内的亚波长分辨技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于图案化裁剪技术实现亚波长分辨的方法，包括：
确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；对所述相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜后的声波形成超振荡现象，从而产生亚波长的焦斑。
可选地，所述潘洛斯晶格的准周期图案由两种菱形拼成，所述两种菱形的锐角分别为36度和72度，所述两种菱形拼成类似于五边形的准周期图案铺满所述相位调控薄膜平面，裁剪出的圆孔位于两种菱形的顶点上。
可选地，所述圆孔的半径根据图案的大小而定，使圆孔尽量大而互不干扰，圆孔孔径和圆孔平均间距与所调控的声波波长在一个数量级。
可选地，确定相位调控薄膜，包括：
将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜，所述静电纺丝薄膜即为所述相位调控薄膜。
本发明通过不同颗粒与不同高分子材料或者软材料溶液混合后得到的混合溶液，可以制备不同直径和分布的静电纺丝薄膜，由于薄膜中颗粒的振动，从而对不同频率范围声波有180度相位改变，其中，颗粒越多，响应频率越低频；薄膜越厚(小于1毫米的情况下)，响应频率也越低。
可选地，所述任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、实现了远场的声波亚波长分辨，所得到亚波长焦斑半高全宽约为0.25倍波长。意味着在长度分辨率提高一倍，而从整个面积上看，成像精度极限可以为常规手段的4倍，在一个方向上，成像所用波长减少一半，成像精度提高一倍，即对于薄膜平面来说是两个方向上使用亚波长成像其精度都提高一倍，故成像精度提高为原来的4倍。
2、尺寸缩小。比起之前任意同类功能的设计，本发明利用了初相位相差180度的两部分区域共同作用，能使器件面积在x,y两个方向都减少一半，所以能使薄膜总面积减少3/4(z方向为入射波方向，xy与z方向垂直)。
3、能量利用率更高。本发明是基于全透射结构，利用了整个平面的能量，有着更高的能量利用率。并且本发明是无源器件，在能耗、体积、便携性上都有很大优势。
附图说明
图1为本发明提供的基于图案化裁剪技术实现亚波长分辨的方法流程示意图；
图2为本发明提供的将相位调控薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案示意图；
图3为本发明提供的透射积分场计算示意图；
图4为本发明提供的潘洛斯晶格结构仿真透射场图(xz平面)；
图5为本发明提供的潘洛斯晶格结构仿真透射场中心细节图和相应的实验测试图(xz平面)；
图6为图5场中心截线上的强度分布图；
图7为本发明提供的具体生成的声场分布随距离变化的仿真强度图；
图8为本发明提供的焦斑强度和半高全宽随距离变化的关系图；
图9是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图10是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图11是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图12是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图13为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图14为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图15为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图16为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明基于能够将透射相位改变180度的薄膜和特定图案化设计规律以实现亚波长分辨。利用激光切割或者其他切割手段将薄膜切成设计好的图案，可以对不同频率的声波进行亚波长分辨。分辨出的亚波长焦斑可以用于亚波长声学扫描成像，能够极大提高成像分辨率。在这种柔性薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。这种方式也是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
图1为本发明提供的基于图案化裁剪技术实现亚波长分辨的方法流程示意图，如图1所示，包括步骤s101至步骤s102。
s101，确定相位调控薄膜，该相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度。
s102，对相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜后的声波形成超振荡现象，从而产生亚波长的焦斑。
其中，瑞利极限的长度为0.5倍波长(以半高全宽为基准)，也就意味着现有技术能分辨的最小长度为0.5倍波长。而亚波长分辨的目标就是要产生一个半高全宽低于瑞利极限长度的焦斑。
可选地，潘洛斯晶格的准周期图案由两种菱形拼成，两种菱形的锐角分别为36度和72度，所述两种菱形拼成类似于五边形的准周期图案铺满所述相位调控薄膜平面，裁剪出的圆孔位于两种菱形的顶点上。
可选地，圆孔的半径根据图案的大小而定，使圆孔尽量大而互不干扰，圆孔孔径和圆孔平均间距与所调控的声波波长在一个数量级。
图2为本发明提供的将相位调控薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案示意图。如图2所示，按照本发明的实施方式，主体由待切割薄膜1和切割方式2组成。将薄膜按照图2的方法进行切割，当平面声波正入射到切割后的薄膜表面时，根据瑞利-索末菲衍射公式可计算出相应的透射场分布。图2中阴影部分代表透射后的声波初相位为180度，空白部分代表声波初相位为0。
如图2所示，图中虚线勾勒出的图案为类似于潘洛斯晶格的准周期图案。图案由两种菱形(锐角分别为36度和72度)拼成，用这种类似于五边形的准周期图案铺满一个平面(具体大小根据周期而定)，切割出的圆孔就位于菱形的顶点上。圆孔的半径根据图案的大小而定，使圆孔尽量大而互不干扰。圆孔孔径和圆孔平均间距也与所调控波长在一个数量级。
在一个具体示例中，可设圆孔直径为4毫米，菱形边长为16毫米，调节的声波波长为11毫米-17毫米。
超振荡函数的一个简单例子如下所示：
f(x)＝∑ancos(2πnx)
公式表示一些不同空间频率分量的余弦函数的叠加，f(x)表示超振荡函数，x表示一个方向上的位置，an表示函数中第n项成分的强度，或者说对总函数的贡献。通过合适的选取an的值，可以使得最后叠加得到更加高频(振动更快)的分量。an的值对应每一部分的贡献，裁剪得到的薄膜图案上不同位置的点对目标焦斑的贡献由它们到焦斑的距离和方向决定，所以调节薄膜图案的分布就可以形成特定的an的分布。而潘洛斯晶格对透射场的衍射叠加正好满足类似的关系，可以叠加产生更加高频的分量。产生更加高频的分量就可以使得焦斑的最小半高全宽受限于这个高频的分量，从而使得焦斑的半高全宽小于以入射频率为基准的瑞利判据。
具体地，根据瑞利-索末菲衍射公式可计算出相应的透射场分布。其透射场的形成具体由图3所示：图3中a，b图分别是在直角坐标系和柱坐标系下讨论的情况，两种情况类似，这里主要以直角坐标系介绍。xoy所在的平面表示子声源面，而点s所在的平面即为我们所关注的任意一个平行于声源面的目标透射平面，p表示声压。目标平面的任意一点的声压(包含声压的振幅和相位)是声源面上所有源点发出的子声波在目标点处叠加的结果。由瑞利-索末菲衍射积分公式，可以得到目标面上一点的声压表示为(无薄膜的部分对透射场的贡献)：
其中，
而针对有薄膜的部分，由于薄膜对入射声波有180度的相位改变，相当于这部分的初相位增加了180度，所以表现在公式中则为：
其中，ω2表示有薄膜部分的积分区间。
柱坐标系下，类似的有：
其中，
图4为具体生成的超振荡声场分布的仿真强度图，所展示的平面为xy平面，平面声波正入射到图案化的器件表面，入射到器件阴影部分(未裁剪部分)的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分(被裁减部分)的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在器件之后形成涡旋。从图4的相位场我们可以看到整个平面形成了一个五轴对称的图案，并且在最中心处，有一处强度较弱的焦斑，此处正是所形成的超振荡亚波长焦斑。
图5为从图4截取出的中心部分的仿真强度图和相应区域的实验测试强度图。所展示的平面为xy平面，从此图我们可以看到实验结果与仿真吻合得很好，并且中心都有一处较弱的焦斑，即为超振荡亚波长焦斑，也就是说，透射后的声波平场的最中心处即为亚波长的焦斑。
进一步地，图6为从图5的仿真和实验分布中截取的两条通过圆心的强度分布图，从强度分布曲线上我们可以更清楚地看到在两个强度峰之间有一个小峰，而这个小峰正是代表了超振荡形成的焦斑。由图6可知，超振荡在透射区域中心形成的小峰的半高半宽的实验结果为：4.8mm，仿真结果为：3.5mm，说明通过本发明的裁剪图案得到的透射声波中心的焦斑的半高全宽都是小于瑞利判据(7.3mm，为所调控声波波长的一半)的，故形成了亚波长宽度的焦斑，用于亚波长声学扫描成像，能够极大提高成像分辨率。
图7为具体生成的声场分布随距离变化的仿真强度图，所展示的平面为xy平面，分别仿真了4个距离z(z1＝28mm，z2＝31mm,z3＝32mm，z4＝40mm。)下的情况，在这些距离下都形成了理想的超振荡现象。我们可以看到，随距离增加，中心焦斑强度先减弱后增强，而焦斑宽度也是先减少后增加，可见在一定范围内经过图2给出的裁剪后的相位调控薄膜的声波都有这样的超振荡现象，说明采用本发明提供的裁剪技术可以实现在远场大范围距离内的亚波长分辨，且会产生亚波长宽度的焦斑。
图8更明确地表示了焦斑强度和半高全宽随距离变化的关系，我们可以看到距离为24到40毫米之间都能形成亚波长的焦斑，焦斑的半高全宽都是小于瑞利判据的，即实现了远场大范围距离内亚波长超分辨。而相应的，焦斑最小的时候也是强度最小的时候，这也符合超振荡的原理，实际运用是需要相应提高声源的功率，以提高焦斑强度的大小。
本发明实现了远场的亚波长分辨，可以用于声学扫描成像。所得到亚波长焦斑半高全宽约为0.25倍波长。意味着在长度分辨率提高一倍，而从整个面积上看，成像精度极限可以为常规手段的4倍。本发明利用了初相位相差180度的两部分区域共同作用，能使薄膜面积减小。本发明基于全透射结构，利用了整个平面的能量，有着更高的能量利用率。并且本发明是无源器件，在能耗、体积、便携性上都有很大优势。
可选地，确定相位调控薄膜，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜，所述静电纺丝薄膜即为相位调控薄膜。
本发明通过不同颗粒与不同高分子材料或者软材料溶液混合后得到的混合溶液，可以制备不同直径和分布的静电纺丝薄膜，由于薄膜中颗粒的振动，从而对不同频率范围声波有180度相位改变，其中，颗粒越多，响应频率越低频；薄膜越厚(小于1毫米的情况下)，响应频率也越低。
可选地，任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。
可选地，静电纺丝薄膜的面积与用于喷丝的注射器在垂直于喷丝方向的平面内的移动范围有关，移动范围越大，静电纺丝薄膜的面积越大。静电纺丝薄膜的厚度与纺丝时间有关，纺丝时间越长，静电纺丝薄膜的厚度越厚。静电纺丝纤维的直径与纺丝电压有关，纺丝电压越大，静电纺丝纤维的直径越小。静电纺丝薄膜中的颗粒数目与颗粒和高分子材料或者软材料溶液的质量比有关，质量比越大，静电纺丝薄膜中所含的颗粒数目越多。
以下结合具体实施例对本发明提供的相位调控薄膜进行详细介绍：
实施例1：
将直径0.5微米～1.5微米的铜颗粒和聚乙烯醇(型号：pva124)水溶液均匀混合，采用的聚乙烯醇水溶液的浓度为7％～12％，而铜颗粒和聚乙烯醇的质量比根据实际需求具体调节。
其中，在本发明实施例中的聚乙烯醇溶液的浓度也可以是其它溶解较稳定的浓度。
在本发明实施例中给出铜颗粒：聚乙烯醇是1:1，1:2，1:4，1:8四种情况。将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，可以得到直径0.5微米～1.5微米的带颗粒的静电纺丝纤维，由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。
按照本发明配置的不同铜颗粒和聚乙烯醇质量比的混合液体，得到均匀混合的铜颗粒/聚乙烯醇混合液后，就可将此作为原料进行静电纺丝。在本发明实施例中，改变接收距离，纺丝电压，推注速度等参数可以得到不同直径和分布的静电纺丝薄膜。一定范围内，纺丝电压越大，纤维直径越小。推注的速度需要与喷丝的速度(主要是电场力和表面张力等平衡后丝的速度)相协调。推荐的纺丝条件为：环境温度25摄氏度，湿度30％～45％，纺丝电压9.7kv～11.7kv，推注速度0.02ml/s～0.03ml/s。制成的薄膜表面微观形貌扫描电镜图如图9至图12所示，静电纺丝膜制作时铜颗粒和聚乙烯醇的质量比分别为1:8，1:4，1:2，1:1。从图中可看出不同浓度比颗粒数目明显不同。图13到图16分别为上述比例的薄膜进行声波透射测试的结果。我们可以看到在相应的频率范围(如图13-图16所示灰色区域)它们都能够有180度的相位改变，并且保持了较高的透射率(大于80％)。而且随着颗粒占比的增加，频率范围逐渐向低频移动，因此这些薄膜覆盖了从3.8khz到24khz的频率范围。
实施例2：
将直径0.5微米～1.5微米的氧化铅颗粒和聚丙烯腈(pan)的二甲基甲酰胺(dmf)溶液(pan不溶于水，溶于有机溶剂如dmf等)均匀混合，采用的聚丙烯腈的dmf溶液浓度为8％～12％，而氧化铅颗粒和聚丙烯腈质量比根据实际需求具体调节。
其中，在本发明实施例中的聚丙烯腈溶液的浓度也可以是其它溶解较稳定的浓度。
在本发明实施例中给出氧化铅颗粒：聚丙烯腈是1:1，1:4，1:8，1:16四种情况。将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，可以得到直径0.5微米～1.5微米的带颗粒的静电纺丝纤维，由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。
按照本发明配置的不同氧化铅颗粒和聚丙烯腈质量比的混合液体，得到均匀混合的氧化铅颗粒/聚丙烯腈混合液后，就可将此作为原料进行静电纺丝。在本发明实施例中，改变接收距离，纺丝电压，推注速度等参数可以得到不同直径和分布的静电纺丝薄膜。一定范围内，纺丝电压越大，纤维直径越小。推注的速度需要与喷丝的速度(主要是电场力和表面张力等平衡后丝的速度)相协调。推荐的纺丝条件为：环境温度25摄氏度，湿度30％～45％，纺丝电压8.7kv～10.7kv，推注速度0.03ml/s～0.04ml/s。
值得指出的是，实例2所用颗粒和软材料可以和实例1互相替换，如果需要最后的薄膜不溶于水，那么就使用不溶于水的聚合物如聚丙烯腈；如果需要薄膜具有磁性就使用磁性的颗粒如四氧化三铁等。
基于本发明的静电纺丝薄膜其厚度可控，纺丝时间越长，厚度越厚；稳定成膜的厚度最薄仅为20微米，为所调控波长1/650，远薄于当前水平(约1/250)，使其能应用在更多的场景。在本发明制备得到的静电纺丝薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。采用本发明的静电纺丝薄膜对声波相位进行调控的实现方式是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
本发明基于静电纺丝技术制作了相位调控薄膜。由于薄膜中颗粒的振动，会引起声波透射相位发生180度的变化。薄膜的声响应频率主要决定于纺丝纤维与颗粒的密度、模量比，总颗粒占与纤维材料的质量比，和薄膜的厚度等。而这些参数都可以通过材料配比和纺丝参数进行调节。这种薄膜可大面积连续制造，进一步地，这种薄膜可以结合相应的切割技术进行剪切而制作成多功能的器件。在这种柔性薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。这种方式也是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
可选地，能够将透射相位改变180度的薄膜可以使静电纺丝薄膜，也可以是其它任意能够改变透射相位的器件或者材料；未发生相位改变的部分是被切割(裁剪)掉的部分，也可以是任意能够不改变透射相位，使声波完全透过的材料。
可选地，切割的图案并不局限于图2所描述的方案，图2给出的方案只是声波亚波长分辨方法的代表，利用本发明给出的薄膜进行裁剪使得得到亚波长声波的方法都属于本发明的保护范围内。
可选地，此种调控方法适用于流体介质，即不论是在空气中或者水中或者其他流体中的调控都是适用的。
可选地，除了对声波进行调控外，此种方法也完全适用于对光波或者电磁波的调控，只需要将薄膜替换成能改变光波透射相位的材料即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。