專利名稱：可變焦距的聲學設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲學設(shè)備，該設(shè)備包括可變焦距的透鏡。
聲波在很多科學和技術(shù)領(lǐng)域，例如醫(yī)學診斷、機械部件的非破壞性控制以及水下成像等都有用途。聲波允許與光學觀察互補的診斷和控制，因為聲波可以在對電磁波不透明的介質(zhì)中傳播。
美國專利5,305,731公開了一種聲波發(fā)生器，它包括可變焦距的聲學透鏡。焦距可以調(diào)整，從而使聲波聚焦到發(fā)生器前給定距離的物體部分上。該聲學透鏡包括被盤狀可移動壁分離的兩種液體介質(zhì)?？梢苿颖诘倪吘壵掣接谌菁{兩種液體介質(zhì)的容器的內(nèi)表面，且可移動壁的中間部分粘附一個活塞?；钊奈灰茖?dǎo)致聲學透鏡的焦距的改變。
這種設(shè)備的缺點在于，由于活塞的質(zhì)量，焦距變化十分緩慢。具體而言，這種設(shè)備不適于需要快速聲波聚焦的應(yīng)用。而且，控制可移動壁的位移的裝置很復(fù)雜，這使發(fā)生器大、重且不方便。
本發(fā)明的一個目的是提供一種設(shè)備，該設(shè)備包括焦距可快速變化的聲學透鏡。
本發(fā)明提供一種聲學設(shè)備，包括可變焦距的聲學透鏡和將輸入聲波導(dǎo)向透鏡的裝置。根據(jù)本發(fā)明，聲學透鏡包括兩種流體介質(zhì)，聲波在這些流體介質(zhì)中具有不同速度；所述介質(zhì)之間的邊界；以及向一種流體介質(zhì)的至少一部分直接施加力以選擇性產(chǎn)生至少一部分所述界面位移的裝置。
本發(fā)明的范圍內(nèi)，至少一部分所述邊界的位移包括位置或邊界形狀的任意改變。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，聲學透鏡的兩個流體介質(zhì)之間的邊界位移通過直接作用在一種流體介質(zhì)部分上的力控制。因此，不需要與位于兩種流體介質(zhì)之間邊界的壁連接的控制系統(tǒng)，例如活塞。這導(dǎo)致透鏡可移動部分的總質(zhì)量的減少。因此，聲學透鏡的焦距可以更快速地改變。
而且，這種設(shè)備可以很輕且很小，所以它易于使用和處理。具體而言，這種設(shè)備可以在小的體積內(nèi)控制，例如在人體的腔中。
本發(fā)明設(shè)備的另一優(yōu)點源于聲學透鏡的兩種流體介質(zhì)之間的邊界形狀。實際上，邊界形狀可以近似于平面的一部分或球面的一部分。透鏡的成像像差是已知的，并可以使用其它固定焦距的非球面聲學透鏡進行校正。這樣，透鏡的聚焦質(zhì)量很好。
優(yōu)選地，兩種流體介質(zhì)具有基本相等的密度。邊界部分的位移與重力無關(guān)，由此與聲學設(shè)備的方向無關(guān)。
有利的是，可以選擇聲學透鏡中的流體物質(zhì)使得一種流體介質(zhì)中的聲波速度至少比另一流體介質(zhì)中的聲波速度高50％。在兩種流體介質(zhì)之間的邊界處發(fā)生顯著折射效應(yīng)。與焦距相關(guān)的聲學透鏡的倍率可以調(diào)整到很高的值。這導(dǎo)致聲波在穿過邊界時聚散度的明顯改變。例如，兩種流體介質(zhì)可以分別基于水和硅油。水中聲音的速度是大約1490m/s，硅油中聲音速度是大約790m/s，即小了1.9倍。
本發(fā)明的第一實施例中，兩種流體介質(zhì)彼此不易混合，邊界是兩種流體介質(zhì)之間的接觸彎月面。這種情況，兩種流體介質(zhì)之間沒有放置壁，導(dǎo)致透鏡移動部分的總質(zhì)量進一步減小。
本發(fā)明的第二實施例中，邊界包括彈性膜。這種膜防止兩種流體介質(zhì)彼此混合，且它可以通過相對小的力拉伸。透鏡還可以包括另一彈性膜，布置兩個彈性膜以使兩種流體介質(zhì)其中之一保持在聲波路徑的兩個相應(yīng)位置。這樣可以獲得較高的透鏡倍率值。
直接向一種流體介質(zhì)的至少一部分施加力的裝置可以有若干類型。根據(jù)第一類型，兩種流體介質(zhì)的第一種包括極性和/或?qū)щ姷囊后w物質(zhì)，施力裝置包括電極以向所述第一流體介質(zhì)的至少一部分施加電力。調(diào)整這種裝置以電學地控制邊界的位移。這樣可以獲得聲學透鏡焦距的極快速變化。優(yōu)選地在與邊界相鄰的第一流體介質(zhì)的一部分上施加電力。這樣可以減小第一流體介質(zhì)的總量，允許設(shè)備質(zhì)量和尺寸上的減小。
根據(jù)第二類型，施力裝置包括與流體介質(zhì)的所述部分相連的可移動物體。這種類型的優(yōu)選實施例中，可移動物體包括容納流體介質(zhì)所述部分的容器壁。
可以調(diào)整設(shè)備使得涉及設(shè)備的聲波是超聲波。這樣它可以用于任意已知的涉及超聲波的應(yīng)用，例如，高精度成像或遠程聲學功率傳播。
可以設(shè)計設(shè)備以使位于所述設(shè)備之外的目標成像。設(shè)備還包括聲波檢測器。將輸入聲波導(dǎo)向透鏡的裝置可以包括布置在設(shè)備的聲波入口的耦合墊。當聲波從目標傳播到檢測器時可以獲得圖像。聲學透鏡布置在檢測器和設(shè)備的聲波入口之間，從而提供到目標所選部分的聚焦。改變焦距使得位于成像設(shè)備前各個距離的目標的不同部分成像。這樣可以獲得目標更完整的圖像。而且，因為該成像設(shè)備比現(xiàn)有設(shè)備尺寸更小、更簡單且不太笨重，因此較易移動該成像設(shè)備。這種聲學成像設(shè)備在很多應(yīng)用中具有用途，因為它們提供非破壞性的顯像方法。它們可用于醫(yī)學目的或材料控制，例如檢查物體是否沒有裂縫。由于涉及短波長，使用超聲波類型的聲波還提供了更高的分辨率。
可選地，可以設(shè)計設(shè)備以向所述設(shè)備外部的目標發(fā)送聲波。該設(shè)備還包括聲波發(fā)生器。聲學透鏡布置在發(fā)生器和設(shè)備的聲波出口之間，從而使得發(fā)射的聲波在目標所選部分的聚焦。將輸入聲波導(dǎo)向透鏡的裝置位于聲波發(fā)生器和透鏡之間。例如這些裝置可以包括與發(fā)生器和透鏡都接觸的耦合流體介質(zhì)。例如這種設(shè)備可用在碎石術(shù)應(yīng)用中。
參考下面的附圖，此后描述的非限制性實施例更加體現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它方面。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的超聲波探頭(probe)的示意性剖面圖；以及圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例超聲波源的示意性剖面圖。
這些圖中，相同的數(shù)字表示相似的元件，或具有相似功能的元件。而且，為清楚起見，示出元件的尺寸并不對應(yīng)于實際元件的尺寸。
圖1中示出的超聲波探頭具有電絕緣材料制成的外殼10。例如外殼10可以是圓柱形。它具有開放的頂端和封閉的底端。聲波檢測器11位于外殼10內(nèi)，靠近底端。檢測器11是聲波領(lǐng)域中已知的類型。檢測器11的感測面向上，即，朝向外殼10的頂端。
耦合墊12適合外殼10的開口端，從而與外殼10一起定義檢測器11和墊12之間的密封體積V。例如體積V大約具有3cm的直徑，沿著外殼10軸的1.5cm高。耦合墊12由填充了液體物質(zhì)(例如水)的柔性密封袋制成。它這樣設(shè)計當它向物體例如人體按壓時，可以形成大的接觸區(qū)域。
體積V分別填充兩種液體介質(zhì)1和2。優(yōu)選地液體介質(zhì)1主要由水組成。例如它是鹽溶液，離子含量足夠高以具有電學極性性能或?qū)щ姟Ｒ后w介質(zhì)1可以包含鉀和氯化物粒子，例如濃度都在1mol.1-1。備選地，它可以是水和乙醇的混合物。例如液體介質(zhì)2由對電場不敏感的硅油組成。
液體介質(zhì)1和2彼此不易混合。這樣它們在體積V中總是保持分離的液相。液體介質(zhì)1和2之間的分離是不用任何固體部分定義邊界的接觸表面或彎月面。
固定壁4位于體積V和檢測器11之間，緊鄰檢測器11的感測面。壁4對于聲波是透明的，可以在壁4和檢測器11之間插入耦合材料。例如聚乙烯膜可以形成壁4。壁4具有電極5，該電極可以是圓盤形式，直徑大約等于外殼10的內(nèi)徑。電極5可以與液體介質(zhì)1電學絕緣。這樣它與液體介質(zhì)1電容性耦合。備選實施例中，電極5可以與流體介質(zhì)1接觸。
優(yōu)選地壁4覆蓋有親水覆蓋層13，從而保持液體介質(zhì)1靠近電極5。同樣，墊12可以位于體積V中，覆蓋有親水材料(或疏水材料)以保持液體介質(zhì)2在體積V上面部分。這樣，在移動探頭時，甚至顛倒探頭時，液體介質(zhì)1和2的相應(yīng)位置也保持不變。兩種液體具有基本相等的密度以使液體介質(zhì)1和2之間的界面與重力無關(guān)，由此與探頭的方向無關(guān)。
墊12、液體介質(zhì)1和2以及壁4形成了源于探頭軸上并遠離墊12的源點S的聲波W的波導(dǎo)。墊12形成了波W進入探頭的入口，波W在探頭中向檢測器11的感測表面?zhèn)鞑ァ?br> 第二電極6位于外殼10的側(cè)壁中。電極6可以具有圓柱形形狀并環(huán)繞體積V。電極6與電極5以及液體介質(zhì)1電學隔離。電極5和6與可調(diào)電壓源7的兩個輸出相連。
當源7施加的電壓為零時，則液體介質(zhì)1和2之間的接觸表面是彎月面M1。已知，彎月面的形狀由外殼10側(cè)壁內(nèi)部的表面屬性確定它的形狀近似為球面的一部分，尤其是在液體介質(zhì)1和2具有相等密度的情況。因為聲波W在液體介質(zhì)1和2中具有不同的傳播速度，填充有液體介質(zhì)1和2的體積V用作聲波W的會聚透鏡100。這樣，當穿越液體介質(zhì)1和2之間的接觸表面時，進入探頭的聲波W的散度減小。透鏡100的焦距是檢測器11到聲波源點之間的距離，使得聲波在到達檢測器11之前被透鏡100平面化。
當源7施加的電壓設(shè)置成正或負值時，由于電極5和6之間的電場，彎月面形狀改變。具體而言，在與液體介質(zhì)1和2之間的接觸表面相鄰的液體介質(zhì)1的部分施加力。因為液體1的極化行為，它易于向電極6移動，所以液體介質(zhì)1和2之間的接觸表面變平坦。圖中，M2表示當電壓設(shè)置為非零值時接觸表面的形狀。這種電學控制的接觸表面形狀的改變稱為電浸潤。在液體介質(zhì)1導(dǎo)電的情況下，當施加電壓時，液體介質(zhì)1和2之間接觸表面的形狀改變和前面描述的相同。
當電壓非零時，因為接觸表面的變平，透鏡100的焦距增加。例如，當源7施加的電壓大約設(shè)置在100伏特時，焦距大約為20cm。
優(yōu)選地所述探頭與相同設(shè)備中的超聲波發(fā)生器相結(jié)合。因此，檢測的聲波是發(fā)生器向與墊12接觸的外部物體所發(fā)射超聲波的反射部分。已知，檢測器11提供的檢測信號允許通過多普勒效應(yīng)識別位于焦點S的材料的類型，以及材料屬性，例如聲速、密度、硬度、液體介質(zhì)的速度等。
根據(jù)一般的成像原則，當發(fā)射波的元件的尺寸增大時成像系統(tǒng)的分辨率增加。因此，可以通過使用具有較大直徑的可變焦距的透鏡增加前述超聲波成像設(shè)備的分辨率。但是當液體介質(zhì)之間的接觸表面太寬時，出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。增加可變透鏡直徑的一種解決方法是使用菲涅耳類型的透鏡。菲涅耳類型的透鏡被分割成若干部分，每個部分具有與常用透鏡相應(yīng)部分相同的折射效應(yīng)，但厚度減小。電浸潤可用于控制菲涅耳類型透鏡每部分中兩個液體介質(zhì)之間接觸表面的形狀。這樣可以獲得具有可變焦距的菲涅耳類型透鏡。
參考圖2，現(xiàn)在描述超聲波源。參考數(shù)字10仍表示具有封閉底部和開放上端的外殼。和前面描述的相似，上端覆蓋有耦合墊12。
超聲波發(fā)生器21位于外殼10中，緊靠底端。V是發(fā)生器21和墊12之間的體積。墊12形成了發(fā)生器21產(chǎn)生的超聲波W的源的出口。
使用固定壁20，體積V分割成上部和下部。壁20包括剛性圓盤21，使用剛性圓盤21與外殼內(nèi)部側(cè)翼之間的密封環(huán)22，剛性圓盤21保持在外殼10的內(nèi)部側(cè)翼上。圓盤21在其中間部分具有直徑大約為4-5cm的圓形開孔。使用彈性膜23(例如，橡膠薄膜)封閉開孔。在靜止結(jié)構(gòu)中，薄膜23基本是平的。墊12和壁20之間的體積V的上部填充液體介質(zhì)2。
可移動壁24布置在固定壁20和發(fā)生器21之間體積V的下部中。壁24包括剛性圓盤25。圓盤25的外徑小于外殼10的內(nèi)徑，所以它可以向上或向下移動，即，沿平行于外殼10的軸的方向移動。圓盤25在其中間部分具有圓形開孔，其直徑大約等于圓盤21的開孔的直徑。使用與薄膜23相同的薄膜26封閉圓盤25的開孔。外圍波紋管27與圓盤21和25接觸，從而與壁20和24一起在體積V的下部定義一個密閉容器。若干個制動器28，例如四個壓電制動器，布置在外殼10的底端和圓盤25之間。制動器28與控制器29相連，從而控制可移動壁24的位置。
壁20和24以及波紋管27定義的容器容納液體介質(zhì)1。液體介質(zhì)2還填充發(fā)生器21和可移動壁24之間的縫隙以將發(fā)生器21輸出的聲波引向透鏡。位于該縫隙中的一部分液體介質(zhì)2與位于固定壁20上的部分液體介質(zhì)2以流體靜力學方式耦合。例如通過在波紋管27外部的圓盤21中提供孔可以獲得這種耦合。選擇液體介質(zhì)1和2使得超聲波在每種液體介質(zhì)中具有不同的傳播速度。如前所述，液體介質(zhì)1可以基于水，而液體介質(zhì)2可以是硅油。
當可移動壁24在靜止位置，即在較低位置時，薄膜23和26都是平的(圖2中的M2)，所以當穿過包含液體介質(zhì)1的容器傳播時，發(fā)生器21產(chǎn)生的超聲波W的聚散度保持不變。
當可移動壁24被制動器28向上推動時，因為液體介質(zhì)1是不可壓縮的，液體介質(zhì)1填充的體積保持恒定。液體介質(zhì)1中的壓力變得比液體介質(zhì)2中的壓力大，所以彈性薄膜23和26被液體介質(zhì)1向外伸展。薄膜23和26的相應(yīng)形狀變成球形部分(圖2中的M1)。這樣獲得透鏡100。發(fā)生器21產(chǎn)生平面超聲波W。經(jīng)過兩個薄膜23和26之后，超聲波W會聚，焦點S在源的外部，距離取決于薄膜23和26的曲率。使用控制器29調(diào)整可移動壁24的位置導(dǎo)致薄膜曲率的變化，這樣導(dǎo)致源的焦距的變化。
盡管使用兩個彈性薄膜描述了源，但很明顯單個彈性薄膜足以形成具有可變焦距的透鏡。
還可以使分別獲得的透鏡效果與如上述第一和第二實施例形成的兩種液體介質(zhì)之間的邊界相結(jié)合。可以執(zhí)行其它修改，而不偏離直接作用于至少一個流體介質(zhì)以改變邊界形狀的概念。
另一種選擇是將具有如第一實施例的兩種液體介質(zhì)之間直接接觸表面的系統(tǒng)與接觸兩種液體介質(zhì)至少其中之一的可移動部分相結(jié)合。與可移動部分的接觸還可以與如第二實施例中布置的電極相結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種聲學設(shè)備，包括可變焦距的聲學透鏡(100)和將輸入聲波導(dǎo)向所述透鏡的裝置(12；2)，其中聲學透鏡(100)包括兩種流體介質(zhì)(1，2)，聲波在這些流體介質(zhì)中具有不同速度；所述介質(zhì)之間的邊界；以及向一種流體介質(zhì)(1)的至少一部分直接施加力以選擇性產(chǎn)生至少一部分所述界面位移的裝置(5，6，7；28，29)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的聲學設(shè)備，其中兩種流體介質(zhì)(1，2)具有基本相等的密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的聲學設(shè)備，其中在一種流體介質(zhì)(1)中的聲波速度至少比在另一流體介質(zhì)(2)中的聲波速度高50％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3任意一個的聲學設(shè)備，其中兩種流體介質(zhì)(1，2)分別基于水和硅油。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4任意一個的聲學設(shè)備，其中兩種流體介質(zhì)(1，2)彼此不易混合，且其中所述邊界是兩種流體介質(zhì)之間的接觸彎月面(M1，M2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的聲學設(shè)備，其中所述聲學透鏡(100)屬于菲涅耳類型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到4任意一個的聲學設(shè)備，其中所述邊界包括彈性膜(23)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的聲學設(shè)備，還包括另一彈性膜(26)，其中布置彈性膜以使兩種流體介質(zhì)的其中之一(1)保持在聲波(W)路徑的兩個相應(yīng)位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8任意一個的聲學設(shè)備，其中兩種流體介質(zhì)的第一種(1)包括極性或?qū)щ娨后w物質(zhì)，且其中施力裝置包括電極(5，6)，所述電極(5，6)布置成向所述第一流體介質(zhì)的至少一部分施加電力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的聲學設(shè)備，其中布置電極(5，6)以向鄰近邊界的所述第一流體介質(zhì)(1)的一部分施加電力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到8任意一個的聲學設(shè)備，其中施力裝置包括與流體介質(zhì)(1)的所述部分接觸的可移動物體(24)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的聲學設(shè)備，其中可移動物體(24)包括容納流體介質(zhì)(1)所述部分的容器壁。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12任意一個的聲學設(shè)備，其中聲學透鏡工作在超聲波范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到13任意一個的聲學設(shè)備，還包括聲波檢測器(11)，位于聲波引導(dǎo)裝置(12)和該檢測器之間的聲學透鏡(100)，從而通過聲波引導(dǎo)裝置，使從所述設(shè)備外部的成像目標(S)接收的聲波聚焦在檢測器上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到13任意一個的聲學設(shè)備，還包括聲波發(fā)生器(21)，位于發(fā)生器和聲學透鏡之間的聲波引導(dǎo)裝置(2)以向所述設(shè)備外部的目標(S)傳輸由發(fā)生器產(chǎn)生的聲波(W)。
全文摘要
一種聲學設(shè)備，包括可變焦距的聲學透鏡(100)和將輸入聲波導(dǎo)向透鏡的裝置(12)。聲學透鏡包括兩種流體介質(zhì)(1，2)之間的彎曲邊界，在這兩種流體介質(zhì)中聲波具有不同傳播速度。提供裝置(5，6，7)，用于向一種流體介質(zhì)(1)直接施加力，從而產(chǎn)生邊界(M1，M2)的位移。聲學透鏡的這種結(jié)構(gòu)使其能夠獲得焦距的快速變化。
文檔編號G10K11/30GK1965348SQ200580018560
公開日2007年5月16日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月7日
發(fā)明者S·凱帕, B·亨德里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司