FR2631131A1

FR2631131A1 - Surface wave device comprising means for focusing such waves

Info

Publication number: FR2631131A1
Application number: FR8806117A
Authority: FR
Inventors: Pierre Tournois; Jean Desbois
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1988-05-06
Publication date: 1989-11-10

Abstract

The device is capable of focusing the surface waves from a set of transducers. The transducers 13 are distributed along a fixed contour C1 and at least one transducer-receiver B1 is placed in such a way that the delays produced by the transmission of the surface waves over the surface of the substrate 12 equalise the delays between the signals applied to the input transducers. Application to the production of devices for focusing surface acoustic waves similar to optical lenses.

Description

D18positif â ondes de surface comprenant des moyens
de focalisation de ces ondes
La présente invention se rapporte aux dispositifs å ondes de surface, notamment à ondes aco##stiques, qui comportent sur un substrat généralement piézoelectrique un ensemble de transducteurs qui permettent d'émettre ces ondes à la surface de ce substrat, et des moyens qui permettent de focaliser ces ondes au moins en un point donné. Un tel dispositif se comporte d'une manière analogue à une lentille optique -et permet par exemple de faire de l'imagerie haute fréquence.D18 surface wave device comprising means
focusing these waves
The present invention relates to surface wave devices, in particular ac ## static waves, which comprise on a generally piezoelectric substrate a set of transducers which make it possible to emit these waves on the surface of this substrate, and means which allow to focus these waves at least at a given point. Such a device behaves in a manner analogous to an optical lens -and allows for example to do high frequency imaging.

Il est connu du brevet français 2 405 485, déposé le 7 octobre 1977 au nom de la Demanderesse, de réaliser un dispositif d'imagerie acoustique dans lequel une antenne acoustique multi-éléments formant une sonde, par exemple médicale, reçoit les signaux acoustiques provenant des differents points d'un objet dont on désire obtenir l'image d'1lne coupe. Les.signaux de chacun des transducteurs de cette sonde sont appliqués, après un changement de fréquence qui permet d'en inverser la phase, aux transducteurs d'entrée d'un dispositif à ondes de surface. It is known from French patent 2,405,485, filed on October 7, 1977 in the name of the Applicant, to produce an acoustic imaging device in which a multi-element acoustic antenna forming a probe, for example medical, receives the acoustic signals coming from different points of an object which we want to obtain the image of a cut. The signals of each of the transducers of this probe are applied, after a frequency change which makes it possible to reverse the phase, to the input transducers of a surface wave device.

Ces transducteurs sont; dans le cas général, alignés et, en raison de ce changement de phase, les ondes émises par chacun de ces transducteurs convergent poii T' se focaliser en un ensemble de points qui reproduisent à la surface du substrat l'image souhaitée de l'objet, avec une homothétie qui dépend de la différence de vitesse des ondes acoustiques entre l'objet et la sonde d'une part et à la surface du substrat d'autre part, et de la valeur du changement de fréquence. Des moyens appropriés permettent de traduire -cette image acoustique située sur la surface du substrat en une image optique, affichée par exemple sur un tube à rayons cathodiques. These transducers are; in the general case, aligned and, because of this phase change, the waves emitted by each of these transducers converge so as to focus on a set of points which reproduce on the surface of the substrate the desired image of the object , with a homothety which depends on the difference in speed of the acoustic waves between the object and the probe on the one hand and on the surface of the substrate on the other hand, and on the value of the frequency change. Appropriate means make it possible to translate this acoustic image situated on the surface of the substrate into an optical image, displayed for example on a cathode ray tube.

La focalisation des ondes résulte donc des différences de phase entre ces ondes lorsqu'elles sont émises à la surface du substrat par les transducteurs. I,es ondes interfèrent entre elles en différents points de leurs trajets et elles se trouvent en phase au point de focalsation, ce qui leur permet d'exciter un transducteur de réception placé à cet endroit, alors qu'en tout autre point les écarts de phase provoquent la disparition de la somme des ondes. The focusing of the waves therefore results from the phase differences between these waves when they are emitted on the surface of the substrate by the transducers. I, the waves interfere with each other at different points in their paths and they are in phase at the focal point, which allows them to excite a reception transducer placed at this point, while at any other point the deviations of phase cause the sum of the waves to disappear.

Cependant, pour obtenir une îocalisatlon effective il faut que les ondes -soient présentes All point de focallsatlon en même temps. Compte-tenu des retards dûs aux trajets des ondes et de la durée limitée de l'impulsion qui leur a donné naissance, cette condition n'est realisce que pour les ondes provenant d'un petit nombre de transdlleteurs. Le signal résultant de la focalisation de ce petit nombre d'ondes est donc plus faible que celui qui résulterait de la focalisation de toutes les ondes. However, to obtain an effective location, the waves must be present at all focal points at the same time. In view of the delays due to the paths of the waves and the limited duration of the pulse which gave rise to them, this condition is only fulfilled for waves coming from a small number of transducers. The signal resulting from the focusing of this small number of waves is therefore weaker than that which would result from the focusing of all the waves.

Pour limiter cet inconvénient, l'art antérieur enseigne de disposer les transducteurs d'émission sur une courbe qui permet de limiter les retards des ondes entre elles et donc d'obtenir qu'un plus grand nombre de celles-cl interfèrent. To limit this drawback, the prior art teaches to have the emission transducers on a curve which makes it possible to limit the delays of the waves between them and therefore to obtain that a larger number of them interfere.

Toutefois l'effet de focalisation proprement dit est dans ce cas toujours dû à la différence de phAse entre les ondes, et la courbure de la rangée de transducteurs est étudiée pour que la diminution du retard introduit par le trajet soit un multiple de 2~, ce qui garde les relations de phase nécessaires pour la focalisation. Il faut donc toujours inverser le signe de la phase dans la liaison entre les transdlleteurs récepteurs et les transducteurs émetteurs pour obtenir un effet de focalisation qui donne l'équivalent d'une lentille convergente délivrant une image réelle.Si l'on ne procédait pas à cette inversion du signe de la phase, on obtiendrait Itequivalent d'une lentille divergente, donnant donc une image virtuelle inexploitable par la suite. However the focusing effect proper is in this case always due to the difference in phAse between the waves, and the curvature of the row of transducers is studied so that the reduction in delay introduced by the path is a multiple of 2 ~, which keeps the phase relationships necessary for focusing. It is therefore always necessary to reverse the sign of the phase in the connection between the receiving transducers and the transmitting transducers to obtain a focusing effect which gives the equivalent of a converging lens delivering a real image. this inversion of the sign of the phase, we would obtain the equivalent of a divergent lens, thus giving a virtual image which cannot be used subsequently.

Ce changement de phase nécessite des moyens électroni- ques relativement importants qui de surcroît entraînent des distorsions de natures diverses, par- exemple l'apparition d'harmoniques que l'on ne peut pas éliminer complètement même par un filtrage soigné Ces divers effets parasites entraînent une certaine dégradation de l'image. This phase change requires relatively large electronic means which, moreover, lead to distortions of various kinds, for example the appearance of harmonics which cannot be completely eliminated even by careful filtering. These various parasitic effects cause some degradation of the image.

Pour simplifier le système et éliminer ces inconvénients, l'invention propose de répartir les transducteurs émetteurs à la surface du substrat de propagation pour que la focalisation des ondes soit obtenue à partir du temps de trajet de celles-ci vers le point de focalisation. To simplify the system and eliminate these drawbacks, the invention proposes to distribute the emitting transducers on the surface of the propagation substrate so that the focusing of the waves is obtained from the time taken for them to travel to the focusing point.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faîte en regard des figures annexées qui représentent
- la figure 1, un dispositif selon l'invention fonctionnant en champ proche
- la figure 2, le schéma d'un transducteur émetteur à champ large
- la figure 3, un dispositif selon l'invention fonctionnant en champ lointain. Other features and advantages of the invention will appear clearly in the following description presented by way of nonlimiting example and made with reference to the appended figures which represent
- Figure 1, a device according to the invention operating in the near field
- Figure 2, the diagram of a wide field transmitter transducer
- Figure 3, a device according to the invention operating in the far field.

Le dispositif représenté sur la figure 1 est symétrique par rapport à un axe XX'. Il comprend une antenne acoustique 10 formée d'un ensemble de N trnnsducteurs alignés. Cette antenne est par exemple une antenne de réception de sonar plongée dans le milieu marin pour recevoir les signaux acoustiques provenant d'un ensemble de cibles telles que A1 à AM. The device shown in Figure 1 is symmetrical about an axis XX '. It comprises an acoustic antenna 10 formed of a set of N aligned transducers. This antenna is for example a sonar receiving antenna immersed in the marine environment to receive the acoustic signals coming from a set of targets such as A1 to AM.

Les signaux provenant de l'une de ces sources, Al par exemple, arrivent sur les transducteurs de l'antenne 10 avec des retards différents correspondant R des temps de propagation T1 s à Tu, j En réponse à ces signaux acoustiques ces transducteurs délivrent des signaux électriques qui sont envoyés au dispositif de traitement par des moyens appropriés. Dells le cas de cet exemple on utilise un ensemble de connexions parallèles 11, chaque connexion correspondant à un transducteur. The signals coming from one of these sources, Al for example, arrive on the transducers of the antenna 10 with different delays corresponding R of the propagation times T1 s to Tu, j In response to these acoustic signals these transducers deliver electrical signals which are sent to the processing device by appropriate means. In the case of this example, a set of parallel connections 11 is used, each connection corresponding to a transducer.

Selon l'invention le dlsposltif de traitement comporte un dispositif à ondes acoustiques de surface implanté sur un substrat piézoélectrique 12. According to the invention, the treatment device comprises a surface acoustic wave device implanted on a piezoelectric substrate 12.

Sur la figure l'antenne 10 et le substrat 12 sont placés sur le même axe de symétrie XX' pour les besoins de l'expllca- tion, mais il est bien clair que dans les réalisations pratiques l'antenne peut être dissociée du substrat et déportée en un endroit quelconque, tout en restant reliée au substrat par l'ensemble des connexions 11. In the figure, the antenna 10 and the substrate 12 are placed on the same axis of symmetry XX ′ for the purposes of the explanation, but it is quite clear that in practical embodiments the antenna can be dissociated from the substrate and offset to any location, while remaining connected to the substrate by all of the connections 11.

Ces connexions aboutissent sur le substrat à un ensemble de transducteurs à ondes de surface 13 réalisés selon les techniques connues. Ces transducteurs sonl disposés sur un contour
C1 qui est choisie de telle maniere qu'en un point Bj du substrat les temps de propagation T 1,j à TN,j à des ondes de surface entre les transducteurs et ce point Bj répondent à la condition :

These connections lead on the substrate to a set of surface wave transducers 13 produced according to known techniques. These transducers are arranged on a contour
C1 which is chosen in such a way that at a point Bj of the substrate the propagation times T 1, j to TN, j to surface waves between the transducers and this point Bj meet the condition:

Ce contour C1 et la disposition des transducteurs sur le contour sont par exemple définis pour que, les signaux acoustiques étant formés d'impulsions brèves, les fronts avants et les fronts arrières de toutes ces implllslons coïncident au point B, ces signaux étant en outre en phase en ce même point.En prenant une analogie optique ceci revient à annuler les aberrations entre un point objet A j du chAmp objet et un point image B j du champ image. This contour C1 and the arrangement of the transducers on the contour are for example defined so that, the acoustic signals being formed of short pulses, the front edges and the rear edges of all these implllslons coincide at point B, these signals being furthermore phase at this same point. By taking an optical analogy this amounts to canceling the aberrations between an object point A j of the object field and an image point B j of the image field.

Le mode de réalisation le plus simple, correspondant à l'exemple représenté sur la figure, consiste à annuler parfaite- ment les aberrations entre le point objet A1 situé sur l'axe XX' sensiblement au centre de la zone d observer dans le champ objet, et le point image B1 situé lui-même sur l'axe XX'. The simplest embodiment, corresponding to the example shown in the figure, consists in completely canceling the aberrations between the object point A1 located on the axis XX 'substantially in the center of the area to be observed in the object field , and the image point B1 itself located on the axis XX '.

On choisit alors un point S correspondent A l'lnter- section du contour C1 et de l'axe XX'. Ce point sera situé de manière relativement arbitraire, mais de préférence à proximité du bord du substrat le plus éloigné du point B1 sur cet axe
XX'.On peut alors définir un retard Tf qui sera égal à la somme du retard entre A1 et l'antenne il le long de l'axe XX', et du retard entre ce point S et Bl le long de l'axe XXt. Pour annuler les aberrations, il faut alors que les retards Ti,1 et les retards T 1,1 répondent à la formule

We then choose a point S corresponding to the intersection of the contour C1 and the axis XX '. This point will be located relatively arbitrarily, but preferably near the edge of the substrate furthest from point B1 on this axis
XX '. We can then define a delay Tf which will be equal to the sum of the delay between A1 and the antenna there along the axis XX', and of the delay between this point S and Bl along the axis XXt . To cancel the aberrations, the delays Ti, 1 and the delays T 1.1 must meet the formula

Pour chaque transducteur-13 ceci détermine sa distance par rapport au point B1 et donc un lieu, où il doit se trouver sur la surface du substrat. En se donnant alors comme paramètre le pas des transducteurs le long du contour C1, on définit entièrement la position des différents transducteurs 13. For each transducer-13 this determines its distance from point B1 and therefore a place, where it must be on the surface of the substrate. By then giving as a parameter the pitch of the transducers along the contour C1, the position of the various transducers 13 is entirely defined.

Il est clair que dans ces conditions pour les autres points tels A M et BM, la correction des aberrations n'est pas absolument rigoureuse. Toutefois, toujours en prenant l'analogie avec l'optique, il. existe une zone dans le champ objet autour de
A1, et une autre dans le champ image autour de B1 pour lesquelles les aberrations restent faibles et la qualité de la focalisation reste acceptable.It is clear that under these conditions for the other points such as AM and BM, the correction of the aberrations is not absolutely rigorous. However, still taking the analogy with optics there. there is an area in the object field around
A1, and another in the image field around B1 for which the aberrations remain low and the quality of the focusing remains acceptable.

Une matrice de transducteurs a ondes de surface est implantée aux différents points s champ image et reliée électriquement à des circuits de traitement extérieurs. A matrix of surface wave transducers is installed at the various points in the image field and electrically connected to external processing circuits.

L'invention n'est pas limitée a ce mode de représentation, ni plus particulièrement à la méthode de conception décrite plus haut. il est en particulier possible de jouer sur plusieurs degrés de liberté afin d'élargir les champs objet et image ou d'améliorer la qualité de la rocalisation dans un champ donné. The invention is not limited to this mode of representation, nor more particularly to the design method described above. it is in particular possible to play on several degrees of freedom in order to widen the object and image fields or to improve the quality of the rocalisation in a given field.

C'est ainsi que, toujours par analogique avec l'optique, on peut sacrifier la correction parfaite pour les points homologues A1 et B1 afin de diminuer les aberrations là où elles sont les plus importantes, c'est-à-dire généralement en bordure du champ. Ceci permet en particulier d'augmenter la taille du champ utile au prix d'une légère dégradation de qualité au centre de ce champ. On obtient ce résultat en modifiant légèrement la position des transducteurs émetteurs 1.3. Thus, still by analog with the optics, we can sacrifice the perfect correction for the homologous points A1 and B1 in order to reduce the aberrations where they are most important, that is to say generally at the edge. of the field. This makes it possible in particular to increase the size of the useful field at the price of a slight degradation of quality in the center of this field. This is obtained by slightly modifying the position of the transmitter transducers 1.3.

On peut aussi jouer sur le pas des transducteurs en le faisant varier. Enfin on remarquera qu'il n'est pas nécessaire que l'antenne réceptrice 11 soit linéaire mais qu'elle peut être incurvée, soit pour des besoins particuliers à la réalisation de cette antenne, soit pour modifier les retards entre les points objets et celle-ci afin de donner plus de souplesse dans l'lm- plantation des transducteurs 13. We can also play on the pitch of the transducers by varying it. Finally, it will be noted that it is not necessary for the receiving antenna 11 to be linear but that it can be curved, either for specific needs for the production of this antenna, or to modify the delays between the object points and that this in order to give more flexibility in the placement of the transducers 13.

En effet l'implantation des transducteurs 13 doit être telle que les ondes de surface qu'il émet atteignent la totalité du champ image. Comme un transdlleteur réalisé selon une technique donnée émet les ondes acoustiques selon un angle plus ou moins grand selon cette technique, on conçoit que l'implantation des transducteurs n'est pas totalement libre à la surface du substrat 12. Indeed, the implantation of the transducers 13 must be such that the surface waves which it emits reach the entire image field. As a transducer produced according to a given technique emits the acoustic waves at a greater or lesser angle according to this technique, it can be understood that the implantation of the transducers is not completely free on the surface of the substrate 12.

Pour augmenter cet angle d'émission, et donc limiter les contraintes sur l'implantation des transducteurs 13, il est avantageux de réaliser ceux-ci selon la technologie représentée en figure 2. Dans cette technologie les électrodes d'un transducteur 13 sont courbées sensiblement en arc de cercle avec un centre commun F. Un tel transducteur émet alors des ondes de surface selon un angle dont le sommet est F et les côtés les droites joignant F aux extrémités des électrodes. To increase this angle of emission, and therefore limit the constraints on the location of the transducers 13, it is advantageous to produce them according to the technology represented in FIG. 2. In this technology the electrodes of a transducer 13 are substantially curved in an arc with a common center F. Such a transducer then emits surface waves at an angle whose apex is F and the sides the straight lines joining F at the ends of the electrodes.

Un mode particulier de réalisation de l'invention, représenté en figure 3, correspond au cas où le champ objet se trouve suffisamment loin pour que le front d'onde provenant de chacun des points de ce champ objet soit plan, c'est-A-dire que les temps de trajet T1 j A T TN soient égaux et que les rayons
N,j provenant de ces points aux dlfferents transducteurs de l'antenne soient parallèles et incliné s d'un angle a sur l'axe XX'.A particular embodiment of the invention, represented in FIG. 3, corresponds to the case where the object field is located far enough for the wave front coming from each of the points of this object field to be plane, that is A - say that the travel times T1 j A T TN are equal and that the radii
N, j coming from these points to the dlfferents transducers of the antenna are parallel and inclined at an angle a on the axis XX '.

Dans ces conditions les trAnsducteurs de réception des ondes de surface sur le substrat 12 sont situés sur un contour C2. Under these conditions, the transducers for receiving the surface waves on the substrate 12 are located on a contour C2.

La vitesse de propagation des ondes acoustiques dans le milieu où est plongé l'antenne 10 étant notée C, et la longueur d'onde de celle-ci X, à chaque direction incidente a corres pond une fréquence spatiale fs égale à c/# sin α , ce qui montre que le dispositif se comporte comme un transformateur de Fourier pour ces fréquences spatiales fs. The speed of propagation of the acoustic waves in the medium in which the antenna 10 is immersed is denoted C, and the wavelength thereof X, at each incident direction a corresponds to a spatial frequency fs equal to c / # sin α , which shows that the device behaves like a Fourier transformer for these spatial frequencies fs.

On remarque que ce dispositif est analogue aux disposi- tifs dans lesquels on utilise des ondes électromagnétiques guidées entre deux plaques. Ceci permet de lui appliquer les mêmes règles de conception que celles relatives à ces guides électroma gnéflques, qui sont également connus sous le nom de lentilles électromagnétiques. Ces règles sont exposées en particulier dans un article de M. S. SMITH paru dans Radio and Electronic Englneer vol. 52, n04 avril 82. Ces règles tendent toutes å un mlnl- miser les aberrations et on constate alors que le contour C1 n'est pas nécessairement un arc de circonférence, ni C2 rectlligne. It is noted that this device is analogous to the devices in which electromagnetic waves guided between two plates are used. This allows it to apply the same design rules as those relating to these electromagnetic guides, which are also known under the name of electromagnetic lenses. These rules are explained in particular in an article by M. S. SMITH published in Radio and Electronic Englneer vol. 52, n04 April 82. These rules all tend to minimize aberrations and we see that the outline C1 is not necessarily an arc of circumference, nor C2 straight.

Toutefois dans le cadre de l'invention on peut utiliser d'autres critères que ceux consistant à minimiser les aberrations. Selon un exemple simple, on utilise comme critère l'égali- sation des différents retards associés à chacune des fréquences spatiales. Dans ce cas les contours C1 et C2 sont deux arcs de cercle de même rayon, réciproquement centrés sur leurs Intersections avec l'axe de symétrie XX'. On remarque que cette configuration est tout å fait analogue à un transformateur de
Fourier optique. However, in the context of the invention, criteria other than those consisting in minimizing aberrations can be used. In a simple example, the equalization of the different delays associated with each of the spatial frequencies is used as a criterion. In this case the contours C1 and C2 are two arcs of a circle with the same radius, reciprocally centered on their Intersections with the axis of symmetry XX '. We notice that this configuration is completely analogous to a transformer of
Optical fourier.

Claims

1. Surface wave device comprising a substrate (12) supporting a first set of N transducers (13) located on a first contour (1), intended to receive M first sets of N electrical signals, the signals of a set j (1 # j # M) being identical but received with delays Ti, j (1 # i # N and j = Cte), to emit on the substrate a set of surface waves, and a second set of transducers (B1 -BM) intended to receive these surface waves with delays 3 to supply a second set of M electrical signals, each of the signals of this second set representing a function of the N electrical signals of one of the M first sets, characterized in that that the shape of said contour and the location with respect to this contour of each of the transducers Bk (1 # k # M) of the second set of transducers make it possible to obtain constant values for the sums Ti, k + # i, k. (1 # i # N and k = Cte).

2. Device according to claim 1, characterized in that the second set of transducers (B1-BM) covers an area such as for all the transducers Tl 9 + T i; is substantially constant.

3. Device according to claim 1, characterized in that for each Index 3 the delays Tri j are constant and that the transducers of the second set (B1-BM) are arranged on a contour such that for each of these transducers the delays T ij are substantially constant.

4. Device according to claim 3, characterized in that the first and the second contours (C1, C2) are two arcs of circle of the same radius respectively centered on their intersections with their common axis of symmetry, the delays #i, j being then all equal.

5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the M first sets correspond to object points (A1-AM) and that the M transducers correspond to polnts-images (B1-BM).

6. Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it further comprises a volume wave antenna (10) comprising N transducers connected respectively to the N transducers (13) of the first set of transducers, and that the signals transmitted between these transducers retain their phases and are subject to a constant delay