專(zhuān)利名稱(chēng)：一種掃描超聲波顯微鏡同時(shí)進(jìn)行多層掃描成像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種掃描超聲波顯微鏡同時(shí)進(jìn)行多層掃描成像的方法，尤其是一種適用于多層材料缺陷檢測(cè)的多層同時(shí)掃描成像方法。
背景技術(shù)：
掃描超聲波顯微鏡因?yàn)槠錈o(wú)損、可對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)掃查、輻射小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電子芯片、微納米器件的檢測(cè)，成為精密無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)不可替代的設(shè)備。大多數(shù)掃描超聲波顯微鏡是采用脈沖回波技術(shù)工作的，即一個(gè)特殊的聲學(xué)組件(如超聲波探頭)發(fā)射、接收高頻短脈沖的聲波。掃描超聲波顯微鏡整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。被測(cè)材料浸沒(méi)于水中，超聲波探頭通過(guò)夾具固定于Z軸直線(xiàn)電機(jī)的動(dòng)子上，用來(lái)發(fā)送超聲波信號(hào)和接收從被測(cè)材料返回的超聲波回波信號(hào)，超聲波回波信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理之后可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的灰度圖。若要得到整個(gè)被測(cè)材料的二維圖像，則需要通過(guò)x、Y兩軸的直線(xiàn)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使探頭完成整個(gè)XY平面內(nèi)的掃描。整個(gè)平臺(tái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)采集、圖像處理等工作都通過(guò)一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成。 計(jì)算機(jī)屏幕上可以實(shí)時(shí)地得到被測(cè)材料的掃描圖像。如圖2所示，超聲波波①垂直入射到被測(cè)材料中，采集到的超聲波回波有上表面回波②、中間缺陷的回波③和下表面回波④，這三種回波分別對(duì)應(yīng)于圖3所示的數(shù)字示波器中，這就是A掃描圖像，攜帶了被測(cè)材料某一點(diǎn)處沿深度方向(即Z方向)的超聲波回波信息。掃描超聲波顯微鏡常用的成像方式是C掃描成像，工作原理為在A掃描圖像中設(shè)定一個(gè)門(mén)限以截取所感興趣的深度上的回波信號(hào)，如上表面回波或者中間缺陷回波等。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)探頭在XY平面內(nèi)逐行掃描的時(shí)候，計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲取該門(mén)限中的信號(hào)的最大值，作為掃描成像的像素灰度值。但是為了獲取被測(cè)材料尤其是多層復(fù)合材料的更完整的檢測(cè)結(jié)果，需要得到不同層的掃描圖像。而現(xiàn)在掃描超聲波顯微鏡的掃描模式還都是以Α、B、C三種掃描模式為主。 要獲取多層圖像，就需要改變Z軸電機(jī)位置，將超聲波探頭定位到不同深度進(jìn)行C掃描成像。但這種操作都很費(fèi)時(shí)，掃描時(shí)間與掃描層數(shù)成正比。為了適應(yīng)多層材料(如復(fù)合材料等)的檢測(cè)，高效率地得到其不同層的圖像，發(fā)明一種掃描超聲波顯微鏡同時(shí)獲得被測(cè)材料不同層圖像的方法尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決上述問(wèn)題，提供一種掃描超聲波顯微鏡同時(shí)進(jìn)行多層掃描成像的方法。掃描超聲波顯微鏡同時(shí)進(jìn)行多層掃描成像的方法的步驟如下
1)掃描超聲波顯微鏡開(kāi)機(jī)后，超聲波聚焦探頭發(fā)射并接收脈沖式超聲波，將探頭移動(dòng)到被測(cè)材料的正上方；
2)確定所需掃描的多層圖像所處的深度方向的范圍[Z1^2]，控制Z軸電機(jī)移動(dòng)，使超聲波聚焦探頭的焦斑處于此范圍的中間位置(Zi+Z2)/2 ；3)在掃描超聲波顯微鏡的計(jì)算機(jī)顯示器上得到被測(cè)材料在XY平面內(nèi)某一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A 掃描圖像；
4)將該點(diǎn)A掃描圖像在深度范圍[Z1^2]內(nèi)的部分放大，使之布滿(mǎn)整個(gè)A掃描數(shù)字示波器的窗口；
5)設(shè)定沿被測(cè)材料深度方向所要獲取的多層圖像的層數(shù)N，把該A掃描圖像沿橫坐標(biāo)軸即時(shí)間軸方向等分成N個(gè)區(qū)間；
6)分別取劃分好的N個(gè)區(qū)間內(nèi)回波信號(hào)的最大值，并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的N個(gè)灰度值，即為N 層圖像在該位置上的像素點(diǎn)的灰度值大??；
7 )控制電機(jī)帶動(dòng)超聲波聚焦探頭在XY平面內(nèi)逐行掃描，對(duì)于N層圖像上的每個(gè)位置點(diǎn)都重復(fù)權(quán)利要求1中步驟6)，同時(shí)得到N幅圖像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在一次C掃描的時(shí)間內(nèi)，同時(shí)對(duì)材料多個(gè)層面進(jìn)行成像，得到被測(cè)材料的更詳盡的檢測(cè)結(jié)果，以便于分析。


圖1是掃描超聲波顯微鏡硬件結(jié)構(gòu)示意圖2是掃描超聲波顯微鏡中探頭接收超聲波回波示意圖； 圖3是掃描超聲波顯微鏡的A掃描模式示意圖4是一幅一塊多層復(fù)合材料上某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的A掃描圖像，顯示于掃描超聲波顯微鏡的數(shù)字示波器中；
圖5是一幅放大后布滿(mǎn)整個(gè)示波器窗口的A掃描圖像；
圖6是掃描超聲波顯微鏡對(duì)于一塊多層復(fù)合材料進(jìn)行多層同時(shí)掃描的圖像結(jié)果。
具體實(shí)施例方式掃描超聲波顯微鏡整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。被測(cè)材料浸沒(méi)于水中，超聲波聚焦探頭通過(guò)夾具固定于Z軸直線(xiàn)電機(jī)的動(dòng)子上，用來(lái)發(fā)送超聲波信號(hào)和接收從被測(cè)材料返回的超聲波回波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理之后可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的灰度圖。若要得到整個(gè)被測(cè)材料的二維圖像，則需要通過(guò)X、Y兩軸的直線(xiàn)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使探頭完成整個(gè)二維平面內(nèi)的掃描。整個(gè)平臺(tái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)采集、圖像處理等工作都通過(guò)一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成。計(jì)算機(jī)屏幕上可以實(shí)時(shí)地得到被測(cè)材料的掃描圖像。掃描超聲波顯微鏡同時(shí)進(jìn)行多層掃描成像的方法的步驟如下
1)掃描超聲波顯微鏡開(kāi)機(jī)后，超聲波聚焦探頭發(fā)射并接收脈沖式超聲波，將探頭移動(dòng)到被測(cè)材料的正上方；通過(guò)夾具固定于Z軸直線(xiàn)電機(jī)的動(dòng)子上的超聲波聚焦探頭發(fā)射超聲波，計(jì)算機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)顯示超聲波回波信號(hào)，超聲波的A掃描模式是該回波信號(hào)的幅值與時(shí)間的圖像，如圖3所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電壓，信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值越大說(shuō)明信號(hào)是由被測(cè)材料中深度越深的地方反射回來(lái)的。2)確定所需掃描的多層圖像所處的深度方向的范圍[Zl，h]，控制Z軸電機(jī)移動(dòng)， 使超聲波聚焦探頭的焦斑處于此范圍的中間位置(Zi+Z2)/2 ；因?yàn)榫劢固筋^焦斑中心能量最大，對(duì)應(yīng)回波最強(qiáng)。而距離焦斑中心越遠(yuǎn)則能量越小，對(duì)應(yīng)回波也越弱，反映在掃描圖像上即為像素點(diǎn)灰度越暗。所以為了盡量平衡多層掃描的圖像總體不至于太暗，應(yīng)該調(diào)節(jié)Z軸電機(jī)上下移動(dòng)，使超聲波聚焦探頭的焦斑處于此范圍的中間位置(Zi+Z2)/2。3)在掃描超聲波顯微鏡的計(jì)算機(jī)顯示器上得到被測(cè)材料在XY平面內(nèi)某一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A掃描圖像。4)將該點(diǎn)A掃描圖像在深度范圍[Z1^2]內(nèi)的部分放大，使之布滿(mǎn)整個(gè)A掃描數(shù)字示波器的窗口。5)設(shè)定沿被測(cè)材料深度方向所要獲取的多層圖像的層數(shù)N，把該A掃描圖像沿橫坐標(biāo)軸即時(shí)間軸方向等分成N個(gè)區(qū)間；盡量使多層材料的各個(gè)層面對(duì)應(yīng)的回波恰好分別落在各個(gè)劃分好的區(qū)間中。6)分別取劃分好的N個(gè)區(qū)間內(nèi)回波信號(hào)的最大值，并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的N個(gè)灰度值，即為N層圖像在該位置上的像素點(diǎn)的灰度值大小。7 )控制電機(jī)帶動(dòng)超聲波聚焦探頭在XY平面內(nèi)逐行掃描，對(duì)于N層圖像上的每個(gè)位置點(diǎn)都重復(fù)權(quán)利要求1中步驟6)，同時(shí)得到N幅圖像，并由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。下面舉一個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。被檢測(cè)材料為一塊4mm厚的多層復(fù)合材料。1)首先，在掃描超聲波顯微鏡開(kāi)機(jī)后，固定于Z軸電機(jī)動(dòng)子上的超聲波探頭發(fā)射超聲波，并且接收超聲波在被測(cè)材料中的回波信號(hào)將其顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，如圖3所示， 橫軸為時(shí)間，縱軸為電壓幅值，因?yàn)槌暡ㄊ茄刎Q直方向傳向被測(cè)材料，所以圖3中回波信號(hào)在橫軸上的位置也反映了它的反射界面在被測(cè)材料中的深度；圖4為一塊多層復(fù)合材料上某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的A掃描圖像；
2)確定所需掃描的多層圖像所處的深度方向的范圍[Zl，h]，如
(以被測(cè)材料上表面為Z方向原點(diǎn)處，沿下表面方向?yàn)檎较?，單位為mm)。因?yàn)榫劢固筋^焦斑中心能量最大，對(duì)應(yīng)回波最強(qiáng)。而距離焦斑中心越遠(yuǎn)則能量越小，對(duì)應(yīng)回波也越弱，反映在掃描圖像上即為像素點(diǎn)灰度越暗；所以為了盡量平衡多層掃描的圖像總體不至于太暗，應(yīng)該調(diào)節(jié)Z軸電機(jī)上下移動(dòng)，使超聲波聚焦探頭的焦斑處于此范圍的中間位置(Zl+z2)/2，即Z方向2mm 處；
3)例如，調(diào)節(jié)Z軸電機(jī)后，使中間層回波信號(hào)處于其本身峰值較大的位置，說(shuō)明超聲波聚焦探頭的焦斑大約處在中間層附近，約為該材料Z方向的中間位置即2mm處；此時(shí)，得到的該多層材料在XY平面上某一點(diǎn)處的A掃描圖像如圖4所示；由于超聲波脈沖從水入射到此種多層材料上表面時(shí)，界面間的聲阻抗差異較大即界面的反射系數(shù)較強(qiáng)，所以圖4中上表面回波最強(qiáng)，但中間層對(duì)應(yīng)的回波已經(jīng)處于其本身較強(qiáng)的位置；
4)單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇^om鍵，把3)中得到的A掃描信號(hào)放大，使之布滿(mǎn)整個(gè)示波器窗口，如圖5所示；
5)設(shè)置需要的圖像層數(shù)N的值，例如設(shè)成M，根據(jù)N值，把4)中的回波信號(hào)沿著時(shí)間軸方向分成對(duì)份；
6)分別取每份中信號(hào)幅值的最大值，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的灰度圖，得到M個(gè)灰度值，這M 個(gè)灰度值分別是該點(diǎn)處M層圖像的像素點(diǎn)的值；
7)控制電機(jī)帶動(dòng)超聲波聚焦探頭在XY平面內(nèi)逐行掃描，對(duì)于M層圖像上的每個(gè)位置點(diǎn)都重復(fù)權(quán)利要求1中步驟6)，同時(shí)得到M幅圖像，并由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。本例中同時(shí)得到了如圖6所示的M幅圖像，在一次C掃描所用的時(shí)間內(nèi)，得到了被測(cè)材料多個(gè)層面的圖像，比C掃描模式獲取的被測(cè)材料的信息更豐富，并且可以進(jìn)一步基于多個(gè)層面的數(shù)據(jù)進(jìn)行被測(cè)材料內(nèi)部的三維重構(gòu)。
權(quán)利要求
1.掃描超聲波顯微鏡同時(shí)進(jìn)行多層掃描成像的方法，其特征在于它的步驟如下1)掃描超聲波顯微鏡開(kāi)機(jī)后，超聲波聚焦探頭發(fā)射并接收脈沖式超聲波，將探頭移動(dòng)到被測(cè)材料的正上方；2)確定所需掃描的多層圖像所處的深度方向的范圍[Z1^2]，控制Z軸電機(jī)移動(dòng)，使超聲波聚焦探頭的焦斑處于此范圍的中間位置(Zi+Z2)/2 ；3)在掃描超聲波顯微鏡的計(jì)算機(jī)顯示器上得到被測(cè)材料在XY平面內(nèi)某一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A 掃描圖像；4)將該點(diǎn)A掃描圖像在深度范圍[Z1^2]內(nèi)的部分放大，使之布滿(mǎn)整個(gè)A掃描數(shù)字示波器的窗口；5)設(shè)定沿被測(cè)材料深度方向所要獲取的多層圖像的層數(shù)N，把該A掃描圖像沿橫坐標(biāo)軸即時(shí)間軸方向等分成N個(gè)區(qū)間；6)分別取劃分好的N個(gè)區(qū)間內(nèi)回波信號(hào)的最大值，并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的N個(gè)灰度值，即為N 層圖像在該位置上的像素點(diǎn)的灰度值大小；、7 )控制電機(jī)帶動(dòng)超聲波聚焦探頭在XY平面內(nèi)逐行掃描，對(duì)于N層圖像上的每個(gè)位置點(diǎn)都重復(fù)權(quán)利要求1中步驟6)，同時(shí)得到N幅圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種掃描超聲波顯微鏡同時(shí)進(jìn)行多層掃描成像的方法。它的步驟如下1)掃描超聲波顯微鏡開(kāi)機(jī)后，移動(dòng)Z軸電機(jī)，使超聲波聚焦探頭的焦斑處于被測(cè)材料的所關(guān)注深度范圍的中間位置，得到一幅A掃描圖像；2)把該A掃描圖像放大，使之布滿(mǎn)整個(gè)示波器窗口；3)根據(jù)需要設(shè)定N值，把該A掃描圖像沿橫坐標(biāo)軸即時(shí)間軸方向等分成N個(gè)區(qū)間；4)分別取各個(gè)區(qū)間回波信號(hào)的最大值，并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的N個(gè)灰度值，即為N層圖像在該位置上的像素點(diǎn)的灰度值大小；5)控制電機(jī)帶動(dòng)超聲波聚焦探頭在XY平面內(nèi)逐行掃描，即可同時(shí)得到被測(cè)材料的N層圖像。本發(fā)明在一次C掃描時(shí)間內(nèi)，同時(shí)對(duì)被測(cè)材料多個(gè)層面進(jìn)行成像，得到更詳盡的檢測(cè)結(jié)果，以便于分析。
文檔編號(hào)G01N29/06GK102401814SQ201110246410
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者姜燕, 居冰峰, 白小龍, 陳劍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)