一种扫描超声波显微镜同时进行多层扫描成像的方法

摘要

本发明公开了一种扫描超声波显微镜同时进行多层扫描成像的方法。它的步骤如下：1）扫描超声波显微镜开机后，移动Z轴电机，使超声波聚焦探头的焦斑处于被测材料的所关注深度范围的中间位置，得到一幅A扫描图像；2）把该A扫描图像放大，使之布满整个示波器窗口；3）根据需要设定N值，把该A扫描图像沿横坐标轴即时间轴方向等分成N个区间；4）分别取各个区间回波信号的最大值，并转换为对应的N个灰度值，即为N层图像在该位置上的像素点的灰度值大小；5）控制电机带动超声波聚焦探头在XY平面内逐行扫描，即可同时得到被测材料的N层图像。本发明在一次C扫描时间内，同时对被测材料多个层面进行成像，得到更详尽的检测结果，以便于分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种扫描超声波显微镜同时进行多层扫描成像的方法，尤其是一种适用于多层材料缺陷检测的多层同时扫描成像方法。

背景技术

扫描超声波显微镜因为其无损、可对内部结构扫查、辐射小等优点广泛应用于电子芯片、微纳米器件的检测，成为精密无损检测领域内不可替代的设备。大多数扫描超声波显微镜是采用脉冲回波技术工作的，即一个特殊的声学组件（如超声波探头）发射、接收高频短脉冲的声波。扫描超声波显微镜整体结构如图1所示。被测材料浸没于水中，超声波探头通过夹具固定于Z轴直线电机的动子上，用来发送超声波信号和接收从被测材料返回的超声波回波信号，超声波回波信号经信号处理之后可转化为相应的灰度图。若要得到整个被测材料的二维图像，则需要通过X、Y两轴的直线电机的机械运动使探头完成整个XY平面内的扫描。整个平台的机械运动控制、信号采集、图像处理等工作都通过一台计算机完成。计算机屏幕上可以实时地得到被测材料的扫描图像。

如图2所示，超声波波①垂直入射到被测材料中，采集到的超声波回波有上表面回波②、中间缺陷的回波③和下表面回波④，这三种回波分别对应于图3所示的数字示波器中，这就是A扫描图像，携带了被测材料某一点处沿深度方向（即Z方向）的超声波回波信息。扫描超声波显微镜常用的成像方式是C扫描成像，工作原理为：在A扫描图像中设定一个门限以截取所感兴趣的深度上的回波信号，如上表面回波或者中间缺陷回波等。当电机带动探头在XY平面内逐行扫描的时候，计算机自动获取该门限中的信号的最大值，作为扫描成像的像素灰度值。

但是为了获取被测材料尤其是多层复合材料的更完整的检测结果，需要得到不同层的扫描图像。而现在扫描超声波显微镜的扫描模式还都是以A、B、C三种扫描模式为主。要获取多层图像，就需要改变Z轴电机位置，将超声波探头定位到不同深度进行C扫描成像。但这种操作都很费时，扫描时间与扫描层数成正比。为了适应多层材料（如复合材料等）的检测，高效率地得到其不同层的图像，发明一种扫描超声波显微镜同时获得被测材料不同层图像的方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提供一种扫描超声波显微镜同时进行多层扫描成像的方法。

扫描超声波显微镜同时进行多层扫描成像的方法的步骤如下：

1）扫描超声波显微镜开机后，超声波聚焦探头发射并接收脉冲式超声波，将探头移动到被测材料的正上方；

2）确定所需扫描的多层图像所处的深度方向的范围[z₁,z₂]，控制Z轴电机移动，使超声波聚焦探头的焦斑处于此范围的中间位置 (z₁+z₂)/2； 

3）在扫描超声波显微镜的计算机显示器上得到被测材料在XY平面内某一点对应的A扫描图像；

4）将该点A扫描图像在深度范围[z₁,z₂]内的部分放大，使之布满整个A扫描数字示波器的窗口；

5）设定沿被测材料深度方向所要获取的多层图像的层数N，把该A扫描图像沿横坐标轴即时间轴方向等分成N个区间；

6）分别取划分好的N个区间内回波信号的最大值，并转换为对应的N个灰度值，即为N层图像在该位置上的像素点的灰度值大小；

7）控制电机带动超声波聚焦探头在XY平面内逐行扫描，对于N层图像上的每个位置点都重复权利要求1中步骤6），同时得到N幅图像。

本发明的优点在于，在一次C扫描的时间内，同时对材料多个层面进行成像，得到被测材料的更详尽的检测结果，以便于分析。

附图说明

图1是扫描超声波显微镜硬件结构示意图；

图2是扫描超声波显微镜中探头接收超声波回波示意图；

图3是扫描超声波显微镜的A扫描模式示意图；

图4是一幅一块多层复合材料上某一点所对应的A扫描图像，显示于扫描超声波显微镜的数字示波器中；

图5 是一幅放大后布满整个示波器窗口的A扫描图像；

图6 是扫描超声波显微镜对于一块多层复合材料进行多层同时扫描的图像结果。

具体实施方式

扫描超声波显微镜整体结构如图1所示。被测材料浸没于水中，超声波聚焦探头通过夹具固定于Z轴直线电机的动子上，用来发送超声波信号和接收从被测材料返回的超声波回波信号，回波信号经信号处理之后可转化为相应的灰度图。若要得到整个被测材料的二维图像，则需要通过X、Y两轴的直线电机的机械运动使探头完成整个二维平面内的扫描。整个平台的机械运动控制、信号采集、图像处理等工作都通过一台计算机完成。计算机屏幕上可以实时地得到被测材料的扫描图像。

扫描超声波显微镜同时进行多层扫描成像的方法的步骤如下：

1）扫描超声波显微镜开机后，超声波聚焦探头发射并接收脉冲式超声波，将探头移动到被测材料的正上方；通过夹具固定于Z轴直线电机的动子上的超声波聚焦探头发射超声波，计算机屏幕上动态显示超声波回波信号，超声波的A扫描模式是该回波信号的幅值与时间的图像，如图3所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，信号所对应的时间值越大说明信号是由被测材料中深度越深的地方反射回来的。

2）确定所需扫描的多层图像所处的深度方向的范围[z₁,z₂]，控制Z轴电机移动，使超声波聚焦探头的焦斑处于此范围的中间位置 (z₁+z₂)/2；因为聚焦探头焦斑中心能量最大，对应回波最强。而距离焦斑中心越远则能量越小，对应回波也越弱，反映在扫描图像上即为像素点灰度越暗。所以为了尽量平衡多层扫描的图像总体不至于太暗，应该调节Z轴电机上下移动，使超声波聚焦探头的焦斑处于此范围的中间位置 (z₁+z₂)/2。

3）在扫描超声波显微镜的计算机显示器上得到被测材料在XY平面内某一点对应的A扫描图像。

4）将该点A扫描图像在深度范围[z₁,z₂]内的部分放大，使之布满整个A扫描数字示波器的窗口。

5）设定沿被测材料深度方向所要获取的多层图像的层数N，把该A扫描图像沿横坐标轴即时间轴方向等分成N个区间；尽量使多层材料的各个层面对应的回波恰好分别落在各个划分好的区间中。

6）分别取划分好的N个区间内回波信号的最大值，并转换为对应的N个灰度值，即为N层图像在该位置上的像素点的灰度值大小。

7）控制电机带动超声波聚焦探头在XY平面内逐行扫描，对于N层图像上的每个位置点都重复权利要求1中步骤6），同时得到N幅图像，并由计算机实时显示。

下面举一个例子进行说明。被检测材料为一块4mm厚的多层复合材料。

1）首先，在扫描超声波显微镜开机后，固定于Z轴电机动子上的超声波探头发射超声波，并且接收超声波在被测材料中的回波信号将其显示在计算机屏幕上，如图3所示，横轴为时间，纵轴为电压幅值，因为超声波是沿竖直方向传向被测材料，所以图3中回波信号在横轴上的位置也反映了它的反射界面在被测材料中的深度；图4为一块多层复合材料上某一点所对应的A扫描图像；

2）确定所需扫描的多层图像所处的深度方向的范围[z₁,z₂]，如[0,4](以被测材料上表面为Z方向原点处，沿下表面方向为正方向，单位为mm)。因为聚焦探头焦斑中心能量最大，对应回波最强。而距离焦斑中心越远则能量越小，对应回波也越弱，反映在扫描图像上即为像素点灰度越暗；所以为了尽量平衡多层扫描的图像总体不至于太暗，应该调节Z轴电机上下移动，使超声波聚焦探头的焦斑处于此范围的中间位置 (z₁+z₂)/2，即Z方向2mm 处；

3）例如，调节Z轴电机后，使中间层回波信号处于其本身峰值较大的位置，说明超声波聚焦探头的焦斑大约处在中间层附近，约为该材料Z方向的中间位置即2mm处；此时，得到的该多层材料在XY平面上某一点处的A扫描图像如图4所示；由于超声波脉冲从水入射到此种多层材料上表面时，界面间的声阻抗差异较大即界面的反射系数较强，所以图4中上表面回波最强，但中间层对应的回波已经处于其本身较强的位置；

4）单击鼠标右键，选择Zoom键，把3）中得到的A扫描信号放大，使之布满整个示波器窗口，如图5所示；

5）设置需要的图像层数N的值，例如设成24，根据N值，把4）中的回波信号沿着时间轴方向分成24份；

6）分别取每份中信号幅值的最大值，并转化为相应的灰度图，得到24个灰度值，这24个灰度值分别是该点处24层图像的像素点的值；

7）控制电机带动超声波聚焦探头在XY平面内逐行扫描，对于24层图像上的每个位置点都重复权利要求1中步骤6），同时得到24幅图像，并由计算机实时显示。

本例中同时得到了如图6所示的24幅图像，在一次C扫描所用的时间内，得到了被测材料多个层面的图像，比C扫描模式获取的被测材料的信息更丰富，并且可以进一步基于多个层面的数据进行被测材料内部的三维重构。