專利名稱：一種基于雙軸聯(lián)動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯微成像快速掃描的方法，特別涉及一種基于雙軸聯(lián)動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法。
背景技術(shù)：
掃描超聲波顯微鏡(SAM :Scanning Acoustic Microscope)廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵電子器件和精密機(jī)械部件的無損檢測與評估，同時也廣泛用于生物組織的顯微觀測。掃描超聲波顯微鏡中，常采用二維機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)攜帶探頭完成對整個被測樣品的檢測。掃描機(jī)構(gòu)的執(zhí)行器一般都采用直線電機(jī)或旋轉(zhuǎn)電機(jī)加精密滾珠絲杠。傳統(tǒng)的二維機(jī)械掃描模式為柵格掃描模式，使X軸電機(jī)負(fù)責(zé)行掃描，每掃描完一行，Y軸電機(jī)步進(jìn)一次，步進(jìn)大小為一個像素所對應(yīng)的大小。X軸電機(jī)進(jìn)行行掃描時，由X軸電機(jī)的光柵信號觸發(fā)高速 AD卡采集回波信號，并實(shí)時處理為二維圖像中該點(diǎn)處的灰度值。X軸電機(jī)往復(fù)的對樣品進(jìn)行掃描，直至掃描完畢。為了提高掃描超聲波顯微成像的速度，德國KSI公司采用了多探頭同時掃描方案，即每個探頭掃描一個子區(qū)域，然后將各個子區(qū)域拼接起來，形成最終的掃描結(jié)果。采用 N個探頭，那么掃描時間就可以節(jié)約N倍。但是這種方法明顯增加了成本。目前，國外大公司提高效率的方式都是在現(xiàn)有的柵格掃描模式下對每個電機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化，在滿足運(yùn)動精度的前提下，盡可能地提高X或Y電機(jī)的速度。但是這種方式不能根本性得顯著提高電機(jī)速度，電機(jī)速度的最大值受限于光柵頻率和分辨率。國外對AFM的研究中提出了螺旋式掃描模式，但是這種掃描模式不僅增加了控制器負(fù)擔(dān)，而且將極坐標(biāo)下的圖像點(diǎn)轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系下又會帶來相應(yīng)的位置誤差，圖像處理較為繁瑣。在螺旋式掃描中，掃描效率必須有所犧牲才能保證良好的穩(wěn)定性，而且本質(zhì)上它的掃描時間與傳統(tǒng)柵格模式相比并沒有優(yōu)勢。傳統(tǒng)柵格掃描模式目前仍然是工業(yè)界機(jī)械掃描類的探頭式顯微鏡的常用掃描模式。但是傳統(tǒng)柵格的掃描模式未能充分利用X軸和Y軸電機(jī)的協(xié)同工作，在掃描過程中，始終是一個電機(jī)帶動超聲波探頭進(jìn)行掃描，效率低下?；诖?，提出一種基于雙軸聯(lián)動式的快速柵格掃描模式，經(jīng)理論計算和實(shí)驗(yàn)證明，在不改變?nèi)魏蜗到y(tǒng)硬件條件(如控制器、 驅(qū)動器等)的情況下，可以提高掃描速率20%以上，并且不會降低掃描后所成像的分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高掃描超聲波顯微鏡的掃描成像的效率，提出一種基于雙軸聯(lián)動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法。基于雙軸聯(lián)動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法，米用掃描超聲波顯微鏡，掃描超聲波顯微鏡包括超聲波探頭、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)、水槽、電機(jī)控制器、超聲波發(fā)射接收器、計算機(jī)、顯示器、被檢測樣品；被檢測樣品放置在水槽中，超聲波探頭設(shè)于被檢測樣品的正上方，超聲波探頭的上部連接于Z軸電機(jī),Z軸電機(jī)與Y軸電機(jī)相連，Y軸電機(jī)與X軸電機(jī)相連，X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)與電機(jī)控制器相連，超聲波探頭與超聲波發(fā)射接收器相連，計算機(jī)分別與超聲波發(fā)射接收器、電機(jī)控制器、顯示器相連，方法的步驟如下I)掃描超聲波顯微鏡開機(jī)后，放置好被檢測樣品，超聲波探頭發(fā)射超聲波；2)在掃描超聲波顯微鏡的計算機(jī)中設(shè)置掃描面積S = (N -a) X (N -a)的大小，其中N為所成圖像的分辨率，a為單個像素的大小；3)使Y軸電機(jī)沿正方向運(yùn)動，X軸電機(jī)沿負(fù)方向運(yùn)動，令(Ν- 'α 4 為I 軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內(nèi)完成對被檢測樣品的一次行掃描；4)行掃描結(jié)束后，然后改變Y軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)樨?fù)方向，X軸電機(jī)運(yùn)動方向不變， 并令β/V^為X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭做微量步進(jìn)；5)微量步進(jìn)結(jié)束后,再改變X軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)檎较?Y軸電機(jī)運(yùn)動方向仍未負(fù)方向，令Lseara= {Ν-\) ·<2/λ/ 為X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內(nèi)完成對被檢測樣品的再一次行掃描；6)再一次行掃描結(jié)束后,然后再改變X軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)樨?fù)方向,Y軸電機(jī)運(yùn)動方向不變，并令A(yù)sfey= a/拋X被檢測樣品和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X被檢測樣品和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭做微量步進(jìn)；7)微量步進(jìn)結(jié)束后，重復(fù)步驟3)到步驟6)，對被檢測樣品進(jìn)行來回掃描，直至整幅圖像掃描完畢。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是I)本發(fā)明可以提高掃描超聲波顯微鏡掃描成像效率20%以上；2)本發(fā)明屬于對X和Y電機(jī)控制器中運(yùn)動控制算法的改變，不會帶來對硬件系統(tǒng)的改動，也不會造成圖像映射時產(chǎn)生位置誤差，不會降低掃描成像后的分辨率。


圖I是掃描超聲波顯微鏡主體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中XY掃描平臺上電機(jī)的運(yùn)動控制框圖；圖3是本發(fā)明的傳統(tǒng)柵格掃描模式的掃描軌跡示意圖；圖4是本發(fā)明的基于雙軸聯(lián)動的快速柵格掃描模式的掃描軌跡示意圖；圖5是掃描超聲波顯微鏡在傳統(tǒng)柵格掃描和快速柵格掃描模式下對同一硬幣進(jìn)行掃描成像的結(jié)果對比。
具體實(shí)施例方式基于雙軸聯(lián)動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法，米用掃描超聲波顯微鏡，掃描超聲波顯微鏡包括超聲波探頭、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)、水槽、電機(jī)控制器、超聲波發(fā)射接收器、計算機(jī)、顯示器、被檢測樣品；被檢測樣品放置在水槽中，超聲波探頭設(shè)于被檢測樣品的正上方，超聲波探頭的上部連接于Z軸電機(jī),Z軸電機(jī)與Y軸電機(jī)相連，Y軸電機(jī)與X 軸電機(jī)相連，X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)與電機(jī)控制器相連，超聲波探頭與超聲波發(fā)射接收器相連，計算機(jī)分別與超聲波發(fā)射接收器、電機(jī)控制器、顯示器相連，被檢測樣品的超聲波回波信號經(jīng)計算機(jī)中信號處理之后可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的灰度圖，若要得到整個被檢測樣品的二維圖像，則需要通過X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)的二維機(jī)械運(yùn)動使超聲波探頭完成對被檢測樣品的掃描，方法的步驟如下I)掃描超聲波顯微鏡開機(jī)后，放置好被檢測樣品，超聲波探頭發(fā)射超聲波；2)在掃描超聲波顯微鏡的計算機(jī)中設(shè)置掃描面積S = (N -a) X (N -a)的大小，其中N為所成圖像的分辨率，a為單個像素的大??；3)使Y軸電機(jī)沿正方向運(yùn)動，X軸電機(jī)沿負(fù)方向運(yùn)動，令(Ν- 'α 4 為I 軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內(nèi)完成對被檢測樣品的一次行掃描；4)行掃描結(jié)束后，然后改變Y軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)樨?fù)方向，X軸電機(jī)運(yùn)動方向不變， 并令β/力為X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭做微量步進(jìn)；5)微量步進(jìn)結(jié)束后，再改變X軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)檎较颍琘軸電機(jī)運(yùn)動方向仍未負(fù)方向，令Lseara= {Ν-\) ·<2/λ/ 為X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內(nèi)完成對被檢測樣品的再一次行掃描；6)再一次行掃描結(jié)束后,然后再改變X軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)樨?fù)方向,Y軸電機(jī)運(yùn)動方向不變，并令A(yù)sfey= a/拋X被檢測樣品和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X被檢測樣品和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭做微量步進(jìn)；7)微量步進(jìn)結(jié)束后，重復(fù)步驟3)到步驟6)，對被檢測樣品進(jìn)行來回掃描，直至整幅圖像掃描完畢。對于掃描面積S = (N · a) X (N · a)的區(qū)域，下面對傳統(tǒng)柵格掃描方法和本發(fā)明提出的快速掃描方法的掃描效率做出比較。I)傳統(tǒng)柵格掃描方法傳統(tǒng)柵格掃描方法的掃描軌跡如圖3所示，X軸電機(jī)負(fù)責(zé)行掃描，Y軸電機(jī)負(fù)責(zé)步進(jìn)。掃描的總時間的理論計算表達(dá)式為T1 = N · tscan l+(N-I) · tstep l(I)，其中t_n」和」分別為一次行掃描和步進(jìn)一次所用的時間。假設(shè)X和Y軸電機(jī)控制器中采用“T”型速度圖進(jìn)行插補(bǔ)，am和Vm分別為X和Y軸電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)所允許的加速度和最大速度。一般進(jìn)行大面積成像時都有，即行掃描中存在勻速運(yùn)動階段，但當(dāng)分辨率很高時不一定能保證^，即保證步進(jìn)過程中存在勻速階段。所以
權(quán)利要求
1.一種基于雙軸聯(lián)動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法，米用掃描超聲波顯微鏡，掃描超聲波顯微鏡包括超聲波探頭、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)、水槽、電機(jī)控制器、超聲波發(fā)射接收器、計算機(jī)、顯示器、被檢測樣品；被檢測樣品放置在水槽中，超聲波探頭設(shè)于被檢測樣品的正上方，超聲波探頭的上部連接于Z軸電機(jī)，Z軸電機(jī)與Y軸電機(jī)相連，Y軸電機(jī)與X軸電機(jī)相連，X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)與電機(jī)控制器相連，超聲波探頭與超聲波發(fā)射接收器相連，計算機(jī)分別與超聲波發(fā)射接收器、電機(jī)控制器、顯示器相連，其特征在于方法的步驟如下1)掃描超聲波顯微鏡開機(jī)后，放置好被檢測樣品，超聲波探頭發(fā)射超聲波；2)在掃描超聲波顯微鏡的計算機(jī)中設(shè)置掃描面積S=OV^)X OVm)的大小，其中#為所成圖像的分辨率，a為單個像素的大??；3)使Y軸電機(jī)沿正方向運(yùn)動，X軸電機(jī)沿負(fù)方向運(yùn)動，令Lscan二GV-1) · a/■^為X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內(nèi)完成對被檢測樣品的一次行掃描；4)行掃描結(jié)束后，然后改變Y軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)樨?fù)方向，X軸電機(jī)運(yùn)動方向不變，并令Lstep= a/ ■^為X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭做微量步進(jìn)；5)微量步進(jìn)結(jié)束后，再改變X軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)檎较?，Y軸電機(jī)運(yùn)動方向仍未負(fù)方向，令Lscan二 OV-I) %/石為X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內(nèi)完成對被檢測樣品的再一次行掃描；6)再一次行掃描結(jié)束后,然后再改變X軸電機(jī)運(yùn)動方向?yàn)樨?fù)方向，Y軸電機(jī)運(yùn)動方向不變，并令4_= a/名為X被檢測樣品和Y軸電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X被檢測樣品和Y軸電機(jī)同時開始運(yùn)動，其合速度使超聲波探頭做微量步進(jìn)；7)微量步進(jìn)結(jié)束后，重復(fù)步驟3)到步驟6)，對被檢測樣品進(jìn)行來回掃描，直至整幅圖像掃描完畢。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙軸聯(lián)動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法。其步驟包括1)設(shè)定掃描面積S=(N·a)×(N·a)后，將Lscan=(N-1)a/作為X和Y電機(jī)運(yùn)動位移的大小，X和Y軸運(yùn)動方向均為正方向并同時開始運(yùn)動；2)兩個電機(jī)停止后，改變Y軸運(yùn)動方向，X軸不變，將Lstep=a/作為X和Y電機(jī)運(yùn)動位移的大小使其同時運(yùn)動；3)兩個電機(jī)停止后，再改變X軸運(yùn)動方向，Y軸不變，X和Y軸電機(jī)繼續(xù)開始運(yùn)動，位移大小均為Lscan；4)兩個電機(jī)停止后，再改變X軸運(yùn)動方向，Y軸不變，X和Y軸電機(jī)繼續(xù)開始運(yùn)動，位移大小均為Lstep；5)電機(jī)停止后，重復(fù)1)到4)中的步驟，直至整幅圖像掃描完畢。本發(fā)明在不改變運(yùn)動系統(tǒng)硬件條件和不降低成像分辨率的前提下，可提高掃描效率百分之二十以上。
文檔編號G01N29/06GK102608208SQ20121004262
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月23日
發(fā)明者吳蕾, 姜燕, 孫安玉, 居冰峰, 張威, 白小龍 申請人:浙江大學(xué)