一種超聲顯微鏡分辨力測(cè)試及校準(zhǔn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲顯微鏡分辨力測(cè)試及校準(zhǔn)方法，適用于超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，可用于驗(yàn)證超聲檢測(cè)系統(tǒng)的橫向和縱向缺陷檢測(cè)能力，通過(guò)對(duì)超聲顯微鏡檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)使檢測(cè)更為準(zhǔn)確。本方法通過(guò)激光微納技術(shù)在光學(xué)玻璃片上表面刻蝕了一系列微米級(jí)小孔，超聲顯微成像所能辨別的最少微孔尺寸即為橫向檢測(cè)分辨力，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量塊縱截面進(jìn)行超聲顯微測(cè)量計(jì)算像素補(bǔ)償值實(shí)現(xiàn)橫向校準(zhǔn)。設(shè)計(jì)玻璃楔塊試樣，利用聲時(shí)法進(jìn)行厚度測(cè)量，所能測(cè)量的最薄水層厚度值即為縱向檢測(cè)分辨力，將測(cè)量值與理論計(jì)算值進(jìn)行分析求得線性擬合方程實(shí)現(xiàn)縱向校準(zhǔn)。該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，解決了超聲缺陷檢測(cè)能力的客觀評(píng)估問(wèn)題，使超聲顯微鏡的檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。
【專利說(shuō)明】一種超聲顯微鏡分辨力測(cè)試及校準(zhǔn)方法
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種超聲顯微鏡的分辨力測(cè)試及校準(zhǔn)方法，適用于超聲顯微及超聲C掃描檢測(cè)。
二、【背景技術(shù)】
[0002]超聲顯微鏡是一種新型的無(wú)損檢測(cè)儀器，它利用高頻聚焦超聲波對(duì)物體進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可對(duì)物體內(nèi)部及亞表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度、高靈敏度的檢測(cè)，可觀察從表層到數(shù)十毫米深度范圍內(nèi)存在的微米到百微米尺度結(jié)構(gòu)，超聲顯微檢測(cè)具有高靈敏度、高分辨率和圖像直觀等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。
[0003]高頻聚焦超聲換能器的選取對(duì)超聲顯微檢測(cè)效果有著很重要的影響，它的主要性能指標(biāo)有中心頻率、焦距、焦區(qū)聲束寬度等，對(duì)于超聲顯微掃描成像而言，焦區(qū)聲束寬度越小，掃描出的圖像越清晰，即橫向分辨力越高。一般來(lái)說(shuō)，頻率越高，焦區(qū)聲束寬度越窄，橫向成像精度越高，因此在超聲顯微檢測(cè)時(shí)，一般希望所用換能器的頻率越高越好。但是，當(dāng)換能器的頻率提高時(shí)，聲強(qiáng)的衰減會(huì)迅速增大，其穿透能力會(huì)急劇下降，而且一般頻率越高，其信噪比越差，回波信號(hào)常湮沒(méi)在噪聲信號(hào)中，掃描的圖像反而會(huì)由于噪點(diǎn)的增加而變得模糊。同時(shí)對(duì)超聲掃描顯微鏡檢測(cè)來(lái)說(shuō)，軸向分辨率也是一個(gè)需要考慮的重要指標(biāo)，為得到較高的軸向分辨率，要求脈沖的持續(xù)時(shí)間短，因此超聲顯微檢測(cè)系統(tǒng)常采用窄脈沖，且所用換能器一般為寬帶換能器，并將系統(tǒng)設(shè)置為高頻、高阻尼方式。
[0004]超聲顯微鏡的檢測(cè)分辨力是描述其檢測(cè)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，關(guān)于超聲顯微檢測(cè)分辨力的研究國(guó)際上的還比較少。通過(guò)在萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行專利查詢，中國(guó)實(shí)用新型專利CN201120393472.X提供了一種眼科縱向分辨力測(cè)試層靶，用于測(cè)試眼科超聲設(shè)備的縱向分辨力，但其需要一系列不同厚度的微米級(jí)金屬箔，試樣制備較為困難。因此人們希望通過(guò)一種簡(jiǎn)單的測(cè)試方法對(duì)超聲顯微鏡的檢測(cè)性能進(jìn)行評(píng)估。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種超聲顯微鏡檢測(cè)分辨力的測(cè)試及校準(zhǔn)方法，用于驗(yàn)證超聲顯微鏡的橫向和縱向缺陷檢測(cè)能力，同時(shí)通過(guò)相應(yīng)校準(zhǔn)方法對(duì)超聲顯微鏡檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，解決了超聲檢測(cè)過(guò)程中缺陷檢測(cè)能力的客觀評(píng)估問(wèn)題，使超聲顯微鏡的檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。
[0006]本發(fā)明利用激光微納加工技術(shù)在光學(xué)玻璃片上表面刻蝕了一系列微米級(jí)小孔，使用高頻聚焦超聲換能器，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的采集參數(shù)和掃查參數(shù)對(duì)其進(jìn)行超聲顯微掃查成像，所能辨別的最少微孔的尺寸即為系統(tǒng)的橫向檢測(cè)分辨力。同時(shí)設(shè)計(jì)楔塊試驗(yàn)裝置，利用聲時(shí)法對(duì)兩個(gè)楔塊之間的水層厚度進(jìn)行測(cè)量，所能測(cè)量的最薄水層的厚度值即為系統(tǒng)的縱向檢測(cè)分辨力，且與理論計(jì)算的水層厚度數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，從而確定超聲檢測(cè)的精確度。針對(duì)超聲顯微鏡的橫向測(cè)量特性校準(zhǔn)，可以通過(guò)對(duì)不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)量塊縱截面進(jìn)行超聲顯微測(cè)量實(shí)現(xiàn)。對(duì)于縱向測(cè)量特性校準(zhǔn)采用時(shí)間差法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)水層厚度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值與理論計(jì)算水層厚度進(jìn)行對(duì)比分析，求得線性擬合方程進(jìn)行校準(zhǔn)。該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，靈活可靠，可廣泛用于各種超聲掃查成像檢測(cè)設(shè)備。
四、【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1超聲掃描顯微鏡系統(tǒng)圖
[0008]圖2微米級(jí)小孔試樣示意圖
[0009]圖3微米級(jí)小孔超聲掃查圖像
[0010]圖4橫向尺寸校準(zhǔn)示意圖
[0011]圖5玻璃楔塊試樣示意圖
[0012]圖6楔塊檢測(cè)A掃信號(hào)圖
[0013]圖7玻璃楔塊B掃圖
五、【具體實(shí)施方式】
[0014]下面對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
[0015]1.如圖1所示，超聲掃描顯微鏡工作時(shí)，計(jì)算機(jī)觸發(fā)脈沖收/發(fā)裝置產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)壓電晶片產(chǎn)生高頻超聲波。聲波被聲透鏡聚焦到被檢試樣表面或內(nèi)部，在試樣界面或內(nèi)部的聲特性不連續(xù)處產(chǎn)生反射。反射波被壓電晶片接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)限幅、放大電路放大后送至數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)字處理。同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制機(jī)械掃描平臺(tái)對(duì)聲波透鏡和試樣進(jìn)行χ-y水平面二維掃描控制，從而能夠給出二維的超聲圖像，并在計(jì)算機(jī)上顯示試樣的超聲圖像。
[0016]2.如圖2所示，利用激光微納技術(shù)加工一系列微米級(jí)小孔，為避免隨機(jī)性，本文加工了 3組平行的小孔，深度分別為50μπι、80μπι和110 μ m左右，各組小孔的直徑約為120 μ m、100 μ m、80 μ m、60 μ m和40 μ m。加工時(shí)，所用的激光束直徑為5 μ m，讓激光束不斷地在小孔中心周圍運(yùn)動(dòng)，以加工出所需的孔徑大小，因此實(shí)際得到的小孔輪廓并不是完全標(biāo)準(zhǔn)的圓形，小孔加工好后在周圍刻了個(gè)方框，以便識(shí)別小孔區(qū)域。
[0017]3.對(duì)微孔試樣進(jìn)行超聲掃查成像，本系統(tǒng)換能器最高頻率為100MHz，故使用Panametrics V3394換能器，脈沖收發(fā)儀的增益為26dB，A/D卡的采樣率設(shè)置為1GHz，電壓范圍0.5V(-0.25V-0.25V)，掃查間距為10 μ m，玻璃的上表面置于換能器的焦區(qū)位置，采用水作為耦合劑。為得到較高的清晰度，采用頻域成像方式來(lái)對(duì)玻璃片表面進(jìn)行掃查成像，跟蹤閘門和數(shù)據(jù)閘門位置均放在上表面回波位置。
[0018]4.系統(tǒng)的橫向檢測(cè)分辨力在理論上可用斯派羅準(zhǔn)則來(lái)估算，可按下式進(jìn)行計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種超聲顯微鏡分辨力測(cè)試及校準(zhǔn)方法,其特征在于:超聲顯微鏡的檢測(cè)分辨力包括橫向分辨力和縱向分辨力。利用激光微納加工技術(shù)在光學(xué)玻璃片上表面刻蝕了一系列微米級(jí)小孔，對(duì)其進(jìn)行超聲顯微掃查成像，所能辨別的最小微孔尺寸即為系統(tǒng)的橫向分辨力。針對(duì)超聲顯微鏡的橫向測(cè)量特性校準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)量塊縱截面進(jìn)行超聲顯微測(cè)量計(jì)算像素補(bǔ)償值實(shí)現(xiàn)。同時(shí)設(shè)計(jì)玻璃楔塊試樣，利用聲時(shí)法對(duì)兩個(gè)楔塊之間的水層厚度進(jìn)行測(cè)量，所能測(cè)量的最薄水層的厚度值即為系統(tǒng)的縱向分辨力。對(duì)于縱向測(cè)量特性校準(zhǔn)采用斜楔法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)水層厚度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值與理論計(jì)算水層厚度進(jìn)行對(duì)比分析，求得線性擬合方程進(jìn)行校準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲掃描顯微鏡橫向檢測(cè)分辨力，其特征在于:橫向分辨力是指在與聲束軸線垂直平面上，所能區(qū)分的兩個(gè)最接近的、明晰可區(qū)分的像點(diǎn)之間的距離，在理論上可用斯派羅準(zhǔn)則來(lái)估算，可按下式進(jìn)行計(jì)算
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光微納技術(shù)加工一系列微米級(jí)小孔，其特征在于:為避免隨機(jī)性，本文加工了 3組平行的小孔，深度分別為50^.80^和IlOljlIi左右，各組小孔的直徑約為120 μ m、100 μ m、80 μ m、60 μ m和40 μ m。加工時(shí)，所用的激光束直徑為5 μ m,讓激光束不斷地在小孔中心周圍運(yùn)動(dòng)，以加工出所需的孔徑大小，因此實(shí)際得到的小孔輪廓并不是完全標(biāo)準(zhǔn)的圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)微孔試樣進(jìn)行超聲顯微掃查成像，其特征在于:使用IOOMHz高頻超聲換能器，A/D卡的采樣率設(shè)置為1GHz，掃查間距為10 μ m，玻璃的上表面置于換能器的焦區(qū)位置，采用水作為耦合劑。為得到較高的清晰度，使用頻域成像方式來(lái)對(duì)玻璃片表面進(jìn)行掃查成像，跟蹤閘門和數(shù)據(jù)閘門位置均放在上表面回波位置，超聲圖像中所能辨別的最小微孔尺寸即為系統(tǒng)的橫向分辨力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向測(cè)量特性校準(zhǔn)，其特征在于:通過(guò)對(duì)不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)量塊組合使用，采用C掃查方式進(jìn)行厚度截面掃查成像，利用超聲圖像測(cè)量得到組合試塊厚度界面的差值，將測(cè)量值與試塊的標(biāo)準(zhǔn)值作比對(duì)，計(jì)算像素補(bǔ)償值，完成橫向尺寸的校準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲掃描顯微鏡縱向檢測(cè)分辨力，其特征在于:縱向分辨力是指聲束軸線上可以識(shí)別的最小距離，與超聲脈沖的有效帶寬有關(guān)，其理論值可用公式表示為Daxial = ct/2，式中，c為超聲波聲速；t為超聲波在最小距離之間傳播的時(shí)間差。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃楔塊試樣，其特征在于:該試樣由兩塊光學(xué)玻璃片和一個(gè)小墊片組成，兩塊玻璃的一側(cè)互相搭接在一起，另一側(cè)用小墊片墊起來(lái)，從而形成一個(gè)楔角Θ。將該試樣放于水槽之中，楔片的中空部分充滿了水，使高頻超聲換能器置于楔塊正上方，聲束軸線垂直入射(由于楔角很小，因此可以近似為垂直入射)，令探頭基本聚焦在下面玻璃片的上表面，然后觀察不同位置的A掃信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用聲時(shí)法測(cè)量?jī)蓚€(gè)楔塊之間的水層厚度，其特征在于:當(dāng)楔塊中的觀測(cè)點(diǎn)由遠(yuǎn)端位置往楔角的頂端移動(dòng)時(shí)，由于楔片夾角中的水層厚度逐漸減小，水層的上表面回波和下表面回波會(huì)逐漸發(fā)生重疊。在兩個(gè)回波未重疊之前，可在波形圖時(shí)域上得到兩個(gè)回波信號(hào)的時(shí)間差A(yù)t，從而計(jì)算該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水層厚度，即d = C(lAt/2(C(l是水中的聲速，取為1048m/s)，且兩個(gè)回波信號(hào)未重疊之前所對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)的水層厚度為超聲檢測(cè)系統(tǒng)的縱向分辨力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水層厚度，其特征在于:水層厚度還可根據(jù)玻璃片長(zhǎng)度L和楔角Θ之間的關(guān)系，根據(jù)Cltl = LiXtane (Li為點(diǎn)i距楔角頂端的距離)得到水層厚度的理論值，從而與超聲測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，確定超聲檢測(cè)的精確度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱向測(cè)量特性校準(zhǔn)，其特征在于:利用時(shí)間差法通過(guò)對(duì)不同厚度的水層進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，由測(cè)量原理可知誤差的產(chǎn)生主要由于時(shí)間間隔At誤差造成的，且d與Ati呈線性關(guān)系，可利用最小二乘法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性擬合， 計(jì)算校準(zhǔn)值。
【文檔編號(hào)】G01N29/30GK103822971SQ201410079667
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月6日
【發(fā)明者】徐春廣, 彭凱, 肖定國(guó), 郭祥輝, 樊瓊, 楊柳 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)