Способ формирования акустических изображений Советский патент 1989 года по МПК G01N29/06 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сканирующей акустической микроскопии, и может быть использовано для визуали- злции пространственного распределения структурпо-механнческих характеристик микрообъектов.

Цель изобретения - повышение качества акустических изображений - за счет угловой фильтрации помех с помощью фильтрации частотного спектра отраженной ультразвуковой (УЗ) волны, который соответствует угловому спектру падающей волны при оТраже- НИИ ее от равномерно движущейся поверхности.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит электроакустический преобразователь, состоящий из пьезопре- образователя 1, звукопровода 2, акустической линзы 3 и переключателя 4 прием-передача, генератор 5 . когерентных радиоимпульсов, приемный блок 6, электрический фильтр 7, блок 8 регистрации и отображения сигнала, злектромеханический привод 9, отражающую поверхность 10, связываемую с образцом и погруженную в иммерсионную жидкость 11, которая обеспечивает акустический контакт между поверхностью 10 и линзой 3.

Способ формирования акустических изображений заключается в следующем.

Возбуждают электроакустический преобразователь последовательностью когерентных радиоимпульсов с цент- ральной частотой fg и частотой повторения f . Импульс 1Ый режим работы позволяет использовать один и тот же преобразователь как для излучения так и для приема УЗ-волн. Этот злект роакустический преобразователь излучает в иммерсионной жидкости сходящуюся продольную волну Данную волну направляют на поверхность образца так, чтобы акустическая ось сходя щегося волнового фронта была перпен- дикулярна его поверхности, и механически сканируют поверхность вдоль осей Хд,УЗ перпендикулярных акустической оси. Кроме того,- отражающей поверхности сообщают периодическое движение вдоль этой оси, причем на определенном участке траектории движение осуп1ествляется с постоянной

скоростью Уд ,значительно большей скорости сканирования, но значительно меньшей скорости звука в иммерсионной среде.

Плоские волны, угловым спектроь которых может быть представлена сфокусированная волна, после отражения под углом в от локального участка поверхности образца с координатами (Хд,Уд) не только меняют амплитуду и фазу в соответствии с коэффициентом отражения R(Xg,Y5,9 ), но и приобретают доплеровский, сдвиг по частоте на величину

oi - 2kV., cos 9.

(1)

Отраженную волну принимают электроакустическим преобразователем, путем временного стробирования выделяют электрический сигнал на фоне сигналов переотражения и помех и селектируют полезные сигналы, принятые во время прохождения образцом участка траектории с постоянной скоростью. Выделенный полезный сигнал на интер

вале

- 2 2

может быть представ i.

лен в виде

S(Xg,Y3,t) A.exp(i2irf t)m(t) X X p(t).V(X5,Ys,t), (2)

где А

m(t) P(t)

P(t)

- амплитуда несущего колебания;

описывает импульсную модуляцию;

выделяет интервал с постоянной скоростью движения образца:

I, /с/.

О

, /t/

(3)

V(Xg,Yg ,t) определяет отклик преобразователя в зависимости от положеп ния образца и его акустических свойств и может быть найдена на основе соотношения для несканирующего режима:

;г1г

V(2) - I R(0) p(0)exp(i2kZcose)x X sine d9,(4)

где Z - смещение образца из фокальной плоскости по направлению к электроакус- тическому преобразователю;

k Д - длина волны ультразвука в иммерсионной среде;

p.(fl) - обоби;инпая апертурная

функция электроакустического преобразователя, определяющая угловой спектр падающей волны.

f

Считая, что при |t/fc- - Z V t и что коэффициент отражения зависит от координат сканирования и на него не влияет движение образца, из выражения (А) после замены переменной ( 1 ) можно получить соотношение:

2k Vo

X

V(Xs,Ys.t) 2ьГу- I R(X,,Y,)

X р д(о.)ехр1 об td оС.(5)

При этом спектральная плотность этой функции S(Xg,Yg , 0,) определяется комплексЮ)1Ми амплитудами составляющих углового спектра отраженной волны:

. .Y, 0) -. R(X..,Y5,()pft().

(6)

Сигнал S(X5,Y5,t) подвергают синхронному детектированию и импульсной демодуляции, которые при

kV f -.- позволяют восстановить его

Я

комплексную огибающую

S,(X,Y t) А-р (t) V(X5,Y,t)

(7)

Если регистрировать значения сигнала S в моменты времени tp

2 --, которые синхронизированы с пе о

риодическим движением вдоль акустической оси и в которые образец пересекает плоскость Z Zg, то функция S (X ,Yg,tg) описывает изображение, которое получается в обычном режиме при сканировании образца в плоскости (X ,Yg) при Z Z, . Для этого изображения на основании (5) и (7)

справедливо представление:

2kVo

.Y.t) Аг j R(Xg,Y,,) х

X р (o6)expic6todof.

(8)

Согласно способу осуществляют прохождение сигнала S(X, t) через линейную электрическую цепь с импульсной характеристикой k(t), для которой в силу физической осуществимости k(t) О при . Сигнал S, на выходе этого фильтра представляется сверткой:

S,(X5,Y,t) S(X5,Y3.t)k(t) 187846

А (X,Y5,.p(t)-K(t,V.) X

О

X exf/ioitdot -;

/«

5

K(t,.) j k(hexp(-iocr)d, .

Ь|.. (9)

В момент времени t t - -- t

/V.Z.

10

L

у

t т - - , синхронизированный с

периодическим движением по Z, регистрируют сигнал SB зависимости от координат сканирования, по которому формируют акустическое изображение.

При сравнении изображения,формируемого по предлагаемому способу и представимого функцией S CX.Yg , t, ), с изображением S(X,, t) , получаемым по рбычному режиму, видно,

что функция K(t,o6) позволяет изменять относительный вклад составляющих углового спектра в результирующее изображение. При этом функция K(t,,) зависит от импульсного отклика применяемого электрического фильтра, и при достаточно быстром затухании этого отклика и достаточно больших значениях с для нее

справедливо приближение: с

K(t,e6) k(0exp(-ic, )d

К(о6), °(10)

где К(об) - передаточная функций

фильтра Выбор этой передаточной

функции, а также времени регистрации сигнала t, , производится в конкретных случаях в соответствии с характером визуализируемых особенностей

образца.

Так, для устранения помех в изображении, возникающих за счет составляющих углового спектра, не содержащих информацию об исследуемых особенностях образца, производят путем фильтрации принятого электрического сигнала подавление их вкладов в выходной сигнал, используемый для формирования изображения. Например, выделяя составляющие, нормально падающие на поверхность образца, и подавляя остальные, получают изображение, визуализирующее распределение акустического импеданса, В другом случае,

выделяя составляющие углового спектра в области критического угла для поверхностных волн, исследуют про странственное расгфе/;еление коэффициента их затухания.

Примеиеш1е способа позволяет решить задачу идеитис}л1кации особенностей в акустических микроизображениях путем распознява)шя областей образца с заданными структурно-механическими свойствами. Для этого фильтрацию выделеннот о электрического сигнала согласуют с сигналом, определяемым отражением от поверхности с заданным коэффициентом отражения К(б) а передаточную функцию выбирают равной

К(об) R,( (o)J. (Ч)

- где знак - комплексное сопряжение

Затем регистрируют максимальное значение амппитуд1 1 получе1шого сигнала, по которому формируют изображение, в котором распознаваемые особенности представлены яркими областями на общем темном фоне.

Коррекцию искажений изображения, обусловленных аберрациями электроакустического преобразователя, осуществляют путем фильтрации выделенного электрического сигнала, компенсируя амплитудно-фазовые изменения, приобретаемые составляющими углового спектра из-за несовершенства электроакустического преобразователя. При этом передаточная функция может быть определена выражением:

К(об) A(c.) expiq (oi) (12) Где А(А.) j Ц) (/-) - функции, описывающие нежелательные отклонения амплитуды и фазы обобщенной апер- турной функции соответственно.

Осуществление фильтрации выделенного электрического сигнала, посредством которой компенсируют аберрационные фазовые сдвиги, преобретае- мые плоскими волнами углового спектра при распространении по объему образца при визуализации его особенностей, находящихся на большой глубине, позволяет скорректировать искажения в их изображении.

Устройство работает следующим образом.

Последовательность когерентных радиоимпульсов, вырабатываемая генератором 5, через переключатель 4 подводится к пьезопреобразователю 1, который излучает продольную УЗ-волну Волна распространяется вдоль звукопронпда 2 и фокусируется линчой 1 в иммерсионной ткидкости 1 1 . Поело отражения от поверхности 10, котор.чи с помощью электромеханического привода 9 перемещается вдоль акустической оси Z и сканируется по координатам акустическая волна распространяется в обратном направлении

и преобразуется в электрический сигнал преобразователем . Этот сигнал переключателем 4 направляется в приемный блок 6, в котором осуществляется необходимые селекция, усиление,

синхронное детектирование и демодуляция. Затем сигнал подается на фильтр 7, в качестве которого может быть использовано любое устройство, которое позволяет реализовать тррбуемую передаточную ( гункгцпо. iaiipHMep, могут использоваться акачпгоБые пассивные и активные фильтры или цифровые фильтры. Сигнал с выхода этого фильтра подается на (ток 8, где р

моменты времени, синхронизированные с быстрым движением образца вдоль оси Z, осуществляется его регистрация, например, измерение амплитуды или фазы. Формировагше же результирующего акустического микроизображения производится, например, путем модуляции зарегистрированным сиг-налом яркости луча монитора, развертка KiiToporo синхронизирована с механи- чс ским сканированием образца.

Формула изобретения

1. Способ формирования акустичес- Ю1х изображений, заключающийся в том, что в иммерсионной среде формируют плоскую падающую продольную ультразвуковую волну акустической линзой, фокусируют падающую ультразвуковую волну на nonepxHocTi,, связываекгую

с объектом измерения так, чтобы акустическая ось сходящегося волнового фронта ультразвуковой волны бьша пер- пенд;1кулярна поверхности, сканируют

подающую узьтразвуковую волну в плоскости, параллельной фокальной, фокусируют той же акустической линзой отраженную от поверхности ультразвуковую волну в плоскость надающей волны, peп cтpиpyют интенсивность отраженной волны, отличающийся тем, что, с целью повыше- качества акустических изображений за счет угловой фильтрации помех.

9151878Д О

перемещают по пepиoдичecкo fy закону 2. Способ поп.1,отличаюповерхность вдоль акустической осищ и и с я тем, что, с целью распозтлк, что траектория ее движения со-навания областей с заданными акустидержит участок с постоянной скоростьюческими свойствами, фильтрацию осущеи осуиествляют на зток участке фильт-ствляют согласованной и измеряют ампрацию спектра отраженной ультразву-литуду отраженной ультразвуковой волковой волны.ны.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сканирующей акустической микроскопии, и может быть использовано для визуализации пространственного распределения структурно-механических характеристик микрообъектов. Цель изобретения - повышение качества акустических изображений - достигается за счет угловой фильтрации помех с помощью фильтрации частотного спектра отраженной ультразвуковой волны, который соответствует угловому спектру падающей волны при отражении ее от равномернодвижущейся поверхности. С помощью устройства, реализующего способ, формируемая из плоской ультразвуковой волны, возбуждаемой пьезопреобразователем 1 в звуководе 2 линзой 3, сходящаяся волна, при отражении которой от поверхности 10 формируется отраженная волна, которая улавливается линзой 3, и через пьезопреобразователь 1 переключатель 4 "Прием - передача" и фильтр 7 сигнал, амплитуда которого связана с параметрами объекта, регистрируется блоком 8 регистрации изображения. За счет эффекта Доплера отраженная волна от поверхности 10, которая равномерно пермещается электромеханическим приводом 9, получает дополнительный частотный сдвиг, пропорциональный косинусу угла падения волны относительно направления движения поверхности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.