CN102072935A - 一种扫描超声波显微镜自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描超声波显微镜自动对焦的方法，其步骤包括：1)根据对焦公式计算，大致确定Z轴电机的位置；2)捕获所需显示层面的超声波回波信号峰值，设定标志位，初值为0；3)令Z轴电机朝某一方向微动，再取一次回波信号峰值并启动一个计数器k，初值为1；4)判断标志位是否为1，若为是，则对焦结束，若为否，则进行后续判断；5)比较Z轴电机在第k次微动后回波信号峰值是否大于等于前一次，若为是，则Z轴电机继续向前微动，若为否，则向反方向微动并判断k是否大于2，若为是，则标志位置位；6)计数器加1进入4)，直至标志位为1后对焦结束。本发明采用粗精结合完成自动对焦，并且不用设定固定的循环次数，对焦更快更准。

Description

一种扫描超声波显微镜自动对焦方法

技术领域

本发明涉及显微镜自动对焦的方法，尤其涉及一种扫描超声波显微镜自动对焦方法。

背景技术

扫描超声波显微镜因为其无损、可对制定内部层面扫查、辐射小等优点广泛应用于电子芯片、微纳器件的检测，成为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。在探头内部高频率的电磁振动转化为平面波，通过耦合中介(水或者其他耦合剂)发射到试件。从物体反射回来的声波信号也同时被探头接收，接收到的声波脉冲转化为电磁信号，同步转换成一定灰度值的像素点。要形成一幅图像，探头要在样品上进行逐行扫描。拥有优秀调焦手段的探头装置同时适用于发射和接收信号，通过机械地对样品进行扫描，从而得到相对应的图像数据。

超声波探头按构造可分为直探头、斜探头、带曲率探头、聚焦探头、表面波探头等。聚焦探头的基本作用是使探头发出的超声波在媒质中传播时，形成球面形或圆柱面形的波阵面，最后会聚到离初始波阵面(或探头)一定距离F的声轴上的某一点上。由于聚焦探头具有声束细、声能集中、分辨率高等优点，扫描超声波显微镜通常采用聚焦探头作为声学组件。

超声波显微镜最重要的技术指标为图像的分辨率，而超声波探头的频率大小和聚焦好坏直接决定了图像的分辨率。随着科学技术的飞速发展，超声波探头所能达到的频率越来越高，目前最高超声波探头频率可达到4GHz。相比之下，对焦系统仍然停留在手动对焦，或者半自动对焦阶段，快速性和精确性都远远跟不上探头更新的速度。

传统的扫描超声波显微镜对焦操作方式为：试样水平度调整好后，就可以进行成像。为此，必须选择最佳的散焦位置。这一般是通过观察不同散焦位置上线扫描信号的变化，直到发现有最大的信号强度对应的散焦位置。这位置一般都在负散焦区、信号的平均值为最大值(即在焦点处的信号大小)的一半的地方。同时，成像时应仔细调节显示器的亮度和对比度，选择适当的放大倍数，以最佳的反差和信号强度记录下所感兴趣的材料特征。

国外现有的扫描超声波显微镜系统如SONIX ECHO、KSI SAM400、国内中国电子科技集团公司第四十五研究所SSJ-100扫描超声波显微镜等，虽然所用聚焦探头的分辨率可达到1GHz以上，但是在超声波探头聚焦上仍然采用手动聚焦或者人工半自动聚焦，仍需使用人员经过一定的技术培训才能操作。这种对焦方式精度低、效率差，所以发明一种应用于扫描超声波显微镜的自动对焦方法尤为必要。

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自动对焦方法。

扫描超声波显微镜自动对焦方法的步骤如下：

1)扫描超声波显微镜开机后，超声波探头发射超声波；

2)根据对焦公式Z₃＝(C₂/C₃)(Z₂-l₂)计算出扫描超声波显微镜Z轴电机到达的位置，使Z轴电机运动至到达位置后停止，其中C₂为超声波在耦合介质水中的折射率、C₃为试件中的折射率，Z₂为超声波声束在耦合介质水中的焦斑位置，l₂为耦合介质水的厚度；

3)在扫描超声波显微镜显示的A扫描中，设置门以捕获所需扫描层面回波信号的峰值，设此峰值为V₀，并在寄存器中设置一个标志位flag，flag初始值为0；

4)使扫描超声波显微镜Z轴电机开始沿某一方向微量运动，然后再取所需扫描层面回波信号的峰值V₁，启动一个计数器k，初始值为1；

5)判断标志位flag是否为1，若为是，则自动对焦结束，若为否，则进入下一判断；

6)设V_k和V_k-1分别为扫描超声波显微镜Z轴电机第k次和第k-1次微量运动后捕获的所需扫描层面回波信号的峰值，继续判断V_k是否大于等于V_k-1，若为是，则扫描超声波显微镜Z轴电机继续沿原方向微量运动，若为否，则Z轴电机反向微量运动，再判断计数器k是否大于等于2，若为是，则标志位flag＝1；

7)计数器k加1，然后重复5)、6)步骤直至标志位flag＝1，自动对焦结束。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)本发明的扫描超声波显微镜自动对焦方法全部由计算机自动完成，提高了工作效率。首先通过理论计算进行Z轴电机的粗定位，即完成粗对焦；然后再微调Z轴电机不断检测所需层面回波信号峰值使之最大，完成精确对焦。由于超声波在水中声速、超声波对不同材料的折射率、试件层数的多样性等因素的影响，理论计算值有一定的偏差，本发明用软件对理论偏差进行补偿。粗精对焦的结合有利于提高对焦速度和精度。

2)在精对焦过程中，每次循环中都检测一次标志位以确定回波信号峰值的最大值是否检测到，若检测到则立即跳出循环，自动对焦结束。而无需设定固定的循环步骤数，保证对焦的快速性和正确性。

附图说明

图1是超声波对焦理论计算所对应的示意图，图中C₁、C₂、C₃分别为超声波在超声波探头内、耦合介质水中、试件中的折射率，l₂为耦合介质水的厚度，Z₂为没有试件时超声波在水中的焦斑位置，Z₃为声束经过试件折射后焦斑的位置；

图2是超声波A扫描波形图，被测试件为某一电子芯片，“A”指示芯片的表面回波，“B”指示芯片中间层的表面回波，中间层往往是所需扫描的层面；

图3是本发明扫描超声波显微镜自动对焦方法的流程图；

图4是扫描超声波显微镜的硬件结构示意图；

图5是多次微动扫描超声波显微镜Z轴电机时，每次对应的回波信号显示的示意图；

图6(a)是采用人工对焦后，扫描超声波显微镜对芯片中间层的扫描图像；

图6(b)是采用本发明的自动对焦后，扫描超声波显微镜对芯片中间层的扫描图像。

具体实施方式

扫描超声波显微镜整体结构如图4所示。试件浸没于水中，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试件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。若要得到整个试件的二维图像，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试件的扫描图像。

同光学显微镜一样，扫描超声波显微镜在成像前也需对焦。在指定试件所需扫描层面的深度后，就需调节Z轴电机上下运动使超声波声束在试件中的焦斑的位置落在所需扫描的层面上，使所需扫描层面经扫描成像后图像最清晰。

自动对焦方法的步骤如下：

1)扫描超声波显微镜开机后，通过夹具固定于Z轴直线电机的动子上的超声波探头发射超声波，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2所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，信号所对应的时间越长说明信号是由试件中深度越深的地方反射回来的，信号所对应的幅值越大说明信号是从试件中声阻抗差异越大的界面上反射回来的；

2)因为对焦是通过调节探头的竖直方向位置使得超声波焦斑落在所需扫描的层面上，所以需不断调节扫描超声波显微镜Z轴电机上下位置，调节Z轴电机位置分为粗调和精调两大步，首先是粗调，如图1所示，根据对焦公式Z₃＝(C₂/C₃)(Z₂-l₂)计算出Z轴电机到达的位置，使Z轴电机运动至到达位置后停止，其中C₂为超声波在耦合介质水中的折射率、C₃为试件中的折射率，Z₂为声束在耦合介质水中的焦斑位置，l₂为耦合介质水的厚度；

3)在1)中提到的扫描超声波显微镜的A扫描模式中，设置门以捕获所需扫描层面回波信号的峰值，设此峰值为V₀，在无损检测领域往往所需扫描的层面是试件的中间层，如图2所示，用计算机将门的位置设置在“B”所代表的回波信号处以捕获其峰值，然后在寄存器中设置一个标志位flag用以指示自动对焦是否结束，flag初始值为0；

4)由于具体实验环境导致的上述对焦公式中参数的误差将使对焦不准确，所以需下面的精调，当焦斑正好落在所需扫描的层面上时，该层面上的超声波回波信号幅值最大，精调实际上是不断地令扫描超声波显微镜Z轴电机微量移动使所需扫描层面的回波信号峰值最大，先使Z轴电机开始沿某一方向微量运动，然后再取所需扫描层面回波信号的峰值V₁，同时启动一个计数器k，初始值为1；

5)判断标志位flag是否为1，若为是，则自动对焦结束，若为否，则自动对焦尚未完成，进入下一判断；

6)设V_k和V_k-1分别为Z轴电机第k次和第k-1次微量运动后捕获的所需扫描层面回波信号的峰值，判断V_k是否大于等于V_k-1，若为是，则说明回波信号的峰值最大点还没找到，则扫描超声波显微镜Z轴电机继续沿原方向微量运动，若为否，则说明回波信号的峰值最大点已过，Z轴电机反向微量运动，在上述判断结果为否的情况下再判断计数器k是否大于等于2，若为是，则说明标志位flag＝1；

7)计数器k加1，然后重复5)、6)步骤直至标志位flag＝1，自动对焦结束。

下面举一个例子进行说明。

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，并且接收超声波在试件中的回波信号将其显示在计算机屏幕上，如图2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试件，所以图2中回波信号在横轴上的位置也反应了它的反射界面在试件中的深度，图2中“A”指示的是某一芯片的表面回波，“B”指示的是该芯片中间层的回波，可以看出中间层回波在时间上落后于表面回波；

2)然后进行粗对焦，即根据上述对焦公式计算出Z轴电机应该到达的位置，完成Z轴电机的定位，因为实验环境的影响，对焦公式中的参数会与实际值之间有误差，所以需进行后续的精对焦；

3)设所需扫描层面是试件的中间层，在计算机屏幕上显示的超声波回波信号中，设置门捕获中间层的回波信号，如图2所示，屏幕上会显示出该回波信号的峰值电压的大小，此峰值为V₀＝0.773V，然后在寄存器中设置一个标志位flag用以指示自动对焦是否结束，flag初始值为0；

4)下面进行精调，因为超声波焦斑落在中间层上时，中间层的回波信号的峰值最大，转化为灰度图后，所成的图像最清晰，而焦斑落在中间层上方或中间层下方时，中间层的回波信号峰值没有达到最大，转化为灰度图后，成像不清晰，所以需要不断地微调Z轴电机使得中间层的回波信号峰值达到最大，先使Z轴电机向下运动10μm，然后再得到中间层回波信号的峰值V₁＝0.767V，同时启动一个计数器k＝1，用来记录Z轴电机微调的次数；

5)然后进入后续判断，flag不为0，对焦尚未结束，V₁＜V₀，说明Z轴电机运动方向有误，如图5所示，V₀对应的是B点的幅值，V₁对应的是A点的幅值，而实际上中间层回波信号峰值的最大值如D点所示，所以Z轴电机应该反向运动10μm，而此时k＝1＜2，所以k加1后继续进入对flag的判断，此时对焦尚未结束，flag＝0，因为V₂＝V₀＝0.773V＞V₁，说明Z轴电机运动方向正确，继续向前微动10μm，k加1后再次进入对flag的判断，不断地做简单的循环保证Z轴电机向中间层回波信号峰值增大的方向运动，如图5所示，回波信号的峰值从开始的B点到A点、再到B点、C点、D点；

6)当回波信号的峰值达到图5中D点后，Z轴电机继续向前微动10μm，k加1后为5，然后再次进入flag判断，此时flag＝0，再判断E点对应回波信号的幅值V₅是否大于D点对应回波信号的幅值V₄，此例中，V₄＝0.815V，V₅＝0.811V，V₅＜V₄，Z轴电机再反向微动10μm，继续判断k是否大于等于2，此时k＝5＞2，所以将flag置位，k加1后继续进入flag判断，此时flag＝1，所以跳出上述循环，自动对焦结束；

7)对k是否大于等于2的判断是为了防止图5中粗对焦刚刚结束上述回波信号峰值从B点变到A点时，误将B点对应的幅值认为是峰值最大处。

本例中扫描超声波显微镜经计算机自动聚焦后扫描的某一芯片中间层的图像如图6(b)所示，而经人工对焦后扫描的图像如图6(a)所示。可以看出图6(b)清晰度高于图6(a)，精对焦和粗对焦的结合同时满足了对焦的快速性和准确性，相对于人工对焦不仅精准，而且效率更高。

Claims (1)

1.一种扫描超声波显微镜自动对焦方法，其特征在于它的步骤如下：

1)扫描超声波显微镜开机后，超声波探头发射超声波；

2)根据对焦公式Z₃＝(C₂/C₃)(Z₂-l₂)计算出扫描超声波显微镜Z轴电机到达的位置，使Z轴电机运动至到达该位置后停止，其中C₂为超声波在耦合介质水中的折射率、C₃为试件中的折射率，Z₂为声束在耦合介质水中的焦斑位置，l₂为耦合介质水的厚度；

3)在扫描超声波显微镜计算机上显示的回波信号中，设置门以捕获所需扫描层面回波信号的峰值，设此峰值为V₀，并在寄存器中设置一个标志位flag，flag初始值为0；

4)使扫描超声波显微镜Z轴电机开始沿某一方向微量运动，然后再取所需扫描层面回波信号的峰值V₁，启动一个计数器k，初始值为1；

5)判断标志位flag是否为1，若为是，则自动对焦结束，若为否，则进入下一判断；

6)设V_k和V_k-1分别为扫描超声波显微镜Z轴电机第k次和第k-1次微量运动后捕获的所需扫描层面回波信号的峰值，继续判断V_k是否大于等于V_k-1，若为是，则扫描超声波显微镜Z轴电机继续沿原方向微量运动，若为否，则Z轴电机反向微量运动，再判断计数器k是否大于等于2，若为是，则标志位flag＝1；

7)计数器k加一，然后重复5)、6)步骤直至标志位flag＝1，自动对焦结束。

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