CN105842252B - 一种光声复合三维微纳成像检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光声复合三维微纳成像检测系统，包括光全息光路，还包括计算机、显微镜、用于放置固体样品的压电晶片和用于驱动压电晶片振动的功率放大器，计算机上接有同步控制器和数字相机，同步控制器上接有波形发生器和脉冲激光器；光全息光路包括物光光路、参考光光路和第一分束立方镜，物光光路包括第二分束立方镜、第一扩束镜和第一反射镜，参考光光路包括第三分束镜、第二反射镜和第二扩束镜；本发明还公开了一种光声复合三维微纳成像检测方法。本发明设计合理，实现方便，能够适用于不同厚度的固体样品的缺陷检测，检测速度快，检测精度和可靠度高，真正实现了无损检测，实用性强，应用范围广，便于推广使用。

Description

一种光声复合三维微纳成像检测系统及方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种光声复合三维微纳成像检测系统及方法。
背景技术
随着半导体制造技术和微纳制造技术的飞速发展，使用这些新技术制造出来的微器件与微系统(例如超高集成芯片、微传感器等)将渗透到航空航天、国防、军事和生活的各个领域。然而，对这些微型产品的可靠性测试与质量控制技术大大滞后于制造技术的发展。扫描声学显微镜(scanning acoustic microscopy,SAM)其显微成像技术通过高频超声聚焦探头的逐点扫描实现样品内部缺陷的断层成像检测，但是，一个300MHz的超声聚焦探头，其横向分辨率也只能达到十几微米，而且，对于如此高频声波由于色散衰减导致其穿透能力非常差，只能检测很薄的样品。最新三维X射线CT(3D X-Ray CT)能达到50nm的分辨率，但是，必须把测试样品切割成很小的单元，破坏微电子封装样品的完整性，而且成像效率极低。原子力显微镜及相关技术尽管分辨率可以达到纳米级，但是只能扫描非常小的样品区域(几个微米×几个微米)，而且成像速度很慢，而且没有穿透力，不能对微电子封装内部缺陷进行检测。传统的检测技术已经不能适应这些先进制造技术的发展，现有的无损检测技术面临着严重挑战，需要更高体积分辨率的先进无损评价技术对微集成系统的可靠性进行评估。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、实现方便、检测速度快、检测精度和可靠度高的光声复合三维微纳成像检测系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种光声复合三维微纳成像检测系统，包括光全息光路，其特征在于：还包括计算机、显微镜、用于放置固体样品的压电晶片和用于驱动压电晶片振动的功率放大器，所述计算机上接有同步控制器和与同步控制器连接的数字相机，所述同步控制器上接有波形发生器和脉冲激光器，所述功率放大器与波形发生器的输出端连接，所述压电晶片与功率放大器的输出端连接；所述光全息光路包括物光光路、参考光光路和第一分束立方镜，所述物光光路包括依次设置且与脉冲激光器设置在同一水平线上的第二分束立方镜、第一扩束镜和第一反射镜，所述参考光光路包括设置在第二分束立方镜下方的第三分束镜和设置在第三分束镜下方的第二反射镜，以及与第三分束镜设置在同一水平线上的第二扩束镜，所述第一分束立方镜设置在第一反射镜的下方且与第二扩束镜设置在同一水平线上，所述显微镜设置在第一分束立方镜的正下方，所述压电晶片设置在显微镜的正下方，所述数字相机设置在第一分束立方镜的旁侧，所述脉冲激光器设置在第二分束立方镜的旁侧。
上述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述功率放大器的型号为HSA4101。
上述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述数字相机为CCD数字相机。
上述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述CCD数字相机的型号为PCO1600。
上述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述波形发生器的型号为AFG2021-SC。
上述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述脉冲激光器为纳秒激光器。
上述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述脉冲激光器的型号为Nimma-400。
本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、实现方便、能够对固体样品内部的缺陷进行快速检测、检测精度和可靠度高的光声复合三维微纳成像检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将固体样品放置在压电晶片上；
步骤二、首先，在计算机上设置同步控制器控制数字相机的第一同步延时时间t1、同步控制器控制脉冲激光器的第二同步延时时间t2、声场采样时间间隔Δt和数字相机的曝光时间t3，以及波形发生器产生的正弦信号的周期T和周期数M；然后，计算机将数字相机的曝光时间t3传输给数字相机；其中，t1等于从压电晶片振动产生超声波到超声波传输到固体样品表面的时间t且h为固体样品的厚度，v为超声波在固体样品中传输的速度；t2比t1大15ns～30ns；Δt的取值为5～10ns；t3的取值为500ns～1000ns；T的取值为50ns～1000ns，M的取值为3～12；
步骤三、计算机根据公式N＝int(MT/Δt)计算得到声场采样总次数N，其中，int()表示求整运算；
步骤四、通过操作计算机设置采样次数n的初始值为1，并发出开始检测信号；
步骤五、同步控制器给波形发生器发送一个触发信号，波形发生器接收到触发信号后产生3～12个周期为T的正弦信号并输出给功率放大器，功率放大器对其接收到的正弦信号进行放大后输出给压电晶片，驱动压电晶片振动，产生超声波；同步控制器延时时间t1n＝t1+(n-1)Δt后控制数字相机启动，同步控制器延时时间t2n＝t2+(n-1)Δt后给脉冲激光器发送一个触发信号，脉冲激光器接收到触发信号后产生一个脉冲激光照射在第二分束立方镜上；所述脉冲激光的脉宽不大于8ns；
步骤六、第二分束立方镜将脉冲激光分离为一个物光光束和一个参考光光束；
步骤七、第一扩束镜对物光光束进行扩束后照射在第一反射镜上，物光光束经过第一反射镜反射后，再穿过第一分束立方镜照射在固体样品的表面上，创建物光波前；
步骤八、参考光光束穿过第三分束镜照射在第二反射镜上，经过第二反射镜反射后，再穿过第三分束镜到达第二扩束镜，第二扩束镜对参考光光束进行扩束后照射在第一分束立方镜上；
步骤九、经固体样品反射回来的物光波前到达第一分束立方镜，并经过第一分束立方镜将物光波前与参考光光束叠加在一起，在数字相机的感光元件表面产生干涉，形成一幅全息图H(x,y)；其中，x为全息图的横轴坐标，y为全息图的纵轴坐标；
步骤十、数字相机记录全息图H(x,y)，并将记录的全息图数据传输给计算机；
步骤十一、计算机设置n的取值自增1后，再次发出开始检测信号并重复执行步骤四至步骤十，直至n＝N；
步骤十二、计算机调用声场重构模块，对其接收到的N幅全息图进行声场重构，得到N幅全息图对应的超声波声场；其中，每幅全息图对应的超声波声场表示固体样品中一个断层的图像；
步骤十三、计算机将N幅全息图对应的超声波声场上下层叠绘制到一张图中，形成固体样品内部结构和缺陷的三维图像。
上述的方法，其特征在于：步骤十中，所述数字相机为CCD数字相机，所述数字相机通过USB线与计算机连接，所述数字相机将记录的全息图数据通过USB线传输给计算机。
上述的方法，其特征在于：步骤十二中计算机调用声场重构模块，对其接收到的各幅全息图进行声场重构，得到各幅全息图对应的超声波声场的具体过程为：
步骤1201、计算机根据公式
计算得到重构平面的复幅值Uz(x,y)，其中，k为脉冲激光的波数且k＝2π/λ，λ为脉冲激光的波长，Z0为重构平面到数字相机的感光元件所在平面的距离且d1为数字相机的感光元件所在平面到第一分束立方镜与其相邻的表面的距离，d2为显微镜的镜头表面到第一分束立方镜与其相邻的表面的距离，A为第一分束立方镜的边长，D1为显微镜的镜头的直径，D2为数字相机的感光元件的窄边长度，i为虚数，fftshift()表示将零频率分量调整到数组中心的快速傅利叶变换，fft2()表示快速二维傅利叶变换；
步骤1202、计算机根据公式I(x,y)＝|Uz(x,y)|2计算得到超声波的幅值场I(x,y)；
步骤1203、计算机根据公式计算得到超声波的相位场ψ(x,y)；其中，Im(Uz(x,y))为Uz(x,y)的虚部，Re(Uz(x,y))为Uz(x,y)的实部；
步骤1204、计算机根据公式P(x,y)＝I(x,y)sin(ψ(x,y))计算得到超声波声场P(x,y)。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明光声复合三维微纳成像检测系统的结构简单，设计合理，实现方便。
2、本发明光声复合三维微纳成像检测方法的方法步骤简单，设计合理，实现方便。
3、本发明可以通过调节波形发生器产生的正弦信号的周期使超声波穿透不同厚度的固体样品(如微电子器件)，能够适用于不同厚度的固体样品(如微电子器件)的缺陷检测。
4、本发明能够得到固体样品(如微电子器件)内部缺陷的三维图，成像速度快，能够对固体样品(如微电子器件)内部的缺陷进行快速检测，检测精度和可靠度高。
5、采用本发明进行固体样品(如微电子器件)内部缺陷进行检测时，不会损坏固体样品(如微电子器件)的完整性，真正实现了无损检测。
6、本发明除了能够应用到无损检测中，还能够应用在很多领域，例如生物医学成像，用于研究生物细胞机械特性(包括生物细胞的厚度，密度，声波速度，衰减系数的变化)，生物软组织中应变和弹性模量分布的定量成像，活细胞的内部结构的断层成像等，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明设计合理，实现方便，能够适用于不同厚度的固体样品的缺陷检测，检测速度快，检测精度和可靠度高，真正实现了无损检测，实用性强，应用范围广，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明光声复合三维微纳成像检测系统的结构示意图。
附图标记说明:
1—计算机； 2—固体样品； 3—压电晶片；
4—功率放大器； 5—同步控制器； 6—数字相机；
7—波形发生器； 8—脉冲激光器； 9—第一分束立方镜；
10—第一扩束镜； 11—第二分束立方镜； 12—第一反射镜；
13—第三分束镜； 14—第二反射镜； 15—显微镜；
16—第二扩束镜。
具体实施方式
如图1所示，本发明的光声复合三维微纳成像检测系统，包括光全息光路，还包括计算机1、显微镜15、用于放置固体样品2的压电晶片3和用于驱动压电晶片3振动的功率放大器4，所述计算机1上接有同步控制器5和与同步控制器5连接的数字相机6，所述同步控制器5上接有波形发生器7和脉冲激光器8，所述功率放大器4与波形发生器7的输出端连接，所述压电晶片3与功率放大器4的输出端连接；所述光全息光路包括物光光路、参考光光路和第一分束立方镜9，所述物光光路包括依次设置且与脉冲激光器8设置在同一水平线上的第二分束立方镜11、第一扩束镜10和第一反射镜12，所述参考光光路包括设置在第二分束立方镜11下方的第三分束镜13和设置在第三分束镜13下方的第二反射镜14，以及与第三分束镜13设置在同一水平线上的第二扩束镜16，所述第一分束立方镜9设置在第一反射镜12的下方且与第二扩束镜16设置在同一水平线上，所述显微镜15设置在第一分束立方镜9的正下方，所述压电晶片3设置在显微镜15的正下方，所述数字相机6设置在第一分束立方镜9的旁侧，所述脉冲激光器8设置在第二分束立方镜11的旁侧。
本实施例中，所述功率放大器4的型号为HSA4101。所述数字相机6为CCD数字相机。所述CCD数字相机的型号为PCO1600。所述波形发生器7的型号为AFG2021-SC。所述脉冲激光器8为纳秒激光器。所述脉冲激光器8的型号为Nimma-400。
本发明的光声复合三维微纳成像检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将固体样品2放置在压电晶片3上；
步骤二、首先，在计算机1上设置同步控制器5控制数字相机6的第一同步延时时间t1、同步控制器5控制脉冲激光器8的第二同步延时时间t2、声场采样时间间隔Δt和数字相机6的曝光时间t3，以及波形发生器7产生的正弦信号的周期T和周期数M；然后，计算机1将数字相机6的曝光时间t3传输给数字相机6；其中，t1等于从压电晶片3振动产生超声波到超声波传输到固体样品2表面的时间t且h为固体样品2的厚度，v为超声波在固体样品2中传输的速度；t2比t1大15ns～30ns；Δt的取值为5～10ns；t3的取值为500ns～1000ns；T的取值为50ns～1000ns，M的取值为3～12；
步骤三、计算机1根据公式N＝int(MT/Δt)计算得到声场采样总次数N，其中，int()表示求整运算；
步骤四、通过操作计算机1设置采样次数n的初始值为1，并发出开始检测信号；
步骤五、同步控制器5给波形发生器7发送一个触发信号，波形发生器7接收到触发信号后产生3～12个周期为T的正弦信号并输出给功率放大器4，功率放大器4对其接收到的正弦信号进行放大后输出给压电晶片3，驱动压电晶片3振动，产生超声波；同步控制器5延时时间t1n＝t1+(n-1)Δt后控制数字相机6启动，同步控制器5延时时间t2n＝t2+(n-1)Δt后给脉冲激光器8发送一个触发信号，脉冲激光器8接收到触发信号后产生一个脉冲激光照射在第二分束立方镜11上；所述脉冲激光的脉宽不大于8ns；
步骤六、第二分束立方镜11将脉冲激光分离为一个物光光束和一个参考光光束；
步骤七、第一扩束镜10对物光光束进行扩束后照射在第一反射镜12上，物光光束经过第一反射镜12反射后，再穿过第一分束立方镜9照射在固体样品2的表面上，创建物光波前；
步骤八、参考光光束穿过第三分束镜13照射在第二反射镜14上，经过第二反射镜14反射后，再穿过第三分束镜13到达第二扩束镜16，第二扩束镜16对参考光光束进行扩束后照射在第一分束立方镜9上；
步骤九、经固体样品2反射回来的物光波前到达第一分束立方镜9，并经过第一分束立方镜9将物光波前与参考光光束叠加在一起，在数字相机6的感光元件表面产生干涉，形成一幅全息图H(x,y)；其中，x为全息图的横轴坐标，y为全息图的纵轴坐标；
步骤十、数字相机6记录全息图H(x,y)，并将记录的全息图数据传输给计算机1；
步骤十一、计算机1设置n的取值自增1后，再次发出开始检测信号并重复执行步骤四至步骤十，直至n＝N；
步骤十二、计算机1调用声场重构模块，对其接收到的N幅全息图进行声场重构，得到N幅全息图对应的超声波声场；其中，每幅全息图对应的超声波声场表示固体样品2中一个断层的图像；
步骤十三、计算机1将N幅全息图对应的超声波声场上下层叠绘制到一张图中，形成固体样品2内部结构和缺陷的三维图像。
通过肉眼观察固体样品2的三维微纳检测视频，就能够看出固体样品2的缺陷所在位置。
本实施例中，步骤十中，所述数字相机6为CCD数字相机，所述数字相机6通过USB线与计算机1连接，所述数字相机6将记录的全息图数据通过USB线传输给计算机1。
本实施例中，步骤十二中计算机1调用声场重构模块，对其接收到的各幅全息图进行声场重构，得到各幅全息图对应的超声波声场的具体过程为：
步骤1201、计算机1根据公式
计算得到重构平面的复幅值Uz(x,y)，其中，k为脉冲激光的波数且k＝2π/λ，λ为脉冲激光的波长，Z0为重构平面到数字相机6的感光元件所在平面的距离且d1为数字相机6的感光元件所在平面到第一分束立方镜9与其相邻的表面的距离，d2为显微镜15的镜头表面到第一分束立方镜9与其相邻的表面的距离，A为第一分束立方镜9的边长，D1为显微镜15的镜头的直径，D2为数字相机6的感光元件的窄边长度，i为虚数，fftshift()表示将零频率分量调整到数组中心的快速傅利叶变换，fft2()表示快速二维傅利叶变换；
步骤1202、计算机1根据公式I(x,y)＝|Uz(x,y)|2计算得到超声波的幅值场I(x,y)；
步骤1203、计算机1根据公式计算得到超声波的相位场ψ(x,y)；其中，Im(Uz(x,y))为Uz(x,y)的虚部，Re(Uz(x,y))为Uz(x,y)的实部；
步骤1204、计算机1根据公式P(x,y)＝I(x,y)sin(ψ(x,y))计算得到超声波声场P(x,y)。
综上所述，本发明能够得到固体样品(如微电子器件)内部缺陷的三维图，能够适用于不同厚度的固体样品(如微电子器件)的缺陷检测，检测速度快，检测精度和可靠度高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光声复合三维微纳成像检测系统，包括光全息光路，其特征在于：还包括计算机(1)、显微镜(15)、用于放置固体样品(2)的压电晶片(3)和用于驱动压电晶片(3)振动的功率放大器(4)，所述计算机(1)上接有同步控制器(5)和与同步控制器(5)连接的数字相机(6)，所述同步控制器(5)上接有波形发生器(7)和脉冲激光器(8)，所述功率放大器(4)与波形发生器(7)的输出端连接，所述压电晶片(3)与功率放大器(4)的输出端连接；所述光全息光路包括物光光路、参考光光路和第一分束立方镜(9)，所述物光光路包括依次设置且与脉冲激光器(8)设置在同一水平线上的第二分束立方镜(11)、第一扩束镜(10)和第一反射镜(12)，所述参考光光路包括设置在第二分束立方镜(11)下方的第三分束镜(13)和设置在第三分束镜(13)下方的第二反射镜(14)，以及与第三分束镜(13)设置在同一水平线上的第二扩束镜(16)，所述第一分束立方镜(9)设置在第一反射镜(12)的下方且与第二扩束镜(16)设置在同一水平线上，所述显微镜(15)设置在第一分束立方镜(9)的正下方，所述压电晶片(3)设置在显微镜(15)的正下方，所述数字相机(6)设置在第一分束立方镜(9)的旁侧，所述脉冲激光器(8)设置在第二分束立方镜(11)的旁侧；所述数字相机(6)为CCD数字相机，所述脉冲激光器(8)为纳秒激光器。
2.按照权利要求1所述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述功率放大器(4)的型号为HSA4101。
3.按照权利要求1所述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述CCD数字相机的型号为PCO1600。
4.按照权利要求1所述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述波形发生器(7)的型号为AFG2021-SC。
5.按照权利要求1所述的一种光声复合三维微纳成像检测系统，其特征在于：所述脉冲激光器(8)的型号为Nimma-400。
6.一种利用如权利要求1所述的检测系统进行光声复合三维微纳成像检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将固体样品(2)放置在压电晶片(3)上；
步骤二、首先，在计算机(1)上设置同步控制器(5)控制数字相机(6)的第一同步延时时间t1、同步控制器(5)控制脉冲激光器(8)的第二同步延时时间t2、声场采样时间间隔Δt和数字相机(6)的曝光时间t3，以及波形发生器(7)产生的正弦信号的周期T和周期数M；然后，计算机(1)将数字相机(6)的曝光时间t3传输给数字相机(6)；其中，t1等于从压电晶片(3)振动产生超声波到超声波传输到固体样品(2)表面的时间t且h为固体样品(2)的厚度，v为超声波在固体样品(2)中传输的速度；t2比t1大15ns～30ns；Δt的取值为5～10ns；t3的取值为500ns～1000ns；T的取值为50ns～1000ns，M的取值为3～12；
步骤三、计算机(1)根据公式N＝int(MT/Δt)计算得到声场采样总次数N，其中，int()表示求整运算；
步骤四、通过操作计算机(1)设置采样次数n的初始值为1，并发出开始检测信号；
步骤五、同步控制器(5)给波形发生器(7)发送一个触发信号，波形发生器(7)接收到触发信号后产生3～12个周期为T的正弦信号并输出给功率放大器(4)，功率放大器(4)对其接收到的正弦信号进行放大后输出给压电晶片(3)，驱动压电晶片(3)振动，产生超声波；同步控制器(5)延时时间t1n＝t1+(n-1)Δt后控制数字相机(6)启动，同步控制器(5)延时时间t2n＝t2+(n-1)Δt后给脉冲激光器(8)发送一个触发信号，脉冲激光器(8)接收到触发信号后产生一个脉冲激光照射在第二分束立方镜(11)上；所述脉冲激光的脉宽不大于8ns；
步骤六、第二分束立方镜(11)将脉冲激光分离为一个物光光束和一个参考光光束；
步骤七、第一扩束镜(10)对物光光束进行扩束后照射在第一反射镜(12)上，物光光束经过第一反射镜(12)反射后，再穿过第一分束立方镜(9)照射在固体样品(2)的表面上，创建物光波前；
步骤八、参考光光束穿过第三分束镜(13)照射在第二反射镜(14)上，经过第二反射镜(14)反射后，再穿过第三分束镜(13)到达第二扩束镜(16)，第二扩束镜(16)对参考光光束进行扩束后照射在第一分束立方镜(9)上；
步骤九、经固体样品(2)反射回来的物光波前到达第一分束立方镜(9)，并经过第一分束立方镜(9)将物光波前与参考光光束叠加在一起，在数字相机(6)的感光元件表面产生干涉，形成一幅全息图H(x,y)；其中，x为全息图的横轴坐标，y为全息图的纵轴坐标；
步骤十、数字相机(6)记录全息图H(x,y)，并将记录的全息图数据传输给计算机(1)；
步骤十一、计算机(1)设置n的取值自增1后，再次发出开始检测信号并重复执行步骤四至步骤十，直至n＝N；
步骤十二、计算机(1)调用声场重构模块，对其接收到的N幅全息图进行声场重构，得到N幅全息图对应的超声波声场；其中，每幅全息图对应的超声波声场表示固体样品(2)中一个断层的图像；
步骤十三、计算机(1)将N幅全息图对应的超声波声场上下层叠绘制到一张图中，形成固体样品(2)内部结构和缺陷的三维图像。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤十中，所述数字相机(6)为CCD数字相机，所述数字相机(6)通过USB线与计算机(1)连接，所述数字相机(6)将记录的全息图数据通过USB线传输给计算机(1)。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤十二中计算机(1)调用声场重构模块，对其接收到的各幅全息图进行声场重构，得到各幅全息图对应的超声波声场的具体过程为：
步骤1201、计算机(1)根据公式计算得到重构平面的复幅值Uz(x,y)，其中，k为脉冲激光的波数且k＝2π/λ，λ为脉冲激光的波长，Z0为重构平面到数字相机(6)的感光元件所在平面的距离且d1为数字相机(6)的感光元件所在平面到第一分束立方镜(9)与其相邻的表面的距离，d2为显微镜(15)的镜头表面到第一分束立方镜(9)与其相邻的表面的距离，A为第一分束立方镜(9)的边长，D1为显微镜(15)的镜头的直径，D2为数字相机(6)的感光元件的窄边长度，i为虚数，fftshift()表示将零频率分量调整到数组中心的快速傅利叶变换，fft2()表示快速二维傅利叶变换；
步骤1202、计算机(1)根据公式I(x,y)＝|Uz(x,y)|2计算得到超声波的幅值场I(x,y)；
步骤1203、计算机(1)根据公式计算得到超声波的相位场ψ(x,y)；其中，Im(Uz(x,y))为Uz(x,y)的虚部，Re(Uz(x,y))为Uz(x,y)的实部；
步骤1204、计算机(1)根据公式P(x,y)＝I(x,y)sin(ψ(x,y))计算得到超声波声场P(x,y)。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107967911B (zh) * 2016-10-18 2022-03-15 南京理工大学 一种产生单一超声横波的光学换能器及方法
CN109530270A (zh) * 2018-11-10 2019-03-29 东莞理工学院 一种用于面膜生产线的在线视觉检测系统
CN111316093A (zh) * 2018-12-14 2020-06-19 合刃科技（深圳）有限公司 结构缺陷检测系统及结构缺陷检测方法
CN110568080A (zh) * 2019-11-07 2019-12-13 南昌洋深电子科技有限公司 一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法
CN112711030A (zh) * 2020-12-21 2021-04-27 武汉光目科技有限公司 一种显微镜面阵扫频测量装置和方法
CN112684461A (zh) * 2020-12-21 2021-04-20 武汉光目科技有限公司 一种抗振型面阵扫频测量装置和方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101586947A (zh) * 2009-06-18 2009-11-25 北京理工大学 基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置
CN103961142A (zh) * 2013-01-25 2014-08-06 通用电气公司 超声全息成像系统和方法
CN104024960A (zh) * 2011-08-04 2014-09-03 先进成像技术公司 由超声全息图案生成光学图像的结构和方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003067577A1 (en) * 2002-02-05 2003-08-14 Sae Magnetics (H.K.) Ltd. System and method for hard drive damage prevention by improving the shock resistance of a hard disk micro-actuator
CN205607883U (zh) * 2016-05-11 2016-09-28 西安科技大学 光声复合三维微纳成像检测系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101586947A (zh) * 2009-06-18 2009-11-25 北京理工大学 基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置
CN104024960A (zh) * 2011-08-04 2014-09-03 先进成像技术公司 由超声全息图案生成光学图像的结构和方法
CN103961142A (zh) * 2013-01-25 2014-08-06 通用电气公司 超声全息成像系统和方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
激光技术在无损检测领域中的应用;王锐等;《安徽建筑工业学院学报(自然科学版)》;20081015;第16卷(第05期);75-77 *

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