CN1168981C

CN1168981C - 高分辨率电声成像探测系统

Info

Publication number: CN1168981C
Application number: CNB021368651A
Authority: CN
Inventors: 殷庆瑞; 杨阳
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: CN1403808A

Abstract

本发明涉及高分辨率电声成像系统，主要由变速率扫描装置和电声信号自适应处理器组成。其特征在于由计算机软件使扫描速率适应各种不同被测对象，扫描速率低至2秒/线，完全是由软件控制的；电声信号自适应处理器是由高分辨率的程控放大电路和幅度敏感反馈控制的计算机软件构成，最佳模数转换范围为-0.625V-4.960V之间，经过信号幅度动态处理的采集过程，保证了最佳的采集保噪比，从而保证了电声像质量。用本发明提供的成像系统对NaBiTiO₃-KBiTiO₃陶瓷断面实时观察的分辨率可达0.18μm。

Description

高分辨率电声成像探测系统

技术领域

本发明涉及一种高分辨率电声成像探测系统，更确切地说是涉及由电声显微成像系统的变速率扫描装置和电声信号自适应处理器组成的高分辨电声成像探测系统。属于材料评价和表征新技术领域。

背景技术

扫描电声成像系统是把现代电子光学技术、电声技术、压电传感技术、弱信号检测技术、图像处理技术以及计算机技术融为一体的一种多功能综合性仪器，具有微区性能研究、内部缺陷检测和微结构分析的多种功能。在材料科学研究和功能器件无损分析方面已显示其独特的作用。电声成像的分辨率是影响电声成像系统能否实用化的关键因素，根据三维电声成像理论的计算，其分辨率可达到相应实验条件下的电子束束斑尺寸(通常在亚微米范围)，要达到这样高的分辨率，在设计原理上必须考虑到最大限度地保证系统有足够高的信号/噪音比。实践证明，在电声成像系统中设置可变速率扫描装置是实现高分辨率电声成像的关键部件。

来自电声信号探测器的原始电声信号是在电声成像过程中由声能转换为电能，这种原始的电声信号包含有试样微结构、微区性能或者缺陷信息，它是一种非常微弱的脉冲信号，根据这种微弱脉冲电声信号的幅度和相位，不但可以研究材料的亚表面结构和缺陷，还可以研究试样在温度场、电场改变时的动态行为，无论从材料科学的基础研究或者从工程化实用角度来看都是非常有意义的。

显然，这种微弱的脉冲电声信号的采集，不仅需要系统有高灵敏度、低噪声、高增益、频率自动跟踪，而且还要承受大的信号动态范围以满足电声信号的采集特性。

日本专利(JP2-220341A)是针对普通扫描电镜在样品移动、转动、放大率改变以及能在明亮的地方可以观察到二次电子像而建立的方法。该专利用快速扫描技术(15μs/线)来跟踪样品台的运动，并用帖存贮器来提高快速扫描时的信/噪比。以TV扫描速度使二次电子像质量有了明显提高，该项技术有可能在有电动样品台的扫描电镜上使用。CN2426212Y的核心内容是电声成像的“增益自适应调整系统”，虽也提及“扫描驱动系统”，但它并不具有“高速率扫描”功能。

扫描电声显微成像和扫描电镜采集二次电子像的成像机理完全不同，采集方式也不同。在采集电声像时，对于不同的材料和试样所要求的电子束扫描速率也不同。另外，电声信号的成像机理决定了电声信号的幅度动态变化范围很大。因此，电声信号采集系统必须具有相应的信号增益动态自适应功能，否则将造成电声像的畴变和失真，甚至会导致系统不能工作。因此，设计和研制并装配可变速率扫描装置和电声信号自适应处理器已成为扫描电声成像系统能否达到实际应用的关键技术。

我们使用了变速率扫描装置及电声信号自适应处理器以后，使电声成像的分辨率和图像质量明显提高，并拓展了电声成像检测技术的应用范围。

通过检索，有关扫描电声成像系统的可变速率扫描装置和电声信号自适应处理器至今鲜有报道。

发明内容

本发明提供一种高分辨率电声成像探测系统，它不仅适用于扫描电声显微成像，成为其中的核心部件，而且可应用于光声成像、超声检测及其它声学显微成像系统。电声成像系统的工作原理如图1所示。

计算机控制电子束变速率扫描装置，驱动电子光学系统，使电子束入射在被测试样的某一点，该点的电声信号由电声信号换能器转换为表征电声效应的电信号，该电信号由锁相放大器处理后，输入到计算机。完成被测样品的采集扫描后，由计算机构建完成样品的电声像。

具体地说，本发明提供的变速率扫描装置和电声信号自适应处理器是高分辨率电声成像探测系统的二个主要的也是关键部件，它们的密切相关的两个独立组成部分。

现将这二部分技术内容分别叙述如下：

一、变速率扫描装置

目的是使扫描电声系统可以根据不同的被观察对象和分层成像的要求，选用适当的电子束扫描速率，以保证电声信号接收器获得足够的信噪比所需的采样时间常数，从而保证电声图像的质量和清晰度。

常规扫描电声显微镜是利用常规电镜现成的扫描系统来实现电子束扫描，然而这种固定速率的电子束扫描方式不能满足电声显微成像系统检测不同材料以及不同结构和缺陷特征的需要。

根据被测试样的种类，电声成像所需的信号采集时间常数也不一样。由于被观察对象的多变性以及其结构、性能和缺陷在电声成像时的未知性，电声成像系统在低速扫描时的速率必须适应各种不同被观察对象的要求。

对于电声效应较弱的被测对象，如果其抗热性较好，则可以选用较低的电子束扫描速率；如果被测对象的电声效应较强，或者被测对象的抗热性较差，则选用了较高的电子束扫描速率。

本发明提供的电子束变速率扫描具体是通过图2-图4所示的变速率扫描装置中计算机接口电路示意图、变速率扫描装置中信号放大电路图以及变速率扫描装置中电声信号采集计算机软件运行流程图来实施的(详见实施例)。

根据电声成像的要求，本流程按采集时序要求产生行和帧(X、Y方向)的扫描驱动信号。

当电子束入射在样品上时，系统开始采集试样吸收电子束能量而产生的电声信号。定点采集完成后，控制计算机判断行扫描是否结束，如果没有结束，则行扫描步进驱动电子束移至同一行的试样的下一个入射点进行采集。如果行扫描结束，则继续判断帧扫描是否结束，如果帧扫描没有结束，帧扫描步进驱动电子束移至下一行，行扫描则控制电子束入射该行的扫描起始点，进行新的一行的电子束扫描和电声信号采集流程。

如果帧扫描结束，则完成了整个被观察试样的电子束扫描工作，进入由计算机运控的优化数据和图像处理过程。

目前扫描电镜的扫描速率最低设置大约为80毫秒/线，如上所述对于电声显微成像显然不适用。本发明在电声成像系统中建立的低速变速率扫描装置可以改变电子束扫描速率低至2秒/线，已完全满足电声成像的实验要求，其最佳电子束扫描速率可在运行软件的界面上设定。

所述的数模转换器为市售12通道转换装置，转换范围为-5V--+5V的双路数模转换器，使用PCI插槽。

所述的信号放大器固定增益为2的运算放大电路。

二、电声信号自适应处理器

通常，电声检测的试样在电子束照射下不同区域产生的电声信号幅度动态范围很大，通过本发明在电声成像系统中建立的电信号幅度自适应处理器，可以保证采集到的模拟电声信号始终保持在模数转换电路最佳的转换幅度范围内，而且电声信号幅度增益的控制方式是实时动态的，从而可以得到最佳的电声信号采集信噪比。

在输入信号很大时，通过增益自动调整，使电声信号的幅度衰减至模数转换的最佳幅度范围内，从而避免大信号超出模数转换幅度范围带来的饱和失真的情况，否则电声像会出现一片光亮，无信息显示。

在输入信号很微弱时，同样可以通过增益调整，可将电声信号幅度自动放大至模数转换的最佳幅度范围内，从而可以避免原始信号直接进行模数转换带来的数字量化噪声的影响，在电声图像上可以显示出试样的微结构和微缺陷的有用信息。

本发明提供的电声信号自适应处理器，是由高分辨的程控放大电路和幅度敏感反馈控制的计算机软件构成(详见实施例)。

电声信号自适应处理器软件流程为：

首先，在采信电声信号前对采集电路的硬件部分进行端口初始化，使得计算机指令能够对采集电路产生所需的响应。

然后对采集所得的电声信号根据其幅度进行适当的衰减或放大，使得信号在通过模数采集后保持很高的信噪比。

当采集到的信号幅度大于4.960V，表明电声信号饱和，信号动态调整电路自动启动对信号进行衰减处理，以满足模数转换的要求，然后再进行采集和处理。

当采集到的信号幅度小于0.625V，说明电声信号比较小，信号动态调整电路自动地对信号进行放大处理，使其满足模数转换的最佳要求，对信号采集和处理。

最佳模数转换范围为0.625V-4.960V之间，幅度最佳而不需经过处理，或幅度过强或过弱需经过处理的电声信号，在这个最佳模数转换范围经过模数转换进入计算机。计算机根据放大和衰减的倍数对采集得到的信号进行校准，恢复原始信号的真实性，它包含试样结构、缺陷和性能的有关信息。

经过信号幅度动态处理的采集过程，保证了最佳的采集信噪比，从而保证了最终得到的电声像的质量。

上述二个装置在电声显微成像系统中是相辅相成的。

综上所述，本发明提供的高分辨率电声成像系统的特点：

(1)电子束变速率扫描装置保证了电声信号采集系统在很宽的范围内有连续可变的时间常数，能实时真实地检测到反映试样性能和微观信息的电声信号。

(2)电声信号自适应处理器能够克服因电声信号幅度动态范围大而提供的错误信息，从而在获得高质量电声图像的同时能非破坏性地显示试样微观分布的剖面像。

作为本发明的效果如图9所示：钛酸鉍钠-钛酸鉍钾(NaBiTiO₃-KBiTiO₃)陶瓷样品在加速电压30KV条件下的电声像(a)和二次电子像(b)，分辨率为0.18μm，至今在国际上仍是最高分辨率电声像。

附图说明

图1是电声成像系统的工作原理图。

图2是图1变速率扫描装置中计算机接口。

图3是图1变速率扫描装置中信号放大电路。

图4是图1变速率扫描装置中电声信号采集计算机软件运行流程图。

图5是图1电声信号自适应处理器原理图。

图6是信号增益控制示意图，横座标S_EA表示不同输入信号幅度；纵座标LgA表示不同增益电声信号的幅度。

图7是自适应处理器模数转换电路。

图8是自适应处理器软件流程图。

图9是NaBiTiO₃-KBiTiO₃陶瓷的断面电声像(a)和二次电子像(b)。

具体实施方式

如图2所示，在变速率扫描装置中，由计算机产生的X、Y二个方向的驱动数字信号，经过X、Y方向数模转换器转换而得到对应的X、Y方向模拟驱动信号，X、Y方向的模拟驱动信号由调整电路跟随输出，送至电子束扫描信号放大器。

然后，如图3所示，X、Y方向的驱动信号通过信号调整电路，使信号幅度满足电子束满帧扫描的要求，经调整后的信号分别经过X、Y方向偏转线圈信号驱动电路，并获得最大驱动效果，最后直接加到真空室X、Y方向的偏转线圈上驱动电子束扫描。具体由所示程序采集电声信号。

在电声信号自适应处理其原理如图5所示，前置放大器输出信号进入信号增益电路，信号增益电路在计算机增益控制信号的作用下，产生与控制信号相对应的增益来放大电声信号，使放大后的信号幅度控制在模数转换器的最佳转换幅度范围内。对不同的输入信号(S_EA)幅度，按图6所示采用不同的增益(LgA)放大或衰减电声信号的幅度。

模数转换器的电路原理如图7所示。信号经信号增益电路放大或衰减后，进入模数转换电路的采样保持器，被保持的模拟电声信号由模数转换器变换成并行的数字信号，并行的数字电声信号经过数字缓冲器进入控制计算机的数据输入口，由控制计算机采集成像。

Claims

1、高分辨率电声成像系统，由扫描装置和电声信号自适应处理器组成，其特征在于：

所述的扫描装置系变速率扫描装置，由计算机产生的X、Y二个方向的驱动数字信号，经过X、Y方向数模转换器转换而得对应的X、Y方向模拟驱动信号，X、Y方向的模拟驱动信号由调整电路输出，送至信号放大器；然后，X、Y方向的驱动信号通过调整电路，使信号幅度满足电子束满帧扫描要求，调整后信号分别经X、Y方向偏转线圈信号驱动电路，最后直接加到真空室X、Y方向的偏转线圈上驱动电子束扫描，整个变速率扫描采集由计算机软件完成的。

2、按权利要求1所述高分辨率电声成像系统，其特征在于所述的变速率扫描装置中电子束扫描速率可低至2秒/线。

3、按权利要求1所述高分辨率电声成像系统，其特征在于变速率扫描装置中流程按采集时序要求产生行和帧，即X和Y方向的扫描驱动信号。

4、按权利要求1所述高分辨率电声成像系统，其特征在于流程为：(1)当电子束入射在样品上时，系统开始采集试样吸收电子束能量而产生的电声信号；(2)定点采集完成后，由计算机软件判断行扫描是否结束，如果没有结束，则行扫描步进驱动电子束移至同一行的试样的下一个入射点进行采集；(3)如果行扫描结束，则继续判断帧扫描是否结束，如果帧扫描没有结束，帧扫描步进驱动电子束移至下一行，行扫描则控制电子束入射该行的扫描起始点，进行新的一行的电子束扫描和电声信号采集流程；(4)如果帧扫描结束，则完成了整个被测试样的电子束扫描工作，进入控制计算机优化数据和图像处理过程。