SU1518784A1 - Способ формировани акустических изображений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к сканирующей акустической микроскопии, и может быть использовано дл  визуализации пространственного распределени  структурно-механических характеристик микрообъектов. Цель изобретени  - повышение качества акустических изображений - достигаетс  за счет угловой фильтрации помех с помощью фильтрации частотного спектра отраженной ультразвуковой волны, который соответствует угловому спектру падающей волны при отражении ее от равномернодвижущейс  поверхности. С помощью устройства, реализующего способ, формируема  из плоской ультразвуковой волны, возбуждаемой пьезопреобразователем 1 в звуководе 2 линзой 3, сход ща с  волна, при отражении которой от поверхности 10 формируетс  отраженна  волна, котора  улавливаетс  линзой 3, и через пьезопреобразователь 1 переключатель 4 "Прием - передача" и фильтр 7 сигнал, амплитуда которого св зана с параметрами объекта, регистрируетс  блоком 8 регистрации изображени . За счет эффекта Доплера отраженна  волна от поверхности 10, котора  равномерно пермещаетс  электромеханическим приводом 9, получает дополнительный частотный сдвиг, пропорциональный косинусу угла падени  волны относительно направлени  движени  поверхности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к сканирующей акустической микроскопии, и может быть использовано дл  визуали- злции пространственного распределени  структурпо-механнческих характеристик микрообъектов.

Цель изобретени  - 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 движущейс  поверхности .

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит электроакустический преобразователь , состо щий из пьезопре- образовател  1, звукопровода 2, акустической линзы 3 и переключател  4 прием-передача, генератор 5 . когерентных радиоимпульсов, приемный блок 6, электрический фильтр 7, блок 8 регистрации и отображени  сигнала, злектромеханический привод 9, отражающую поверхность 10, св зываемую с образцом и погруженную в иммерсионную жидкость 11, котора  обеспечивает акустический контакт между поверхностью 10 и линзой 3.

Способ формировани  акустических изображений заключаетс  в следующем.

Возбуждают электроакустический преобразователь последовательностью когерентных радиоимпульсов с цент- ральной частотой fg и частотой повторени  f . Импульс 1Ый режим работы позвол ет использовать один и тот же преобразователь как дл  излучени  так и дл  приема УЗ-волн. Этот злект роакустический преобразователь излучает в иммерсионной жидкости сход щуюс  продольную волну Данную волну направл ют на поверхность образца так, чтобы акустическа  ось сход  щегос  волнового фронта была перпен- дикул рна его поверхности, и механически сканируют поверхность вдоль осей Хд,УЗ перпендикул рных акустической оси. Кроме того,- отражающей поверхности сообщают периодическое движение вдоль этой оси, причем на определенном участке траектории движение осуп1ествл етс  с посто нной

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

Плоские волны, угловым спектроь которых может быть представлена сфокусированна  волна, после отражени  под углом в от локального участка поверхности образца с координатами (Хд,Уд) не только мен ют амплитуду и фазу в соответствии с коэффициентом отражени  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 стробировани  выдел ют электрический сигнал на фоне сигналов переотражени  и помех и селектируют полезные сигналы, прин тые во врем  прохождени  образцом участка траектории с посто нной 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 колебани ;

описывает импульсную модул цию;

выдел ет интервал с посто нной скоростью движени  образца:

I, /с/.

О

, /t/

(3)

V(Xg,Yg ,t) определ ет отклик преобразовател  в зависимости от положеп ни  образца и его акустических свойств и может быть найдена на основе соотношени  дл  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;инпа  апертурна 

функци  электроакустического преобразовател , определ юща  угловой спектр падающей волны.

f

Счита , что при |t/fc- - Z V t и что коэффициент отражени  зависит от координат сканировани  и на него не вли ет движение образца, из выражени  (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 спектральна  плотность этой функции S(Xg,Yg , 0,) определ етс  комплексЮ)1Ми амплитудами составл ющих углового спектра отраженной волны:

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

(6)

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

kV f -.- позвол ют восстановить его

Я

комплексную огибающую

S,(X,Y t) А-р (t) V(X5,Y,t)

(7)

Если регистрировать значени  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 функци  S (X ,Yg,tg) описывает изображение, которое получаетс  в обычном режиме при сканировании образца в плоскости (X ,Yg) при Z Z, . Дл  этого изображени  на основании (5) и (7)

справедливо представление:

2kVo

.Y.t) Аг j R(Xg,Y,,) х

X р (o6)expic6todof.

(8)

Согласно способу осуществл ют прохождение сигнала S(X, t) через линейную электрическую цепь с импульсной характеристикой k(t), дл  которой в силу физической осуществимости k(t) О при . Сигнал S, на выходе этого фильтра представл етс  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 сканировани , по которому формируют акустическое изображение.

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

что функци  K(t,o6) позвол ет измен ть относительный вклад составл ющих углового спектра в результирующее изображение. При этом функци  K(t,,) зависит от импульсного отклика примен емого электрического фильтра, и при достаточно быстром затухании этого отклика и достаточно больших значени х с дл  нее

справедливо приближение: с

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

К(о6), °(10)

где К(об) - передаточна  функций

фильтра Выбор этой передаточной

функции, а также времени регистрации сигнала t, , производитс  в конкретных случа х в соответствии с характером визуализируемых особенностей

образца.

Так, дл  устранени  помех в изображении , возникающих за счет составл ющих углового спектра, не содержащих информацию об исследуемых особенност х образца, производ т путем фильтрации прин того электрического сигнала подавление их вкладов в выходной сигнал, используемый дл  формировани  изображени . Например, выдел   составл ющие, нормально падающие на поверхность образца, и подавл   остальные, получают изображение, визуализирующее распределение акустического импеданса, В другом случае,

выдел   составл ющие углового спектра в области критического угла дл  поверхностных волн, исследуют про странственное расгфе/;еление коэффициента их затухани .

Примеиеш1е способа позвол ет решить задачу идеитис}л1кации особенностей в акустических микроизображени х путем распозн ва)ш  областей образца с заданными структурно-механическими свойствами. Дл  этого фильтрацию выделеннот о электрического сигнала согласуют с сигналом, определ емым отражением от поверхности с заданным коэффициентом отражени  К(б) а передаточную функцию выбирают равной

К(об) R,( (o)J. (Ч)

- где знак - комплексное сопр жение

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

Коррекцию искажений изображени , обусловленных аберраци ми электроакустического преобразовател , осуществл ют путем фильтрации выделенного электрического сигнала, компенсиру  амплитудно-фазовые изменени , приобретаемые составл ющими углового спектра из-за несовершенства электроакустического преобразовател . При этом передаточна  функци  может быть определена выражением:

К(об) A(c.) expiq (oi) (12) Где А(А.) j Ц) (/-) - функции, описывающие нежелательные отклонени  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 , наход щихс  на большой глубине, позвол ет скорректировать искажени  в их изображении.

Устройство работает следующим образом .

Последовательность когерентных радиоимпульсов, вырабатываема  генератором 5, через переключатель 4 подводитс  к пьезопреобразователю 1, который излучает продольную УЗ-волну Волна распростран етс  вдоль звукопронпда 2 и фокусируетс  линчой 1 в иммерсионной ткидкости 1 1 . Поело отражени  от поверхности 10, котор.чи с помощью электромеханического привода 9 перемещаетс  вдоль акустической оси Z и сканируетс  по координатам акустическа  волна распростран етс  в обратном направлении

и преобразуетс  в электрический сигнал преобразователем . Этот сигнал переключателем 4 направл етс  в приемный блок 6, в котором осуществл етс  необходимые селекци , усиление,

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

моменты времени, синхронизированные с быстрым движением образца вдоль оси Z, осуществл етс  его регистраци , например, измерение амплитуды или фазы. Формировагше же результирующего акустического микроизображени  производитс , например, путем модул ции зарегистрированным сиг-налом  ркости луча монитора, развертка KiiToporo синхронизирована с механи- чс ским сканированием образца.

Claims (2)

1. Способ формировани  акустичес- Ю1х изображений, заключающийс  в том, что в иммерсионной среде формируют плоскую падающую продольную ультразвуковую волну акустической линзой, фокусируют падающую ультразвуковую волну на nonepxHocTi,, св зываекгую

с объектом измерени  так, чтобы акустическа  ось сход щегос  волнового фронта ультразвуковой волны бьша пер- пенд;1кул рна 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, отличающийс  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   тем, что, с целью распозтлк , что траектори  ее движени  со-навани  областей с заданными акустидержит участок с посто нной скоростьюческими свойствами, фильтрацию осущеи осуиествл ют на зток участке фильт-ствл ют согласованной и измер ют ампрацию спектра отраженной ультразву-литуду отраженной ультразвуковой волковой волны.ны.