Способ формирования акустических изображений

Способ формирования акустических изображений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

7 (51) 4 С 01 М 29/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ПЛАНТ СССР

К А BTOPGKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4414929/25-28 (22) 25.04.88 (46) 30. 10. 89. Бюл. 11 40 (7,1) Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (72) С.А.титов (53) 632.59 (088.8) (56) Nikoonahad М., Sivaprakasapi 1 lai P. Electron Le t t„1983, ч.19, У 22, р.906-908. (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сканирующей акустической микроскопии, и может быть использовано для визуалиции пространственного распределения структурно-механических характеристик микрообъектов. Цель изобретения повьппение качества акустических изображений — достигается за счет угловой фильтрации помех с помощью фильтрации частотного спектра отраженной ультразвуковой волны, который соответ„„SU„„1518784 A1

2 ствует угловому спектру падакщей волны при отражении ее от равномернодвижущей ся по в ер х но с ти . С помощью устройства, реализующего способ, формируемая из плоской ультразвуковой волны, возбуждаемой пьеэаар оораэователем 1 в эвуководе 2 линзой 3 сходящаяся волна, при отражении которой от поверхности 10 формируется отраженная волна, которая улавливается линзой 3, и через пьезопреобразователь 1,переключатель 4 приемпередача и фильтр 7 сигнал, амплитуда которого связана с параметрами объекта, регистрируется блоком 8 регистрации изображения, 3а счет эффекта Доппера отраженная волна от поверхности 10, которая равномерно перемещается электромеханическим приводом 9, получает дополнительный частотный сдвиг, пропорциональный косинусу угла падения волны относительно направления движения поверхности.

1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1518784

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 иэображений — эа счет угловой фильтрации помех с помощью фильтрации частотного спектра отраженной ультразвуковой (УЗ) волны, который соответствует угловому спектру падающей волны при отражении ее от равномерно движущейся поверхности.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализукицее способ, содержит электроакустический преобразователь, состоящий иэ пьезопреобразователя I 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, электромеханический привод 9, отражающую поверхность 10, связываемую с образцом и погру)кенную в иммерсионную жидкость 11, которая обеспечивает акустический контакт между поверхностью 10 и линзой 3.

Способ формирования акустических иэображений заключается в следующем.

Возбуждают электроакустический преобразователь последовательностью когерентных радиоимпульсов с центральной частотой f и частотой повторения Е„ . Импульсный режим работы позволяет использовать один и тот же преобразователь как для излучения, так и для приема УЗ-волн. Этот электроакустический преобразователь излучает в иммерсионной жидкости сходящуюся продольную волну. Данную нолну направляют на поверхность образца так, чтобы акустическая ось сходящегося волнового фронта была перпендикулярна его поверхности, и механически сканируют поверхность вдоль осей Х,У, р перпендикулярных акустической оси. Кроме того,. отражающей поверхности сообщают периодическое движение вдоль этой оси, причем на определенном участке траектории движение осуществляется с постоянной лен в виде

S (X, Ys, t) = A exp(i2 « f t) m(t) х

x p(t) Ч(Хs,Y,t), (2) где А — амппитуда несущего колебания описывает импульсную модуляцию; выделяет интервал с постоянной скоростью движения образца: (Т

), /c/ (-" с-— () 2 г (3)

0 /c/ > —-2

Ч(Хз,Уз,t) определяет отклик преобразователя в зависимости от положен ния образца и его акустических свойств и может быть найдена на основе соотношения для несканирующего режима:

m(t)

p(c) 40

Мй

V(2) J R(A) р (6)ехр((222сое())х х sine d9 (4) где Z - смещение образца из фокальной плоскости по на55 пранлению к электроакустическому преобразователю;

2«

k = у, () — длина волны ультразвука в иммерсионной среде; скоростью Ч,значительно бол meA скорости сканирования, но значительно меньшей скорости звука н иммерсионной среде.

Ппоские волны, угловым спектром которых может быть представлена сфокусированнап.волна, после отражения под углом (от локального участка

10 поверхности образца с координатами (Хз, Y ) не только меняют амплитуду и фазу в соответствии с коэффициентом отражения К(Х,У, 9 ), но и приобретают доплеровский, сдвиг по

15 частоте на величину о(= 2kV cos 8. (1)

Отраженную волну принимают электроакустическим преобразователем пу1 тем временного стробирования ныделя20 ют электрический сигнал на фоне сигнапов переотражения и помех и селектируют полезные сигналы, принятые во время прохождения образцом участка траектории с постоянной скоростью.

25 Выделенный полезный сигнал на интерТ Т вале — -- 6 t — может быть предстан2 2

1518784

35 р,(Р) — обобщенная апертурная функция электроакустичес— кого преобразователя, определяющая угловой спектр падающей волны.

Считая, что при J t(--- Z = 7 и что коэффициент отражейия зависит от координат сканирования и на него не влияет движение образца, иэ выражения (4) после замены переменной (1) можно получить соотношение:

2k V

V(X»Y,t) = ---- к(Х,7 аС) х

1 а

2 о х р„(аЬ)ехр1а td oC. (5)

При этом спектральная гшотность этой функции S „(Хз, Y, a, ) определяется комплексными амплитудами составляющих углового спектра отраженной волны:. S„(X„Y,, а) — К(Х, К,<)р„(<), (6)

Сигнал S (Х з, Y, t) подвер гают син- . хронн ому детек тиров анию и импульсной демодуляции, которые при

1 о

f „) - позволяют восстановить его и комплексную огибающую Sz:

S (Х,Y, t) = Ар (t) Ъ(Хз, Y, t) (7)

Если регистрировать значения сигнала S в моменты времени о которые синхронизированы с пеЧо риодическим движением вдоль акустической оси и в которые образец пересекает плоскость Z = Z, то функция 4р

S (Хэ,Уэ, „) описывает изображение, z которое получается в обычном режиме при сканировании образца в плоскости (Х,Y ) при Z — Z . Для этого изображения на основании (5) и (7) 45 справедливо представление.

2k Уо

Б (Хз Хз > ty ) = А2 J К(Хэрру эе() х х р„(оа)expioc,t,d ос, (8)

Согласно способу осуществляют про- 50 хождение сигнала S (Х,Уэ,t) через линейную электрическую цепь с импульсной характеристикой k(t), для которой в силу физической осуществимости k(t) = О при (0, Сигнал 55

S на выходе этого фильтра предс3 тавляется сверткой: (Х, Y, t) — 8 (Х, Y, t) x k(t) 24V — А J (Хс, Y+,oC) p>(o4.) K(t, ol.) x о х ехф< d4; ф+С

K(t,d) = 1 k(()exp(-ia1 )d .

Ф- —" (9)

В момент времени t-= — -- t

1 2

Т вЂ” -- синхронизированный с периодическим движением по Z, регистрируют сигнал S в зависимости от координат сканирования, по которому формируют акустическое иэображение.

При сравнении изображения, формируемого по предлагаемому способу и представимого функцией S (Хэ,Уз, t ) с изображением Sz (X> ° Y>, tî )в,по лучаемым по обычному режиму, видно, что функция K(t, о6) позволяет изменять относительный вклад составляющих углового спектра в результирующее иэображение. При этом функция

K(t îÃ,) зависит от импульсного отклика применяемого электрического фильтра, и при достаточно быстром затухании этого отклика и достаточно больших значениях для нее справедливо приближение:

I к<с,а) = j k(1 )exp(-1 (и ( о

= К(аС), (10) где К(Ы) — передаточная функций фмльтра. Выбор этой передаточной функции, а также времени регистрации- сигнала t<, производится в конкретных случаях в соответствии с характером визуалиэируемых особенностей образца.

Так, для устранения помех в изображении, воэникакицих эа 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, визуалиэирующее распределение акустическогого импедан с а. В другом случае, выделяя составляющие углового спектра в области критического угла для поверхностных волн, исследуют пространственное распре,целение коэффициента их затухания.

1518784

Применение способа позволяет решить задачу идентификации особенностей в акустических микроизображениях путем распознавания областей образ5 ца с заданными структурно-механическими свойствами. Для этого фильтрацию выделенного электрического сигнала согласуют с сигналом, определяемым отражением от поверхности с заданным коэффициентом отражения к (6), а передаточную функцию выбирают равной

К() = PZ (.) р () (11)

%где знак — комплексное сопряжение.

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

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

К(ь) = (А(ф,) ехр1 g (< )) (12) где А(А) у g (д-) — функции, описывающие нежелатспьные отклонения амплитуды и фазы обобщенной апертурной функции 4О соответственно.

Осуществление фильтрации выделенного электрического сигнала, посредством которой компенсируют аберрационные фазовые сдвиги, преобретаемые плоскими волнами углового спектра при распространении по обьему 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 звукопровода 2 и фокусируется линзой 3 в иммерсионной жидкости 11. После отражсния от поверхности 10, которая с помощью электромеханического привода 9 перемещается вдоль акустической оси Z и сканируется по координатам Х,Уз, акустическая волна распространяется в обратном направлении и преобразуется в электрический сигнал преобразователем 1 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 ус1,>ойство, которое поэволяpт реализоватf требуемую передаточную функ:,ию. Например, могут использоваться ан,".1п говяе пассивные и активные фи,ьтры или цифровые фильтры, Сигнал с вывода этого фильтра подаетсь на блок 8, гдс моменты времени, синхронизированньle с быстрым движением образца вдоль оси Z, осуществляется его регистрация, например, измерение амплитуды или фазы. формирование же результирующего акустического микроиэображепия производится, например, путем модуляции зарегистрированным сигналом яркости луча монитора, развертка

i,< торого синхронизирована с механическим сканиронанием образца. формула и э о б р е т е н и я

1. Способ формирования акустических изображений, заключающийся в том, что в иммерсионной среде формируют плоскую падающую продольную ульэраэвуковую волну акустической линзой, фокусируют падающую ультразвуковую волну на поверхност., связываемую с объектом измерения так, чтобы акустическая ось сходящегося волнового фронта ультразвуковой волны была перпендикулярна поверхности, сканируют подающую уэьтразвуковую волну в плоскости, параллельной фокальной, фокусируют той же акустической линзой отраженную от поверхности ультразвуковую волну в плоскость падающей волны, регистрируют интенсивность отраженной волны, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения качества зкустических изображений за счет угловой фильтрации помех, 10

1518784

Составитель В.Чулков

Техред А.Кравчук Корректор О.Циппе

Редактор Л.Пчолинская

Заказ 6602/51 Тирам 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óìãîðîä, ул. Гагарина, 101

1IE ðåìåùëþT по периодическому закону поверхность вдоль акустической оси так, что траектория ее движения содержит участок с постоянной скоростью и осуществляют на этоМ участке фильтрацию спектра отраженной ультразвуковой волны.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью распознавания областей с заданными акусти— ческими свойствами, фильтрацию осуще—

5 ствляют согласованняй и измеряют амп— литуду отраженной ультразвуковой волны °