CN103822971B - 一种超声显微镜分辨力测试及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，适用于超声无损检测领域，可用于验证超声检测***的横向和纵向缺陷检测能力，通过对超声显微镜检测结果进行校准使检测更为准确。本方法通过激光微纳技术在光学玻璃片上表面刻蚀了一系列微米级小孔，超声显微成像所能辨别的最少微孔尺寸即为横向检测分辨力，通过对标准量块纵截面进行超声显微测量计算像素补偿值实现横向校准。设计玻璃楔块试样，利用声时法进行厚度测量，所能测量的最薄水层厚度值即为纵向检测分辨力，将测量值与理论计算值进行分析求得线性拟合方程实现纵向校准。该方法操作简单，易于实现，解决了超声缺陷检测能力的客观评估问题，使超声显微镜的检测结果更准确可靠。

Description

一种超声显微镜分辨力测试及校准方法

一、技术领域

本发明属于超声检测领域，涉及一种超声显微镜的分辨力测试及校准方法，适用于超声显微及超声C扫描检测。

二、背景技术

超声显微镜是一种新型的无损检测仪器，它利用高频聚焦超声波对物体进行无损检测，可对物体内部及亚表面结构进行高精度、高灵敏度的检测，可观察从表层到数十毫米深度范围内存在的微米到百微米尺度结构，超声显微检测具有高灵敏度、高分辨率和图像直观等特点，目前已广泛应用于电子工业、医学、材料科学等领域。

高频聚焦超声换能器的选取对超声显微检测效果有着很重要的影响，它的主要性能指标有中心频率、焦距、焦区声束宽度等，对于超声显微扫描成像而言，焦区声束宽度越小，扫描出的图像越清晰，即横向分辨力越高。一般来说，频率越高，焦区声束宽度越窄，横向成像精度越高，因此在超声显微检测时，一般希望所用换能器的频率越高越好。但是，当换能器的频率提高时，声强的衰减会迅速增大，其穿透能力会急剧下降，而且一般频率越高，其信噪比越差，回波信号常湮没在噪声信号中，扫描的图像反而会由于噪点的增加而变得模糊。同时对超声扫描显微镜检测来说，轴向分辨率也是一个需要考虑的重要指标，为得到较高的轴向分辨率，要求脉冲的持续时间短，因此超声显微检测***常采用窄脉冲，且所用换能器一般为宽带换能器，并将***设置为高频、高阻尼方式。

超声显微镜的检测分辨力是描述其检测性能的一个重要指标，关于超声显微检测分辨力的研究国际上的还比较少。通过在万方数据库进行专利查询，中国实用新型专利CN201120393472.X提供了一种眼科纵向分辨力测试层靶，用于测试眼科超声设备的纵向分辨力，但其需要一系列不同厚度的微米级金属箔，试样制备较为困难。因此人们希望通过一种简单的测试方法对超声显微镜的检测性能进行评估。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种超声显微镜检测分辨力的测试及校准方法，用于验证超声显微镜的横向和纵向缺陷检测能力，同时通过相应校准方法对超声显微镜检测结果进行校准，解决了超声检测过程中缺陷检测能力的客观评估问题，使超声显微镜的检测结果更为准确。

本发明利用激光微纳加工技术在光学玻璃片上表面刻蚀了一系列微米级小孔，使用高频聚焦超声换能器，通过设置相应的采集参数和扫查参数对其进行超声显微扫查成像，所能辨别的最少微孔的尺寸即为***的横向检测分辨力。同时设计楔块试验装置，利用声时法对两个楔块之间的水层厚度进行测量，所能测量的最薄水层的厚度值即为***的纵向检测分辨力，且与理论计算的水层厚度数值进行对比，从而确定超声检测的精确度。针对超声显微镜的横向测量特性校准，可以通过对不同厚度的标准量块纵截面进行超声显微测量实现。对于纵向测量特性校准采用时间差法对标准水层厚度进行测量，将测量值与理论计算水层厚度进行对比分析，求得线性拟合方程进行校准。该方法操作简单，易于实现，灵活可靠，可广泛用于各种超声扫查成像检测设备。

四、附图说明

图1超声扫描显微镜***图

图2微米级小孔试样示意图

图3微米级小孔超声扫查图像

图4横向尺寸校准示意图

图5玻璃楔块试样示意图

图6楔块检测A扫信号图

图7玻璃楔块B扫图

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

1.如图1所示，超声扫描显微镜工作时，计算机触发脉冲收/发装置产生激励信号，激励压电晶片产生高频超声波。声波被声透镜聚焦到被检试样表面或内部，在试样界面或内部的声特性不连续处产生反射。反射波被压电晶片接收并转换为电信号。回波信号经限幅、放大电路放大后送至数据采集卡，转为数字信号，然后进行数字处理。同时，计算机控制机械扫描平台对声波透镜和试样进行x-y水平面二维扫描控制，从而能够给出二维的超声图像，并在计算机上显示试样的超声图像。

2.如图2所示，利用激光微纳技术加工一系列微米级小孔，为避免随机性，本文加工了3组平行的小孔，深度分别为50μm、80μm和110μm左右，各组小孔的直径约为120μm、100μm、80μm、60μm和40μm。加工时，所用的激光束直径为5μm，让激光束不断地在小孔中心周围运动，以加工出所需的孔径大小，因此实际得到的小孔轮廓并不是完全标准的圆形，小孔加工好后在周围刻了个方框，以便识别小孔区域。

3.对微孔试样进行超声扫查成像，本***换能器最高频率为100MHz，故使用Panametrics V3394换能器，脉冲收发仪的增益为26dB，A/D卡的采样率设置为1GHz，电压范围0.5V（-0.25V-0.25V），扫查间距为10μm，玻璃的上表面置于换能器的焦区位置，采用水作为耦合剂。为得到较高的清晰度，采用频域成像方式来对玻璃片表面进行扫查成像，跟踪闸门和数据闸门位置均放在上表面回波位置。

4.***的横向检测分辨力在理论上可用斯派罗准则来估算，可按下式进行计算：其中d是换能器单元的直径，z₀是焦距长度；λ₀是换能器中心频率对应的声波波长。以本试验中所使用100MHz高频聚焦换能器V3394为例，其标称中心频率为100MHz，压电元直径为6mm，焦距为25mm，利用上式可以计算出其理论横向分辨力为44.48μm。

5.如图3所示，采用100MHz探头时，120μm、100μm、80μm、60μm和40μm直径的小孔均可以分辨出来，考虑到高频超声在水中的频率衰减，60μm和40μm的小孔轮廓成像效果相对模糊。由此 可知***使用100MHz探头时的实际横向检测分辨力可达40μm，这个与理论计算结果基本吻合。

6.如图4所示，将不同组合的标准陶瓷量块结贴基准量块放置，通过研磨使两个量块下表面紧贴基准量块，使组合量块上表面在同一基准线上。由于量块1和量块2厚度不同，测量量块1上表面相对于量块2上表面的距离，将其作为厚度截面差值，超声图像中的每个像素点与扫查中的每个采样点相对应，通过测量像素点之间的距离乘以扫查间距即为测量值。

7.横向尺寸主要基于图像边缘进行测量，而超声图像中边缘特征点的准确性将受换能器聚焦特性的影响，与焦柱的直径有关，且横向尺寸的测量误差主要由像素测量误差引起。设L_i为标准值，D_i表示测量像素值，δ表示像素当量，表示边缘像素补偿值。由L_i＝(D_i+2λ_i)×δ可知：λ_i＝(L_i/δ-D_i)/2，通过测量一系列标准值为L_i的标准量块，得到测量像素测量值为D_i，代入上式计算得到对应的像素补偿量λ_i，则***边缘像素补偿值则校准值 $D_{\mathrm{cal}}=(D_i+2\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}})\×\mathrm{\δ}$

8.如图5所示，玻璃楔块试样由两块光学玻璃片和一个小垫片组成，两块玻璃的一侧互相搭接在一起，另一侧用小垫片垫起来，从而形成一个楔角θ。将该装置放于水槽之中，楔片的中空部分充满了水，使高频超声换能器置于楔块正上方，声束轴线垂直入射（由于楔角很小，因此可以近似为垂直入射），令换能器基本聚焦在下面玻璃片的上表面，通过机械扫查装置驱动超声换能器，观察A、B、C、D四个位置的A扫信号。

9.对楔块试样中所形成的的水层厚度进行量化检测，主要的还是采用该层上、下界面的声时差与声速的乘积来计算，即d＝(t₂-t₁)c/2，其中t₁和t₂分别为该检测层上、下界面的声束返回时间，c为该层介质中的声速。当介质中的声速已知，且层较厚时，通过超声反射回波信号可以确定t₁和t₂，便可计算出层的厚度。但实际上，在测量薄层厚度时，得到的回波信号往往不能够直观地分开，两个回波产生了重叠，难以确定两个回波的到达时间，因此两个回波信号未重叠之前所对应的测量点的水层厚度为超声检测***的纵向分辨力。

10.由于光学玻璃片及楔角中的水层较薄，上方玻璃片的下表面和下方玻璃片的上表面可能会产生多次反射回波。考虑到100MHz换能器其超声波信号不能穿透光学玻璃片，故试验时使用标称中心频率为75MHz的PVDF点聚焦探头，采样频率为500MHz。当入射点位置在靠近楔片外侧（靠近垫片位置）时，水层的厚度相对较大，该位置水层的上、下表面回波可以从时域上分开；当入射点向楔片内侧（远离垫片位置）移动时，由于水层厚度逐渐减小，水层上、下表面的回波会在时域上逐渐接近，并最终重叠到一起，而无法直接区分。

11.如图6所示，对于A、B、C点位置，由于回波2和回波3在时域上沿未重叠，可直接从波形图上得到这两个回波的声时差Δt，从而可直接计算出这几个点对应的水层厚度d，其中Δt可通过数字示波器的测量标尺准确获得其数值。同时由于D点水层厚度较小，上下表面的回波信号发生重叠，从而导致无法在时域上区分。同时A、B、C、D四个位置的理论水层厚度可通过d₀＝L_i×tanθ（L_i为点i距楔角顶端的距离）进行计算，且L_i的数值可通过扫查轴光栅尺进行读数测量，且tanθ=h/L（L、h数值为已知值）。将水层厚度的理论值与超声检测声时法获得的测量值进行对比分析，从而确定超声测量的精确度。

12.如图7所示，对玻璃楔块试样进行扫查并采集全波数据记录进行B扫成像，B扫成像时读取光标指示位置上横向剖面上各点的A扫数据，用A扫信号上不同时间的信号强度表示颜色值，便可完 成B扫横向剖面成像，获得楔块试样的剖面图像进行对比分析。

13.将时间差法计算的测量值与理论值进行对比分析，由测量原理可知误差的产生主要由于时间间隔Δt误差造成的，时间间隔Δt_i的误差补偿为，则d_i和Δt_i之间满足线性关系，设拟合直线方程为d_i=d_i(Δt_i)＝a*Δt_i+b，根据最小二乘法计算：

$a=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δt}}_i\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δt}}_i-\mathrm{\Σ}{d}_i\mathrm{\Σ}{{\mathrm{\Δt}}_i}^2}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δt}}_i\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{{\mathrm{\Δt}}_i}^2},b=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δt}}_i\mathrm{\Σ}{d}_i-\mathrm{n\Σ}{\mathrm{\Δt}}_i{d}_i}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Δt}}_i\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{{\mathrm{\Δt}}_i}^2},$

则校准值为d_cal＝a*Δt_i+b 。

Claims (10)

1.一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于：超声显微镜的检测分辨力包括横向分辨力和纵向分辨力，利用激光微纳加工技术在光学玻璃片上表面刻蚀了一系列微米级小孔，对其进行超声显微扫查成像，所能辨别的最小微孔尺寸即为***的横向分辨力，针对超声显微镜的横向测量特性校准，通过对不同厚度的标准量块纵截面进行超声显微测量计算像素补偿值实现，设L_i为标准值，D_i表示测量像素值，δ表示像素当量，表示边缘像素补偿值，由L_i＝(D_i+2λ_i)×δ可知λ_i＝(L_i/δ-D_i)/2，通过测量一系列标准值为L_i的标准量块，得到测量像素测量值为D_i，代入上式计算得到对应的像素补偿量λ_i，则***边缘像素补偿值则校准值同时设计玻璃楔块试样，该试样由两块光学玻璃片和一个小垫片组成，两块玻璃的一侧互相搭接在一起，另一侧用小垫片垫起来，从而形成一个楔角θ，利用声时法对两个楔块之间的水层厚度进行测量，所能测量的最薄水层的厚度值即为***的纵向分辨力，对于纵向测量特性校准采用声时法对标准水层厚度进行测量，将测量值与理论计算水层厚度进行对比分析，求得线性拟合方程进行校准。

2.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于：横向分辨力是指在与声束轴线垂直平面上，所能区分的两个最接近的、明晰可区分的像点之间的距离，在理论上用斯派罗准则来估算，按下式进行计算：其中d_Sparrow为由斯派罗准则确定的横向分辨力，d是换能器单元的直径，z₀是焦距长度；λ₀是换能器中心频率对应的声波波长。

3.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于利用激光微纳技术加工一系列微米级小孔具体为：为避免随机性，加工了3组平行的小孔，深度分别为50μm、80μm和110μm，各组小孔的直径为120μm、100μm、80μm、60μm和40μm，加工时，所用的激光束直径为5μm，让激光束不断地在小孔中心周围运动，以加工出所需的孔径大小，因此实际得到的小孔轮廓并不是完全标准的圆形。

4.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于对微孔试样进行超声显微扫查成像具体为：使用100MHz高频超声换能器，A/D卡的采样率设置为1GHz，扫查间距为10μm，玻璃的上表面置于换能器的焦区位置，采用水作为耦合剂，为得到较高的清晰度，使用频域成像方式来对玻璃片表面进行扫查成像，跟踪闸门和数据闸门位置均放在上表面回波位置，超声图像中所能辨别的最小微孔尺寸即为***的横向分辨力。

5.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于横向测量特性校准具体为：通过对不同厚度的标准量块组合使用，采用C扫查方式进行厚度截面扫查成像，利用超声图像测量得到组合试块厚度界面的差值，将测量值与试块的标准值作比对，计算像素补偿值，完成横向尺寸的校准。

6.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于：纵向分辨力是指声束轴线上识别的最小距离，与超声脉冲的有效带宽有关，其理论值用公式表示为D_axial＝ct/2，式中，c为超声波声速；t为超声波在最小距离之间传播的时间差。

7.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于玻璃楔块试样具体为：将该试样放于水槽之中，楔片的中空部分充满了水，使高频超声换能器置于楔块正上方，声束轴线垂直入射，由于楔角很小，因此近似为垂直入射，令探头基本聚焦在下面玻璃片的上表面，然后观察不同位置的A扫信号。

8.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于利用声时法测量两个楔块之间的水层厚度具体为：当楔块中的观测点由远端位置往楔角的顶端移动时，由于楔片夹角中的水层厚度逐渐减小，水层的上表面回波和下表面回波会逐渐发生重叠，在两个回波未重叠之前，在波形图时域上得到两个回波信号的时间差Δt，从而计算该点对应的水层厚度，即d＝c₀Δt/2，c₀是水中的 声速，取为1048m/s，且两个回波信号未重叠之前所对应的测量点的水层厚度为超声检测***的纵向分辨力。

9.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于：水层厚度还根据玻璃片长度L和楔角θ之间的关系，根据d₀＝L_i×tanθ，L_i为点i距楔角顶端的距离，得到水层厚度的理论值，从而与超声测量的数值进行对比分析，确定超声检测的精确度。

10.根据权利要求1所述的一种超声显微镜分辨力测试及校准方法，其特征在于纵向测量特性校准具体为：利用时间差法通过对不同厚度的水层进行测量，并将测量值与理论值进行对比分析，由测量原理可知误差的产生主要由于时间间隔Δt误差造成的，且d与Δt_i呈线性关系，利用最小二乘法对测量结果进行线性拟合，计算校准值。