（机械电子工程专业论文）超声显微系统自动对焦技术及其应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 超声显微系统因其独特的优点，在工业、医学、生物等方面得到了广泛的应用。对焦 是超声显微系统在检测过程中的重要环节，但是，目前国内外超声显微系统自动对焦技术 过于简单化，不能满足工业发展的需求。因此，设计一种快速、准确并且普遍适用的自动 对焦技术具有十分重要的意义。 针对目前超声显微系统自动对焦技术的不足，本文采用理论分析、数值仿真和应用实 验研究相结合的方法，构建了自动对焦技术的理论模型，结合快速粗对焦和准确精对焦设 计了自动对焦的方法并提出一种适用于薄层材料表面对焦的方案，最后通过仿真和实验验 证了自动对焦技术的可行性。 本文采用多元高斯叠加法仿真聚焦探头入射声场，发现入射声场在焦点处的能量最大。 讨论了斜入射中反射、透射和波形转换带来的反射系数谱，其中小角度范围内材料表面的 反射系数为实数，近似于直入射的反射系数值。运用射线法分析了不同位置压电换能器的 接收情况，如果探头的压电晶片直径等于透镜的孔径，当材料处于焦平面位置时，换能器 接收最多的能量。最后得出坎z ) 曲线的理论模型，总结出只有材料的界面处于探头焦平面 位置时，回波信号幅值最大。 基于自动对焦的原理，提出了快速粗对焦和准确精对焦结合的自动对焦技术方案。本 文推导了粗对焦的一般公式并设计了粗对焦方案，提出了幅值法、h i l b e r t 法和f f t 法三种 精对焦方法，其中f f t 法在t i m e r e s 0 1 v e d ( 时间分辨的) 声学显微系统中也可以准确地测 量咐曲线，用于材料声学特性评价。薄层材料在科学和工程中起到了很大的作用，本文 提出了一种新的方法用于薄层材料表面精对焦，仿真验证了方案的可行性。 最后，本文对自动对焦技术的应用进行了研究并在自主开发的实验平台上进行了实验。 实验结果表明，自动对焦技术能很好地应用于显微成像和材料声学特性的评价。通过对3 种不同厚度铝薄板的实验，成功验证了薄层材料表面自动对焦方案的可靠性。 关键词： 超声显微系统，自动对焦，坎z ) 曲线，显微成像，声学特性评价 浙江大学硕士学位论奎 ! 兰! ! 生 ：i - _ - _ 一一。一 a b s t r a c t a sa ne x c e l l e n tn o n d e 蛐m c t i v et e s t i n gt e c h n i q u e ，u l t r a s o n i cm i c r o s c o p e h a sb e e nw i d e l y u s e di ni n d u s t m e d i c i n e ，b i o l o g ) ra n ds oo n i ti sw 0 吡m e n t i o n i n gt h a tm ef o c u s i n gi s a 1 1 i i n p o r t a n t1 i n ki nm et e s t i n gp r o c e s s h o 、耽v e r ，c u r r e n tf o c u s i n gt e c h l l i q u e i sn o td e v e l ( ) p e d ， c a i m o tm e e tt 1 1 ed e v e l o p m e n tn e e d so fa u t o m a t i o n t h e r e f o r e ，r e s e a r c h o na u t o - f o c u s m g t e c m q u cf o rm t r a s o l l i cr n i c r o s c o p ei ss i g n i f i c a n ti nb o t l lt h e o r ya i l da p p l i c a t i o n i no r d e rt oo v e r c o m em el a c ko fp r e s e n ta u t o f o c u s i n gt e c l l l l i q u ef o ru l t r a s o l l i cm i c r o s c o p e ， “sd i s s e n a t i o ns e e k st od e v e l o paf a s t ，a c c u r a t ea n du 1 1 i v e r s a la u t o - f o c u s i n gt e c l l i l i q u e w - e 1 1 e s t a b l i s h e dt l l e o r e t i c a lm o d e l sw e r ea p p l i e dt ob u i i dt 1 1 et h e o r e t i c a lm o d e lo fa u t o - f o c u s i l l g b 嬲e do n l i sm o d e l ，a u t o f o c u s i n gm e 恤d 髑d e v i s c d ，c o m b i n e d 诵t 1 1c o a r s ef o c u s i n ga l l df i n e f o c u s i n g a n da n e wa p p r o a c h 、a sp r o p o s e df o rf i n ef o c u s i n go ft h i nl a y e r ss u r f - a c e s i m u l a t i o n s a 1 1 de x p e r i m e n t a li n s p e c t i o nf e a s i b i l i t ) rs t u d yw e r es u c c e s s 如1 t h ei n c i d e n ts o u n df i e l do ff o c u s e dl e n ss i n m l a t i o nu s i n gm u l t ig a u s s i a i lb e a mm e m o d s h o w e dt l l a te n e 玛yi st h el a r g e s ta tt h e f o c u s r e f l e c t a i l c es p e c 仃哪i n 也cc a s eo fo b l i q u e i n c i d e n c e 、v a sd i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tr e n e c t i o nc o e m c i e n to ft h em a t e r i a ls u r f a c ei sa r e a ln u m b e ri nas m a l la n g l em g e ，a p p r o x i m a t e l ye q u a lt on o m l a li n c i d e n tr e n e c t i o nc o e m c i e m t h el e n ss y s t e mi nd i f r e r e mp o s i t i o n sw a sa i l a l y z e db yr a ym o d e l w h e nm a t e r i a li sa tt h ef o c a l ， t l l em o s te n e r g yi sr e c e i v e db y 仃 m s d u c e r c u em o d e lw a se 虹b l i s h e d i tw a sp r o v e dt l l a t w h e nt l l em a t e r i a li sa tm ef o c u s ，t h em a x i m u m 锄叩l i t u d eo fe c h os i g n a li sr e c e i v e d 7 r h eg e n e r a lf o 咖u l ao fc o a r s ef o c u s i n ge n s u r i l l gt h es p e e do fa u 幻- f o c u s i n g 、硼sd e r i v e d f i n ef o c u s i n gi n c l u d e dt h r e ep r o g r 锄s ，p e a k ，h i l b e r ta n df f tm e 也o d f f tm e t h o dw a sm eb e s t m e m o d 锄dc o u l db ew e l lu s e df o rt i m e r e s o l v e da c o u s t i cm i c r o s c o p e t 1 1 i nl a y e r sp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fm a t e r i a l ss c i e n c e 甜l de n g i n e e r i n g t h e r ei sa n e e dt oi n s p e c tm e s e t l l i nl a y e r s ，s oan e wm e t l l o dw 够u s e df o rt l l i nl a y e r s s u r f a c ea u t o - f o c u s i l l g t h ew o r k n o wo f a u t o - f o c u s i n gt e c h n i q u ew a sd e s i g n e d f i n a l l y ，m es t u d yo f t l l ea u t o - f o c u s i n ga p p l i c a t i o n sw a sc a r r i e do u ta i l dr e l a t e de x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e do n s e l f _ d e v e l o p e de x p e r i m e n t a lp l a t f o 肌( s c 删n ga c o u s t i cm i c r o s c o p e ) a u t o f o c u s i n gt e c h i l i q u e 、v a ss u c c e s s 如l l yu s e df o rm i c r o s c o p i ci m a g i n ga n d m a t e r i a le v a l u a t i o n o fm ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s n l r o u 曲e x p e r 沛e n t so nt l l r e ea 1 啪i n u ms h e e t sw i t l ld i 腩r e m m i c k n e s s ，m en e w m e t h o df o ra u t o f o c u s i n go ff i l m ss u “犯ew a sv e r i f i e d k e yw o r d s ：u 1 t m s o n i cm i c r o s c o p e ，a u t o - f o c u s i n g ，c u r v e ，m i c r o s c o p i ci m a g i n g ，e v a l u a t i o n o ft h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s 致谢 在毕业论文完成之际，我非常想向曾经关心、支持、帮助过我的老师、家人、亲友、 同学真诚地说一声“谢谢! ”。感谢他们在我研究生涯中给予我的指导和帮助。 首先，我最想感谢的人是我的导师一一居冰峰教授。在浙大期间，正因为他的循循善 诱，他的严谨治学使我克服了学习上的一个又一个困难；正因为他的渊博学识，他的丰富 阅历，拓宽了我的视野；正因为他的孜孜不倦，他的心细如尘，影响了我的科研态度。从 居老师的身上能感受到学者的风范，长者的智慧，朋友的温暖。本论文的选题、开题、实 验以及论文的定稿书写都是在居老师的精心指导下完成的。他不厌其烦地给予我指导和帮 助，在关键问题上给我建议，使我得以“柳暗花明又一村”。居老师的随和促成了师生间的 坦然交流，使我能更加大胆的表达我的思路，并能及时得到他的指导。在生活中，老师更 是一位朋友，他无微不至的关怀使我的科研生活更加惬意。居老师给的帮助远远不止于以 上所列举。在我以后的生活、学习、工作中，他也将会是我的良师益友。 然后，我想感谢实验室的兄弟姐妹们，包括金伟锋、伏明明、吴蕾、廉孟冬、陈远流、 方菲、白小龙、张戢云、张威、孙安玉、杜慧林、朱吴乐、管凯敏、杨舜尧，还有陈剑同 学，谢谢他们的鼎力相助。与他们相处的日子里，我学到了很多东西，他们的聪明才智让 我很佩服，与他们在一起的快乐时光将是我研究生中最为珍贵的回忆。 感谢我亲爱的爸爸、妈妈，因为有了他们的无怨无悔的付出和无尽的爱，使得我能够 集中精力完成学业! 希望爸爸、妈妈永远健康、快乐! 感谢我可爱的朋友们，因为有了他们的鼓励，才使我不断努力、不断进步，能够认识 他们我非常开心。 最后，感谢母校浙大，给我提供了那么好的学习环境。三年浙大的生活就要结束了， 我也将结束了我的校园生活，投入到工作生活的水深火热之中，但是我对未来充满信心。 学生时代的青涩年华即将远逝，又一次站在人生的十字路口的我不禁想到“路漫漫其修远 兮，吾将上下而求索”。 姜燕 2 0 1 2 年夏于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 插图和附表清单 插图和附表清单 插图清单 图1 1x 射线和超声显微系统对内部有分层缺陷的芯片扫描结果对比2 图1 2 超声显微系统的工作模式6 图2 1 点聚焦超声波探头浸于水中示意图1 0 图2 22 5 m h z 探头在水中的声压分布1 3 图2 3 聚焦探头声场简化图1 3 图2 4 声波斜入射到不同分界面的示意图1 5 图2 5 纵波斜入射到液体半空间薄板上的示意图1 6 图2 6 纵波入射到水中的薄钢板上的回波系数图1 8 图2 7 几种常见材料的小角度范围内的反射系数2 0 图2 8 点聚焦探头聚焦在材料表面的示意图2 0 图2 9 反射系数相位的变化2 1 图2 1 0 水的衰减系数和声速与温度的关系2 3 图2 1 l 不同位置几何反射示意图2 4 图2 1 2 声透镜的射线模型2 6 图2 1 3 坎z ) 曲线示意图2 6 图2 1 4 2 5 m h z 超声换能器( z ) 的仿真图2 7 图2 1 5 样品下表面对焦示意图2 8 图3 1 超声波探头聚焦在材料表面示意图3 1 图3 2 探头聚焦在单层材料下表面的示意图3 2 图3 3 探头聚焦在两层材料下表面的示意图3 3 图3 4 粗对焦示意图3 4 图3 5 回波信号模拟图3 6 图3 6 无噪声时的仿真图3 6 图3 7 加入s n r = 2 0 d b 的白噪声矿如) 曲线仿真图3 7 图3 8 幅值法、h j l b e n 法和f f t 法测量的) 曲线3 8 图3 9 回波信号的f f t 变换3 8 图3 1 0f f t 法测得的蚴曲线图3 8 图3 1 1 超声显微系统模型3 9 图3 1 2 薄板检测示意图4 0 图3 1 3 参考信号4 1 图3 1 4 薄板回波信号4 2 图3 1 5 反射系数谱及其拟合结果4 3 图3 1 6 谱拓宽结果4 4 图3 1 7 回波幅值4 4 图3 1 8 自动对焦流程图4 5 图3 1 9 自动门的设置及其参数4 6 图3 2 0 选择样品表面信号示意图4 7 图4 1 扫描超声显微镜系统原理图4 9 图4 2 超声探头原理图4 9 v 浙江大学硕士学位论文 插图和附表清单 图4 3 扫描超声显微系统的硬件图5 0 图4 5 实时成像与图像后处理模块”5 2 图4 6 对焦之前的a 、c 扫描5 4 图4 7 粗对焦对应的a 、c 扫描一5 4 图4 8 表面精对焦对应的a 、c 扫描5 4 图4 9 内部精对焦后对应的a 、c 扫描5 5 图4 1 0 实验材料精对焦过程中的坎z ) 曲线5 7 图4 1 ll m m 不锈钢的回波。6 0 图4 1 2 超声波探头聚焦过程中的几何关系图6 i 图4 】3 实验材料位置示意图6 2 图4 1 4 实验中得到的表面、儿以及三z 曲线6 3 图4 1 5 样品及参考材料的a 扫描波形6 5 图4 1 6 反射系数谱6 5 图4 1 7 反射系数谱最小二乘拟合结果6 6 图4 18 谱拓宽结果6 6 图4 1 9 回波幅值6 7 图4 2 0 三种不同厚度铝板的矿弛) 曲线6 7 图4 2 l 参考材料和实验样品对焦之后对比6 8 附表清单 表2 1 多元高斯叠加系数11 表2 2 水的性能随着水温的变化2 2 表4 。1 扫描超声显微系统探头型号5 1 表4 2 实验材料的参数5 6 表4 3 反射系数实验值及其误差计算5 8 表4 4 实验结果6 4 表4 5 误差计算6 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 无损检测是工业发展中必不可少的检测手段。虽然在现实情况中很多检测方法还是借 助于破坏性试验，但是无损检测的优点是不可忽视的，它将会成为主要的检测手段。随着 微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h 砌c a ls y s t e l s ，m e m s ) 以及微纳器件的出现，产品向小型 化发展，测量也随之步入微纳量级。微纳测量在集成电路( i n t e 铲a t e dc i r c u i t s ，i c ) 制造与 封装、m e m s 装配与集成、超精密加工等领域具有广泛的应用前景l l 。2 j 。 目前，常用的无损检测手段有超声、射线、磁粉、液体渗透检测四种方式。与其他无 损检测技术相比，超声检测具有被测对象广，检测深度大，缺陷对焦准确，检测灵敏度高， 成本低，使用方便，速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。与现有的成像技术相 比，超声成像在性质与应用上有自己独特的优点：超声成像是借助于材料本身的机械特性 进行成像的；声波能够在不透光的介质( 如金属材料，生物组织等等) 中有效传播；超声 波形式多样，有纵波、横波和表面波之分，方便应用于不同的场合；作为机械波的超声波 具有较强的穿透能力，同被测试件作用后携带的内部状态信息丰富，可通过相位、衰减、 反射系数等不同的参数予以表征，这些丰富的信息可以用来评价材料的机械特性；而且， 超声波信号可方便地转化为电量形式，易于引入当前先进的信号处理、分析技术，提高检 测的精度，因此，无论是检测精度还是分辨能力，采用超声无损检测、评价技术都蕴含着 巨大的潜力，加之超声波的安全性和低成本的实施能力，基于超声波的无损检测与评价技 术必将在工业中得到广泛地应用。值得一提的是，x 射线技术虽然也可以进行材料内部成 像，但是它对人体有害，而且x 射线对材料内部的分层缺陷不敏感，如图1 1 ( a ) 所示是 x 射线对i c 芯片的成像，图1 1 ( b ) 和( c ) 分别是超声显微系统基于回波幅值和相位反 转模式而得到的图像，可见超声显微系统可以检测材料里的分层缺陷，而x 射线对分层缺 陷不敏感。总而言之，超声显微技术是一项复杂的，具有应用及研究价值的技术1 3 j 。 自从2 0 世纪7 0 年代开始，超声显微技术引起人们的关注。它使超声显微高分辨率成 像成为可能。它集现代信号检测、微波声学和计算机图像科学技术于一体，利用超声波对 材料内部物理特性进行成像。它无损、精密、灵敏地观察物体内部三维结构图像，被作为 一种有效的无损检测工具应用于许多领域。超声显微技术应用领域包括物理声学、材料科 学、工业和生物医学。超声显微技术是分析材料多层结构分布最重要的无损检测方法，可 燮型型坠一二塑丝 以很好地探测出材料内部的晶格结构，夹杂物，沉淀物；内部裂纹，空洞、气泡，空隙， 分层3 - 4 1 。 ( a ) x 射线扫描结果 ( b ) 基于回波幅值的超声显微系统的扫描结果( c ) 基于相位反转的超声显微系统的扫描结果 图1 1x 射线和超声显微系统对内部有分层缺陷的芯片扫描结果对比 从1 9 3 6 年超声显微技术的萌芽开始，到现在超声显微技术已经越来越成熟，它已经被 应用到各行各业中。目前，超声波探头的频率已经高达8 g h z ，常温下，图像的分辨率已经 达到光学显微镜的分辨率。低温状态下，分辨率可以达到纳米级的分辨率。再加之声学成 像本身独特之处，超声显微技术具有很广阔的应用前景【5 】。 自2 0 世纪7 0 年代以来，超声无损检测技术的智能化、数字化、自动化和图像化成为 研究的热点，超声无损检测技术已经步入现代化领域，标志着它又一次的飞跃。近些年来， 电子技术、传感技术、计算机技术、自动控制技术的蓬勃发展，使现代无损检测技术进入 到以计算机控制为主的高度集成、自动化的时代。这是时代发展的产物，也是信息加工时 代的发展要求【6 1 。超声显微技术也顺应着潮流向着自动无损评价和定量无损评价发展，逐 步减少人工参与，用计算机进行检测和分析数据，以提高检测可靠性。 为了适应不同行业的应用需求，各种特殊材料大量涌现。例如，复合材料、为了适应 某种特殊要求的镀膜材料等等分层材料。超声显微技术在这些分层材料中可以发挥它的不 可取代的优势。分层材料中的各种缺陷( 例如，气泡、分层、裂纹等) 的检测，机械特性 ( 例如，弹性常数、粘接强度、厚度等) 以及声学特性( 例如，声速、声阻抗等) 的定量 j ：口定性的评价等都要求一一个更加严谨有效的检测方法。超声显微系统在特殊材料中已经发 挥了不可取代的作用。 超声显微技术是一项令人瞩目的技术。未来对它的要求和考验也越来越高。不管是材 料检测方面的重要应用，还是自动化发展的要求，都需要一个更加智能、更加精密、更加 快速的检测设备。超声显微技术无论从适应时代潮流的角度，还是良好的发展趋势来说， 它都必须要使自己更加具备挑战性。但是，目前在超声显微系统中，还有很多需要提高的 方面，例如对焦技术。对焦技术是超声显微系统的很多研究问题的关键。目前超声显微系 统的对焦还是停留在人工对焦，它不能满足新时代发展的需求。光学系统的自动对焦的研 究案例有很多，这也说明了声学显微镜的未来发展方向和暂时的落后 7 8 】。 时代的发展要求检测设备的自动化，材料的特殊要求检测设备的精密度，而且超声显 微系统有良好的研究应用价值，对焦技术也是超声显微系统中的关键技术( 对焦的过程反 映了材料的物理性能) ，本文正是为了适应这些要求而进行超声显微系统自动对焦技术的研 究。 1 2 超声显微自动对焦技术国内外相关研究进展 1 2 1 国内外市场中超声显微系统的对焦方式 自从1 9 3 6 年，s y a s o k 0 1 0 v 提出了超声显微成像的设想，很多学者致力于开发超声显 微系统。到2 0 世纪7 0 年代初，一些研究团队从事超声显微镜的研究，其分辨率不高是他 们遇到的最大问题。之后随着声成像技术的进步，特别是脉冲超声的进展为超声显微镜的 研究奠定了一定的基础。7 0 年代中期，超声显微技术迅速发展，其中a c o r p e l 等人的激光 扫描声镜( s c a r h l i n gl a s e r a c o u s t i cm i c r o s c o p e ，s l a m ) 和c q u a t e 等人的扫描声学显微镜 ( s c a l l n m ga c o u s t i cm i c r o s c 叩y ，s a m ) 是日前超声显微系统两个较为重要的分支，后者尤 其被广泛重视【9 1 。 超声显微系统终于在经历一个曲折的历程后搭建而成。之后超声显微系统经过了飞速 的发展，其应用也是非常的广泛，主要应用于医学、工业和材料科学及物理声学的研究。 例如，医学中的生物组织活体的观察，工业中的集成电路，航空航天工业中材料的检测， 科研中的材料机械特性的测量。但是，目前超声显微系统的对焦技术并不先进。 医学中的超声显微技术的对焦方式基本为手动方式。超声技术从2 0 世纪8 0 年代进入 医学中，其发展速度非常迅速，踏上了一个又一个新的台阶，它已经成为非常重要的诊断 技术。2 0 世纪9 0 年代，首次使用了4 0 m h z 以上的超声波用于眼科技术，被称为超声生物 显微术( u l t r a s 0 眦l db i o m i c m s c o p y ，u b m ) 。 目前医学超声生物显微来圭要使用的超声波频 率为2 0 1 0 0 m h z ，分辨率1 0 0 2 0 “m 。u b m 被用于检测活体小白鼠胚胎发育、小鼠动脉 粥样硬化进程和小鼠冠状动脉病变。u b m 在人体浅表器官、眼科、皮肤疾病、巨细胞性动 脉炎诊断中得到了应用。目前超声生物显微镜系统仅限于二维图像的显示和频谱多普勒测 量。在检测过程中，需要保持探头垂直于观测面，并需要上下、左右调整探头，根据图像 的清晰与否，决定探头移动的方向。这些调整过程都需要丰富的经验，才能使探头对焦到 合适的位置，得到清晰的图像1 0 。1 2 1 。否则调整探头将花费大量的时间，给使用者带来不便。 可见在医学中是以人工操作为主的，人眼判断图像的清晰度来调整探头的位置。 目前国内外市场中用于工业以及科研需要的s a m 系统的对焦方式也主要是手动对焦。 从1 9 3 6 年到现在，s a m 经过了一个漫长的发展历程。从2 0 世纪9 0 年代开始，l e 砣( 德 国) ，o l y m p u s ，h o n d a 电子，东芝( 日本) ，布鲁克( 法国) ，s o n o s c a i l 和s o n i c s ( 美国) 大批量生产超声显微系统，它们的对焦方式主要是手动对焦。其具体实施方式是，调节探 头使电机正对着样品表面。然后上下调节z 轴电机，使探头接收到样品的回波信号，回波 信号显示在示波器中。为了观察某一层，上下调节探头使回波信号达到最大。调节探头的 原则是：如果回波信号变大，则继续往该方向移动；反之，则向反方向移动。 直到2 0 0 4 年，德国科视达公司( k s i ) 首先提出了扫描超声显微镜自动对焦的方法， 并被授予了德国专利权。该专利提及可以通过回波信号的幅值大小进行超声显微系统的对 焦，但是这种方案只适用于宽脉冲工作模式的超声显微系统，而且没有进行深入研究，对 于多层材料以及薄层材料的对焦并没有给出实际的方案【i3 1 ，不具有普遍性。目前，世界市 场中技术水平比较高的有s o n i x ( u s a ) 、h o n d a 电子( 日本) 、t e s s o n i c s ( 加拿大) 、科视 达( 德国) 和s o n o s c 锄( 美国) 等等【引。除了国外市场，国内市场中的中国电子科技集团 公司第四十五研究所也开发了s s j 1 0 0 扫描超声显微镜。这些公司生产的s a m 的对焦方式 主要是手动对焦，对焦方式并没有更大的改进，与光学显微镜对比，声学显微镜的对焦方 式显得相对落后。 综上所述，国内外市场中的s a m 主要是人工对焦。科视达公司提出的自动对焦技术， 仅仅适用于半空间材料，低精度的自动对焦。对于薄层以及薄膜材料的对焦并没有深入研 究，而且对焦的方法相对简陋，并不适用于t i m e r e s o l v e d 声学显微镜。他们的方法只是自 动对焦的初始阶段，需要更进一步的研究，而且不具有普遍性。 如果不考虑速度的问题，对于频率不高的聚焦探头，人工对焦完全可以满足成像的清 晰度要求( 低频探头的景深比较大，景深就是能保证图像清晰的z 轴方向的范围) 。但是高 4 频探头的分辨率达到纳米级，它的景深在微米级以下，人工对焦显然不能满足要求。况且， 在某些应用场合，例如使用小角度聚焦探头测量材料的弹性常数，对焦的精度要求非常高， 人工对焦的方式远远不能满足要求。 1 2 2 心) 曲线的模型及测量方法 曲线( 固定样品的位置，超声波探头向样品靠近，得到回波信号幅值y 随散焦位 置z 的变化曲线) 反映了对焦过程中回波信号的变化，换句话说，测量曲线的过程就 是对焦的过程，因为曲线中反映了焦点的位置。可见曲线的测量与自动对焦有很 大的联系。 曲线的模型及测量在自动对焦技术中起到了关键作用。虽然自动对焦技术没有得到 高度的发展，但是心) 曲线的建模以及应用的例子却很多。自从发现) 曲线现象，很多 学者建立了各种理论模型来解释坎力曲线现象。这些模型主要可以分为两类：射线模型和 波动理论模型1 4 】。 嘲曲线的射线模型首先是w | e g l e i n 提出来的，在他的模型中，把材料的声特性联系到 了瑞利波波速。但是，他的模型很简单也不准确。基于w b 9 1 e i n 理论的基础，p a r m o n 和b e n o n i 提出了更加准确的理论，考虑到了镜面反射和泄漏波的干涉。之后，b e r t o n i 在此基础上， 提出了更加有效的) 曲线的模型，他的模型不仅计算出了占空比而且预言了心) 曲线的 形状【1 5 】。 曲线的波动理论模型首先被a t a l a r 采用角谱的方法提出来的，之后被s h e p p 砌和 w i l s o n 优化，他们使用消球差系统分析大角度曲线的收敛性。l i a n gk k 等人结合角 谱法和射线法提出了一种新的坎z ) 曲线的表达方法。a c h e n b a c h 等人提出了一种用于线聚焦 探头曲线的计算模型【1 5 】。 超声显微系统有两种工作模式：脉冲模式( 如图1 2 ( a ) 所示) 和t 伽e b u r s t 模式( 如 图1 2 ( b ) 所示) ，这两种模式都可以用来成像和材料声学特性的评价。当超声显微系统工 作在脉冲模式时叫做t i m e r e s o l v e d 声学显微系统，通常使用的是体波( 纵波或者横波) ，系 统发射一个很短的脉冲可以区分开不同层的回波，这样可以对分界面进行成像或者用来评 价材料。当超声显微系统工作在t o n e - b u r s t 模式下时，也可以用来对材料表面以及亚表面成 像。由于它的时域脉冲宽，频域窄，它最重要的应用是测量坎z ) 曲线。但是一般的超声显 微系统( 如t i m e r e s o l v e d 声学显微系统) 并没有t o n e - b u r s t 模式，只有脉冲模式，其频带宽 1 5 】。由于不同频率的声波衰减也不一样，所以对于精度要求高时，传统的坎z ) 曲线测量方 浙江大学硕士堂鱼笙奎一! ! _ ! i 王丝垒 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ l _ - _ - _ _ _ 一 式不能应用于一般的超声显微系统。t h e o d o r ee m a t i k a s 提出了对信号进行傅立叶变换， 然后取同一频率下幅值的方法，可以用于脉冲模式中曲线的测量1 6 1 。 ( a ) 脉冲模式 ( b ) t o n e _ b u r s t 模式 图1 2 超声显微系统的工作模式 自动对焦技术对工业发展非常重要，不仅在超声显微系统检测中有重要的应用，它在 科研中也有很高的研究价值，但是目前关于自动对焦技术的研究并不深入。 1 3 课题研究的意义 超声显微技术将向复杂化、微型化，以及科研领域等向更广、更深的方向发展，但是 其对焦技术并不发达，因此，本课题的研究具有以下四点意义： 1 ) 超声显微技术的自动化与智能化。医学中生物超声显微系统主要根据图像的清晰度， 人工调节探头的位置，而工业中，根据回波信号幅值大小来对焦探头的位置。自动化要求 在仪器工作中尽量减少人工的参与，但是目前超声显微检测中存在很多人工的参与。 2 ) 精确性与快速性。人工对焦不仅精度低而且效率不高，尤其当材料比较复杂时，人 工对焦更加不能满足要求。层结构在工业中很常见，如集成电路、m e m s 等，它在粘接界 面存在很多问题，例如分层、气泡、空洞、裂纹等等缺陷。超声波在这些材料中应用十分 广泛，当使用超声c 扫描时，为了得到清晰的图像，需要不停的调节探头z 轴的位置。当 探头的频率提高时，其景深很小，必然要求自动对焦。材料机械特性的定性以及定量评价 是目前超声显微系统主要的研究方向，对焦的精度是其主要的影响因素，所以本文设计了 一种快速、精确、普遍适用的自动对焦方法。 3 ) 薄膜层结构材料的对焦及机械特性评价。薄膜材料在材料科学与工程中起到了十分 重要的作用。例如，为了达到某种功能，使用化学气相沉积( c h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，c v d ) 或物理气相沉积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o 坞p v d ) 方法添加薄膜或涂层改善材料表面的性 能。还有现在应用越来越广的多层复合材料，这些层结构遍布于我们日常生活中【1 7 8 1 。对 于这种薄膜材料的定量评价，包括层的粘接强度的评价、薄膜的厚度、声速等机械特性的 测量，需要高精度的对焦，并利用先进的超声信号处理技术进行处理，达到定量评价的目 的。尤其重要的是，当待测对象非常薄的时候，不同层的回波信号重叠在一起，人工对焦 已经失去作用，只有自动对焦才能实现。 4 ) 材料的评价。坎z ) 曲线是自动对焦过程中的产物，应用咐曲线进行材料特性定征 的例子有很多。例如，曲线可以测量瑞利波的波速，从而评价层结构材料的粘接强度。 曲线反求可以测量材料的反射系数，进而测得材料的声阻抗等等。哟有很高的应用价 值。所以，超声显微系统能够准确地测量曲线显得尤为重要。目前测量曲线的主 要方式并不适用于t i m e r e s 0 1 v e d 声学显微系统，所以需要一种精确、适用性强的测量哟 曲线的方式。 本文介绍了一种用于超声显微系统的自动对焦技术。超声显微技术自动对焦系统满足 了自动化发展的需求，提高了检测的效率和精度，并有助于定性及定量评价的发展，所以 本文设计的超声显微分层自动对焦系统具有很大的意义。 1 4 论文主要研究内容 为了满足超声显微系统在检测过程中对焦的要求，本文的目标是设计一种快速、准确 且普遍适用的自动对焦方式，并对它的应用进行研究和实验。主要的研究内容如下： 1 ) 超声显微系统自动对焦建模技术 自动对焦技术的理论模型是本文的基础。本文结合超声波的入射声场、材料的反射、 透射系数以及衰减和压电换能器的接收以及回波信号的变化一一蚴曲线，构建了自动对焦 技术的理论模型，分为以下三点：聚焦探头的声压集中在焦平面附近，所以当样品处于 焦平面附近时入射声压最大。材料的反射、透射以及衰减系数影响了反射声场能量的强 弱，所以本文对材料的反射、透射以及衰减系数进行了详细的研究并讨论了小角度范围内 的反射系数。压电换能器的接收状况也影响了回波信号的大小，一般情况下，只有当材 料处于探头焦平面的位置时，压电换能器的接收状况最好。结合以上三点内容总结出了回 波信号变化曲线图，得出当材料处于焦平面位置时，回波信号最大这一结论。 2 ) 超声显微系统自动对焦实现方法 自动对焦的原理固然重要，但是若对焦方法不当不一定会得到较好的结果。本文结合 快速粗对焦和准确精对焦的方法保证了自动对焦的速度和精确度，并解决了薄层材料表面 精对焦的难题。粗对焦部分通过理论计算设计了粗对焦的方法，总结了表面粗对焦和内部 不同层的粗对焦计算公式和对焦方法，使超声波探头快速对焦到焦平面附近。精对焦中采 用幅值法、h i l b e n 法和f f t 法三种不同的方法测量比) 曲线。然后，提出一种准确的反卷 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 积方法用于薄层材料表面自动对焦中。 3 ) 自动对焦的应用研究及实验 自动对焦是一种方法，在应用中才能体现它的价值。在本文的最后，对自动对焦的应 用进行研究。该部分主要包含3 个方面的内容：成像方面的应用。超声显微系统的成像 是其基本的检测手段，图像的清晰度和对焦的效果好坏有很大关系，所以成像方面的应用 是自动对焦技术最基本的应用。材料评价方面的应用。超声显徼系统在材料评价方面的 应用将会是它以后一个重要的发展方向，这也是声学显微镜的独特之处。自动对焦技术可 以准确地测量出坎z ) 曲线用于材料声学特性的评价。本文研究了小角度探头运用自动对焦 技术测量反射系数和横波、纵波声速和厚度。薄层材料的应用。由于工业发展的需要， 表面镀膜或涂层的材料应用越来越广，这些薄层的回波信号混叠在一起，直接进行对焦有 难度，设计一种可以用于薄层材料表面对焦的一种方法很有必要。 1 5 本章小结 本章以大量的国内外相关文献为基础，阐述了超声显微系统自动对焦技术的研究背景 及研究现状，针对目前的研究现状分析了其不足之处。接着，概括了本文研究的意义以及 研究内容。详细内容会在下面的章节做进一步说明。 浙江大学硕士学位论文第2 章超声显微系统自动对焦建模技术 2 1 引言 第2 章超声显微系统自动对焦建模技术 超声显微系统自动对焦技术核心思想是让系统通过样品的回波信号判断焦点的位置。 每一个a 扫描信号都是超声波发射、反射和接收并转换为电信号的过程。材料的回波信号 的幅值与发射声场的能量、材料的反射与透射以及换能器接收到的能量息息相关。因此， 本文把超声显微系统自动对焦技术的理论模型分为三部分建立： 第一，聚焦探头的发射声场。聚焦探头的发射声场反映了入射波的能量分布，其声压 在焦平面附近维持一定的幅