76MHz激光扫描声学显微镜的研究和试制

    1　引言

    激光扫描声学显微镜(SLAM)是近年来发展很快的一种新型无损检测仪器,它能够观察物体的内部结构。当前主要用来测试并发现材料内部的缺陷,如裂痕、脱层和空洞等。在集成电路、多层陶瓷电容器、结构陶瓷、金属材料、飞机透平翼片和生物医学等领域正得到日益广泛的应用^[1～5]。

    SLAM的发展依赖于微波声学、光学、激光、电子学和计算机等技术的发展。与其他显微镜所得到的光学像或扫描电镜像不同,SLAM得到的是被测样品的声学像,所反映的是样品的弹性特征或机械特性。受其压电换能器制造工艺的限制,SLAM的工作频率一般在几十兆赫至几百兆赫之间,分辨率从几个微米到几十微米,所能测试的样品厚度一般在1～10 mm。为克服高频声波传输衰减大而造成的困难,我们在信号拾取,图像处理方面采用新技术,使整个SLAM具有高的灵敏度、大的动态范围,且自动化程度高,操作方便。

    我们于1992年研制了一台300 MHzSLAM^[6],1996年又研制成功一台76 MHz用于无损检测多层陶瓷电容器的JSSX-503Ⅰ型SLAM。该SLAM的主要技术指标为:分辨率30μm;探测厚度为高温瓷2 mm,低温瓷1 mm;扫描面积(声场有效面积)3 mm×4mm。研制过程中采用了声波扫频技术、图像处理技术、声成像技术和SLAM结构模块化,并特别注意其可靠性与可维修性,使该仪器具有实用化的特点。整个工作在国内属首创,填补了国内空白。

    2　SLAM结构与设计

     2.1　SLAM的组成

    JSSX-503Ⅰ型SLAM的原理如图1所示,它由光路、声路、电路、机械装置及控制部分组成。经图像处理后,声显微图像在微机终端屏幕上显示。

    2.2　光路及光路系统

    光路及光路系统主要功能是拾取通过被测样品内部的声信号,并提供给电路处理,由半导体激光器、光束整形、光学扫描、光调制及解调部分组成,其原理如图2所示。

    2 .3　声学系统

    声学系统是SLAM无损检测仪的核心装置,主要包括压电换能器、声学室及声学面板等。压电换能器选用LiNbO3,声学室材料为SiO2,声学面板为蒸镀有金属反射膜的有机玻璃,原理如图3所示。

    2.4　高频信号处理及显示器

    高频信号处理及显示器原理如图4所示。

    2.5　图像处理

    图像处理原理如图5所示。采集板接受全电视信号,板上的单路A/D电路按Δf的采样频率将视频模拟信号转变成相应的数字信号,存入帧体内。通过软件可以选择板上的视频查找表、帧存体及其上的任意大小的块,从而实现快速数据存取。送数据到PC机去处理,或将处理结果送回帧体显示。