激光扫描声学显微镜层析成像技术研究

　　1 引 言

　　声学显微镜的概念早在 20 世纪 30 年代就由前苏联学者 Sokolov 首先提出。20 世纪 60 年代末,随着激光的出现以及计算机图像处理技术的发展,声学显微技术才真正发展起来, 并走向实际应用。激光扫描声学显微镜( 以下称 SLAM) 作为一种新型高分辨率的无损检测仪器因其具有实时成像的优点, 已经被美国、德国、俄罗斯、日本、意大利等国家广泛应用于航空航天、电子、生物医学、冶金、材料科学以及核工业[1-3]。

　　SLAM所得到的二维图像丢失了大部分三维空间信息, 难以完整地表现所测物体内部结构以及受损状况。为了更加完整、直观、真实的再现所测物体内部的结构形状以及相对位置, 在 SLAM的基础上,结合层析成像技术提出了层析扫描声学显微镜[4]( 以下称 STAM)。由于超声波在不均匀介质中传播会产生散射, 而且散射过程比较复杂, 因此层析算法的研究在改善图像质量显得非常重要。

　　2 STAM原理

　　图 1 是 SLAM的原理图。一个由压电换能器产生的高频连续声波, 该声波以某个角度透射样品时受到样品内部结构的调制, 声波传播到样品表面处,会引起表面处弹性工作面板的微小形变。用一束焦的激光扫描工作面板表面的光栅图案, 激光束不同的角度(角度是波纹的函数)反射到一个刀口探测器, 刀口探测器把激光束的角度调制信号转化为电流调制信号, 通过对电信号的处理, 把波纹变化的图像显示出来。据此判断样品内缺陷情况。层析扫描声学显微镜(STAM) 在 SLAM 的基础上, 利用层析重建技术来处理数据, 实现三维显示的新型显微镜。为了获取三维图像重建的数据, 可以采用多角度入射或者多频率入射这两种形式。多频率入射的实现是通过计算机控制压电换能器, 使其可以输出频率范围在 300+6.5MHz 的超声波; 多角度入射的实现是通过 360°旋转样品获得。

　　STAM的设计利用正交解调器[5](如图 2 所示)取代了 SLAM系统中的包络解调器, 这样计算机可以在工作面板处获得声波场分布的幅度和相位信息。

　　在工作面板处的波场可以表达为:

　　这里: a(x, y) =|a(x, y) |exp(j!(x, y)) 是波传播到点(x, y) 处的复数表达式, fxi和fyi是发射波的空间频率。从等式(1)中理想的正交解调器的输出可以表达为:

　　这里: v1(x, y) 和v0(x, y) 分别表示v(x, y) 的同相位和正交相位。

　　3 相关算法

　　3.1 基本原理

　　对于单色波穿过非均匀物体, 声波在介质中传播时满足波动方程[6]:

　　其中: O(r) =k02[n2(r) - 1] 为描述物体特征的函数, 0为平均波数, n(r) =c0/c(r), c0表示缺陷不存在时声波在周围介质中的速度, c(r) 表示物体内部 r 点处的声波速度。