一種基於雙軸聯動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法
2023-12-01 21:22:16
專利名稱：一種基於雙軸聯動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法
技術領域：
本發明涉及顯微成像快速掃描的方法，特別涉及一種基於雙軸聯動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法。
背景技術：
掃描超聲波顯微鏡(SAM :Scanning Acoustic Microscope)廣泛應用於關鍵電子器件和精密機械部件的無損檢測與評估，同時也廣泛用於生物組織的顯微觀測。掃描超聲波顯微鏡中，常採用二維機械掃描機構攜帶探頭完成對整個被測樣品的檢測。掃描機構的執行器一般都採用直線電機或旋轉電機加精密滾珠絲槓。傳統的二維機械掃描模式為柵格掃描模式，使X軸電機負責行掃描，每掃描完一行，Y軸電機步進一次，步進大小為一個像素所對應的大小。X軸電機進行行掃描時，由X軸電機的光柵信號觸發高速 AD卡採集回波信號，並實時處理為二維圖像中該點處的灰度值。X軸電機往復的對樣品進行掃描，直至掃描完畢。為了提高掃描超聲波顯微成像的速度，德國KSI公司採用了多探頭同時掃描方案，即每個探頭掃描一個子區域，然後將各個子區域拼接起來，形成最終的掃描結果。採用 N個探頭，那麼掃描時間就可以節約N倍。但是這種方法明顯增加了成本。目前，國外大公司提高效率的方式都是在現有的柵格掃描模式下對每個電機的硬體結構提出優化，在滿足運動精度的前提下，儘可能地提高X或Y電機的速度。但是這種方式不能根本性得顯著提高電機速度，電機速度的最大值受限於光柵頻率和解析度。國外對AFM的研究中提出了螺旋式掃描模式，但是這種掃描模式不僅增加了控制器負擔，而且將極坐標下的圖像點轉換到笛卡爾坐標系下又會帶來相應的位置誤差，圖像處理較為繁瑣。在螺旋式掃描中，掃描效率必須有所犧牲才能保證良好的穩定性，而且本質上它的掃描時間與傳統柵格模式相比並沒有優勢。傳統柵格掃描模式目前仍然是工業界機械掃描類的探頭式顯微鏡的常用掃描模式。但是傳統柵格的掃描模式未能充分利用X軸和Y軸電機的協同工作，在掃描過程中，始終是一個電機帶動超聲波探頭進行掃描，效率低下。基於此，提出一種基於雙軸聯動式的快速柵格掃描模式，經理論計算和實驗證明，在不改變任何系統硬體條件(如控制器、 驅動器等)的情況下，可以提高掃描速率20%以上，並且不會降低掃描後所成像的解析度。
發明內容
本發明的目的是為了提高掃描超聲波顯微鏡的掃描成像的效率，提出一種基於雙軸聯動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法。基於雙軸聯動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法，米用掃描超聲波顯微鏡，掃描超聲波顯微鏡包括超聲波探頭、X軸電機、Y軸電機、Z軸電機、水槽、電機控制器、超聲波發射接收器、計算機、顯示器、被檢測樣品；被檢測樣品放置在水槽中，超聲波探頭設於被檢測樣品的正上方，超聲波探頭的上部連接於Z軸電機,Z軸電機與Y軸電機相連，Y軸電機與X軸電機相連，X軸電機、Y軸電機、Z軸電機與電機控制器相連，超聲波探頭與超聲波發射接收器相連，計算機分別與超聲波發射接收器、電機控制器、顯示器相連，方法的步驟如下I)掃描超聲波顯微鏡開機後，放置好被檢測樣品，超聲波探頭髮射超聲波；2)在掃描超聲波顯微鏡的計算機中設置掃描面積S = (N -a) X (N -a)的大小，其中N為所成圖像的解析度，a為單個像素的大小；3)使Y軸電機沿正方向運動，X軸電機沿負方向運動，令(Ν- 'α 4 為I 軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內完成對被檢測樣品的一次行掃描；4)行掃描結束後，然後改變Y軸電機運動方向為負方向，X軸電機運動方向不變， 並令β/V^為X軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭做微量步進；5)微量步進結束後,再改變X軸電機運動方向為正方向,Y軸電機運動方向仍未負方向，令Lseara= {Ν-\) ·<2/λ/ 為X軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內完成對被檢測樣品的再一次行掃描；6)再一次行掃描結束後,然後再改變X軸電機運動方向為負方向,Y軸電機運動方向不變，並令Asfey= a/拋X被檢測樣品和Y軸電機運動位移的大小，X被檢測樣品和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭做微量步進；7)微量步進結束後，重複步驟3)到步驟6)，對被檢測樣品進行來回掃描，直至整幅圖像掃描完畢。本發明與現有技術相比具有的有益效果是I)本發明可以提高掃描超聲波顯微鏡掃描成像效率20%以上；2)本發明屬於對X和Y電機控制器中運動控制算法的改變，不會帶來對硬體系統的改動，也不會造成圖像映射時產生位置誤差，不會降低掃描成像後的解析度。
圖I是掃描超聲波顯微鏡主體結構示意圖；圖2是本發明中XY掃描平臺上電機的運動控制框圖；圖3是本發明的傳統柵格掃描模式的掃描軌跡示意圖；圖4是本發明的基於雙軸聯動的快速柵格掃描模式的掃描軌跡示意圖；圖5是掃描超聲波顯微鏡在傳統柵格掃描和快速柵格掃描模式下對同一硬幣進行掃描成像的結果對比。
具體實施例方式基於雙軸聯動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法，米用掃描超聲波顯微鏡，掃描超聲波顯微鏡包括超聲波探頭、X軸電機、Y軸電機、Z軸電機、水槽、電機控制器、超聲波發射接收器、計算機、顯示器、被檢測樣品；被檢測樣品放置在水槽中，超聲波探頭設於被檢測樣品的正上方，超聲波探頭的上部連接於Z軸電機,Z軸電機與Y軸電機相連，Y軸電機與X 軸電機相連，X軸電機、Y軸電機、Z軸電機與電機控制器相連，超聲波探頭與超聲波發射接收器相連，計算機分別與超聲波發射接收器、電機控制器、顯示器相連，被檢測樣品的超聲波回波信號經計算機中信號處理之後可轉化為相應的灰度圖，若要得到整個被檢測樣品的二維圖像，則需要通過X軸電機和Y軸電機的二維機械運動使超聲波探頭完成對被檢測樣品的掃描，方法的步驟如下I)掃描超聲波顯微鏡開機後，放置好被檢測樣品，超聲波探頭髮射超聲波；2)在掃描超聲波顯微鏡的計算機中設置掃描面積S = (N -a) X (N -a)的大小，其中N為所成圖像的解析度，a為單個像素的大小；3)使Y軸電機沿正方向運動，X軸電機沿負方向運動，令(Ν- 'α 4 為I 軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內完成對被檢測樣品的一次行掃描；4)行掃描結束後，然後改變Y軸電機運動方向為負方向，X軸電機運動方向不變， 並令β/力為X軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭做微量步進；5)微量步進結束後，再改變X軸電機運動方向為正方向，Y軸電機運動方向仍未負方向，令Lseara= {Ν-\) ·<2/λ/ 為X軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內完成對被檢測樣品的再一次行掃描；6)再一次行掃描結束後,然後再改變X軸電機運動方向為負方向,Y軸電機運動方向不變，並令Asfey= a/拋X被檢測樣品和Y軸電機運動位移的大小，X被檢測樣品和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭做微量步進；7)微量步進結束後，重複步驟3)到步驟6)，對被檢測樣品進行來回掃描，直至整幅圖像掃描完畢。對於掃描面積S = (N · a) X (N · a)的區域，下面對傳統柵格掃描方法和本發明提出的快速掃描方法的掃描效率做出比較。I)傳統柵格掃描方法傳統柵格掃描方法的掃描軌跡如圖3所示，X軸電機負責行掃描，Y軸電機負責步進。掃描的總時間的理論計算表達式為T1 = N · tscan l+(N-I) · tstep l(I)，其中t_n」和」分別為一次行掃描和步進一次所用的時間。假設X和Y軸電機控制器中採用「T」型速度圖進行插補，am和Vm分別為X和Y軸電機運動系統所允許的加速度和最大速度。一般進行大面積成像時都有，即行掃描中存在勻速運動階段，但當解析度很高時不一定能保證^，即保證步進過程中存在勻速階段。所以
權利要求
1.一種基於雙軸聯動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法，米用掃描超聲波顯微鏡，掃描超聲波顯微鏡包括超聲波探頭、X軸電機、Y軸電機、Z軸電機、水槽、電機控制器、超聲波發射接收器、計算機、顯示器、被檢測樣品；被檢測樣品放置在水槽中，超聲波探頭設於被檢測樣品的正上方，超聲波探頭的上部連接於Z軸電機，Z軸電機與Y軸電機相連，Y軸電機與X軸電機相連，X軸電機、Y軸電機、Z軸電機與電機控制器相連，超聲波探頭與超聲波發射接收器相連，計算機分別與超聲波發射接收器、電機控制器、顯示器相連，其特徵在於方法的步驟如下1)掃描超聲波顯微鏡開機後，放置好被檢測樣品，超聲波探頭髮射超聲波；2)在掃描超聲波顯微鏡的計算機中設置掃描面積S=OV^)X OVm)的大小，其中#為所成圖像的解析度，a為單個像素的大小；3)使Y軸電機沿正方向運動，X軸電機沿負方向運動，令Lscan二GV-1) · a/■^為X軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內完成對被檢測樣品的一次行掃描；4)行掃描結束後，然後改變Y軸電機運動方向為負方向，X軸電機運動方向不變，並令Lstep= a/ ■^為X軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭做微量步進；5)微量步進結束後，再改變X軸電機運動方向為正方向，Y軸電機運動方向仍未負方向，令Lscan二 OV-I) %/石為X軸電機和Y軸電機運動位移的大小，X軸電機和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭在XY平面內完成對被檢測樣品的再一次行掃描；6)再一次行掃描結束後,然後再改變X軸電機運動方向為負方向，Y軸電機運動方向不變，並令4_= a/名為X被檢測樣品和Y軸電機運動位移的大小，X被檢測樣品和Y軸電機同時開始運動，其合速度使超聲波探頭做微量步進；7)微量步進結束後，重複步驟3)到步驟6)，對被檢測樣品進行來回掃描，直至整幅圖像掃描完畢。
全文摘要
本發明公開了一種基於雙軸聯動的掃描超聲波顯微鏡快速掃描方法。其步驟包括1)設定掃描面積S=(N·a)×(N·a)後，將Lscan=(N-1)a/作為X和Y電機運動位移的大小，X和Y軸運動方向均為正方向並同時開始運動；2)兩個電機停止後，改變Y軸運動方向，X軸不變，將Lstep=a/作為X和Y電機運動位移的大小使其同時運動；3)兩個電機停止後，再改變X軸運動方向，Y軸不變，X和Y軸電機繼續開始運動，位移大小均為Lscan；4)兩個電機停止後，再改變X軸運動方向，Y軸不變，X和Y軸電機繼續開始運動，位移大小均為Lstep；5)電機停止後，重複1)到4)中的步驟，直至整幅圖像掃描完畢。本發明在不改變運動系統硬體條件和不降低成像解析度的前提下，可提高掃描效率百分之二十以上。
文檔編號G01N29/06GK102608208SQ20121004262
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月23日 優先權日2012年2月23日
發明者吳蕾, 姜燕, 孫安玉, 居冰峰, 張威, 白小龍 申請人:浙江大學