一种无盲区的全场域超声显微镜成像系统及其方法技术方案

本申请公开了一种无盲区的全场域超声显微镜成像系统及其方法，将超声成像与激光超声成像相融合，在近场区域采用激光超声成像，采用相控聚焦成像算法对近场成像点进行激光超声图像重建；在中、远场区域采用超声成像，单独激发高频菲涅尔环阵超声换能器的每一个阵元发射超声信号，再用所有阵元接收回波超声信号，采用全聚焦成像算法对中、远场成像点进行超声图像重建。从而能够同时实现近、中和远场区域的超声显微镜成像，并通过三维运动平台带动待检测样品的运动，从而实现了整个待检测样品无盲区的三维超声显微成像。

【技术实现步骤摘要】
一种无盲区的全场域超声显微镜成像系统及其方法
本申请涉及激光超声显微成像
，尤其涉及一种无盲区的全场域超声显微镜成像系统及其方法。
技术介绍
超声显微镜是利用被检测样品的声学性能的差异进行显微成像的一种装置，即利用声成像的方法来生成高反差、高放大倍率的超声成像设备。对于很多不透明的物质，通过光成像方法是不可行的，而声波在物质中的传播基本不受物质的本身透明度影响，所以超声显微镜能够用于成像不透光但透声的各种物质。由于不同物质具有不同的密度、强度、弹性和粘性等，从而导致不同物质的声阻抗率、声衰减和声速等有很大差别，因此，声波在其传播的反射、折射、声吸收以及声衰减都有很大的差异，超声显微镜正是利用这些差异性进行高灵敏度和高分辨率成像的，目前在材料学、生物医学和微电子学等方面都具有广阔的应用。现有的超声显微镜基本上都是采用超声换能器产生超声信号，超声信号与待检测样品作用之后，再用超声换能器接收超声信号进行成像。例如，传统的单通道单晶复合材料超声显微镜，通过单个换能器发射或则接收，但单通道的超声换能器近场区的声场特性差，并且焦点单一且焦深固定，超声能量在检测样品中不同深度分布不均匀，导致不同深度的缺陷的检测误差较大，特别是对高衰减材料的检测，需进行逐层扫描，难以实现动态扫描，所以传统的单通道单晶复合材料超声显微镜难以用于近场成像或则近场区成像的效果很差，存在成像盲区；使用传统的压电材料制作的菲涅尔环阵超声显微镜，虽然有较好的近场声场，能够对高衰减特性材料和各项异性材料进行缺陷表征，但是其最主要的不足是近场盲区较大，声焦斑更大，导致分辨率更差。而且，传统的超声显微镜需要蓝宝石声透镜，它对超声具有较大的衰减，导致分辨率更差并且扩大了传统超声显微镜的成像盲区。所以，传统的超声显微镜难以实现无盲区的全场域超声显微成像。
技术实现思路
本申请提供了一种无盲区的全场域超声显微镜成像系统及其方法，用于解决现有的超声显微镜成像系统无法实现无盲区的全场域超声显微成像的技术问题。有鉴于此，本申请第一方面提供了一种无盲区的全场域超声显微镜成像系统，包括：纳秒脉冲激光器、聚焦光纤、菲涅尔环阵超声换能器、超声换能器驱动电路、三维运动平台与计算机；所述纳秒脉冲激光器用于发出具有预设激光参数的脉冲激光光束，所述预设激光参数包括：所述纳秒脉冲激光器的脉冲宽度不大于10ns；所述脉冲激光光束经过所述聚焦光纤聚焦于待检测样品的亚表面的预设成像点上从而在所述预设成像点上产生光致焦斑和光致超声信号，所述光致焦斑的直径与所述菲涅尔环阵超声换能器的预设焦斑直径为同一数量级；所述菲涅尔环阵超声换能器的晶片采用单晶复合材料，其环阵数为四个以上，所述菲涅尔环阵超声换能器的每个菲涅尔环的面积均相等，相邻的所述菲涅尔环之间的间距相等，所述菲涅尔环阵超声换能器的中心频率为50MHz以上，所述菲涅尔环阵超声换能器的孔径不大于10mm，所述菲涅尔环阵超声换能器的中心设有通孔，所述聚焦光纤置于所述通孔中，所述菲涅尔环阵超声换能器用于接收所述光致超声信号；所述计算机与所述超声换能器驱动电路电连接，所述超声换能器驱动电路与所述菲涅尔环阵超声换能器电连接，用于按照预设顺序驱动所述菲涅尔环阵超声换能器中的菲涅尔环逐一向所述预设成像点发射超声信号，还用于接收所述菲涅尔环发射的所述超声信号；所述计算机与所述菲涅尔环阵超声换能器电连接，所述计算机用于根据所述菲涅尔环阵超声换能器接收的所述光致超声信号，基于预设的相控聚焦成像算法对所述预设成像点进行近场超声显微成像；还用于根据所述菲涅尔环阵超声换能器接收的所述超声信号，基于预设的全聚焦成像算法对所述预设成像点进行中场超声显微成像与远场超声显微成像；所述三维运动平台与所述计算机电连接，用于驱动所述待检测样品运动。优选地，所述菲涅尔环阵超声换能器与所述计算机之间依次连接有预处理电路、信号放大电路与数字采集电路；所述预处理电路用于对所述光致超声信号和所述超声信号进行滤波处理；所述信号放大电路用于对经所述预处理电路滤波处理后的所述光致超声信号和所述超声信号进行放大处理；所述数字采集电路用于对经所述信号放大电路放大处理后的所述光致超声信号和所述超声信号进行模数转换。优选地，所述纳秒脉冲激光器与所述计算机之间连接有纳秒脉冲激光驱动电路，用于根据所述计算机预先输入的激光参数驱动所述纳秒脉冲激光器发出所述脉冲激光光束。优选地，所述菲涅尔环阵超声换能器与所述待检测样品之间采用耦合剂进行耦合。优选地，所述三维运动平台包括电机驱动电路、X轴电机、Y轴电机与Z轴电机，所述计算机与所述电机驱动电路电连接，所述电机驱动电路分别与所述X轴电机、所述Y轴电机和所述Z轴电机电连接，所述X轴电机用于驱动所述待检测样品沿X轴方向运动，所述Y轴电机用于驱动所述待检测样品沿Y轴方向运动，所述Z轴电机用于驱动所述待检测样品沿Z轴方向运动。另一方面，本申请还提供了一种无盲区的全场域超声显微镜成像方法，基于上述的无盲区的全场域超声显微镜成像系统，包括以下步骤：S101：通过纳秒脉冲激光器用于发出脉冲激光光束，脉冲激光光束经过聚焦光纤聚焦于待检测样品的亚表面的预设成像点上从而在所述预设成像点上产生光致焦斑和光致超声信号，所述光致焦斑的直径与所述菲涅尔环阵超声换能器的预设焦斑直径为同一数量级；S102：通过菲涅尔环阵超声换能器接收所述光致超声信号；S103：通过计算机根据所述菲涅尔环阵超声换能器接收的所述光致超声信号，基于预设的相控聚焦成像算法对所述预设成像点进行近场超声显微成像；S104：关闭所述纳秒脉冲激光器，通过所述菲涅尔环阵超声换能器按照预设顺序驱动菲涅尔环逐一向所述预设成像点发射超声信号后，接收所述菲涅尔环依次发射的所述超声信号；S105：通过所述计算机根据所述菲涅尔环阵超声换能器接收的所述超声信号，基于预设的全聚焦成像算法对所述预设成像点进行中场超声显微成像与远场超声显微成像；S106：当所述预设成像点完成成像后，通过所述计算机控制三维运动平台驱动所述待检测样品运动从而移动至下一个预设成像点；S107：重复所述步骤S101～S106，直至完成所述待检测样品的超声显微成像。优选地，在所述步骤S102之后，所述步骤S103之前包括：S1021：通过预处理电路对所述光致超声信号进行滤波处理；S1022：通过信号放大电路对经所述预处理电路滤波处理后的所述光致超声信号进行放大处理；S1023：通过数字采集电路对经所述信号放大电路放大处理后的所述光致超声信号进行模数转换后，传输给所述计算机。优选地，在所述步骤S104之后，所述步骤S105之前包括：S1041：通过所述预处理电路对所述超声信号进行滤波处理；S1042：通过所述信号放大电路对经所述预处理电路滤波处理后的所述超声信号进行放大处理；S1043：通过所述数字采集电路对经所述信号放大电路放大处理后的所述超声信号进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无盲区的全场域超声显微镜成像系统，其特征在于，包括：纳秒脉冲激光器、聚焦光纤、菲涅尔环阵超声换能器、超声换能器驱动电路、三维运动平台与计算机；/n所述纳秒脉冲激光器用于发出具有预设激光参数的脉冲激光光束，所述预设激光参数包括：所述纳秒脉冲激光器的脉冲宽度不大于10ns；/n所述脉冲激光光束经过所述聚焦光纤聚焦于待检测样品的亚表面的预设成像点上从而在所述预设成像点上产生光致焦斑和光致超声信号，所述光致焦斑的直径与所述菲涅尔环阵超声换能器的预设焦斑直径为同一数量级；/n所述菲涅尔环阵超声换能器的晶片采用单晶复合材料，其环阵数为四个以上，所述菲涅尔环阵超声换能器的每个菲涅尔环的面积均相等，相邻的所述菲涅尔环之间的间距相等，所述菲涅尔环阵超声换能器的中心频率为50MHz以上，所述菲涅尔环阵超声换能器的孔径不大于10mm，所述菲涅尔环阵超声换能器的中心设有通孔，所述聚焦光纤置于所述通孔中，所述菲涅尔环阵超声换能器用于接收所述光致超声信号；/n所述计算机与所述超声换能器驱动电路电连接，所述超声换能器驱动电路与所述菲涅尔环阵超声换能器电连接，用于按照预设顺序驱动所述菲涅尔环阵超声换能器中的菲涅尔环逐一向所述预设成像点发射超声信号，还用于接收所述菲涅尔环发射的所述超声信号；/n所述计算机与所述菲涅尔环阵超声换能器电连接，所述计算机用于根据所述菲涅尔环阵超声换能器接收的所述光致超声信号，基于预设的相控聚焦成像算法对所述预设成像点进行近场超声显微成像；还用于根据所述菲涅尔环阵超声换能器接收的所述超声信号，基于预设的全聚焦成像算法对所述预设成像点进行中场超声显微成像与远场超声显微成像；/n所述三维运动平台与所述计算机电连接，用于驱动所述待检测样品运动。/n...

【技术特征摘要】
1.一种无盲区的全场域超声显微镜成像系统，其特征在于，包括：纳秒脉冲激光器、聚焦光纤、菲涅尔环阵超声换能器、超声换能器驱动电路、三维运动平台与计算机；
所述纳秒脉冲激光器用于发出具有预设激光参数的脉冲激光光束，所述预设激光参数包括：所述纳秒脉冲激光器的脉冲宽度不大于10ns；
所述脉冲激光光束经过所述聚焦光纤聚焦于待检测样品的亚表面的预设成像点上从而在所述预设成像点上产生光致焦斑和光致超声信号，所述光致焦斑的直径与所述菲涅尔环阵超声换能器的预设焦斑直径为同一数量级；
所述菲涅尔环阵超声换能器的晶片采用单晶复合材料，其环阵数为四个以上，所述菲涅尔环阵超声换能器的每个菲涅尔环的面积均相等，相邻的所述菲涅尔环之间的间距相等，所述菲涅尔环阵超声换能器的中心频率为50MHz以上，所述菲涅尔环阵超声换能器的孔径不大于10mm，所述菲涅尔环阵超声换能器的中心设有通孔，所述聚焦光纤置于所述通孔中，所述菲涅尔环阵超声换能器用于接收所述光致超声信号；
所述计算机与所述超声换能器驱动电路电连接，所述超声换能器驱动电路与所述菲涅尔环阵超声换能器电连接，用于按照预设顺序驱动所述菲涅尔环阵超声换能器中的菲涅尔环逐一向所述预设成像点发射超声信号，还用于接收所述菲涅尔环发射的所述超声信号；
所述计算机与所述菲涅尔环阵超声换能器电连接，所述计算机用于根据所述菲涅尔环阵超声换能器接收的所述光致超声信号，基于预设的相控聚焦成像算法对所述预设成像点进行近场超声显微成像；还用于根据所述菲涅尔环阵超声换能器接收的所述超声信号，基于预设的全聚焦成像算法对所述预设成像点进行中场超声显微成像与远场超声显微成像；
所述三维运动平台与所述计算机电连接，用于驱动所述待检测样品运动。


2.根据权利要求1所述的无盲区的全场域超声显微镜成像系统，其特征在于，所述菲涅尔环阵超声换能器与所述计算机之间依次连接有预处理电路、信号放大电路与数字采集电路；
所述预处理电路用于对所述光致超声信号和所述超声信号进行滤波处理；
所述信号放大电路用于对经所述预处理电路滤波处理后的所述光致超声信号和所述超声信号进行放大处理；
所述数字采集电路用于对经所述信号放大电路放大处理后的所述光致超声信号和所述超声信号进行模数转换。


3.根据权利要求1所述的无盲区的全场域超声显微镜成像系统，其特征在于，所述纳秒脉冲激光器与所述计算机之间连接有纳秒脉冲激光驱动电路，用于根据所述计算机预先输入的激光参数驱动所述纳秒脉冲激光器发出所述脉冲激光光束。


4.根据权利要求1所述的无盲区的全场域超声显微镜成像系统，其特征在于，所述菲涅尔环阵超声换能器与所述待检测样品之间采用耦合剂进行耦合。


5.根据权利要求1所述的无盲区的全场域超声显微镜成像系统，其特征在于，所述三维运动平台包括电机驱动电路、X轴电机、Y轴电...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪轩荣，刘缘，曾吕明，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44