一种二维阵列换能器及其显微成像方法

1.本发明涉及声学显微镜领域，尤其是涉及二维阵列换能器及其显微成像方法。


背景技术：

2.扫描声学显微镜(scanning acoustic microscopy)是一种基于声波在介质界面的反射和密度不规则性的声学显微技术，该技术利用声波的高穿透深度来成像样品的内部结构，是一种无损检测技术。检测时，压电换能器产生超声声波，将电信号转换成声信号，声波信号进入检测样品内部并发生反射，反射波被换能器接收并获得反射信号，在获取成像区域的所有点的反射信号后进行成像。
3.一般而言，波束越窄，就越容易获得高的分辨率，因此常规的扫描声学显微镜使用声学透镜对波束进行聚焦后再进行探测。为了获得较小的聚焦，透镜的体积一般较大。但是，由于透镜只能在焦点位置进行聚焦，而在远离聚焦位置的区域，声波波束严重分散，造成获取的图像中只有焦点的位置具有较高的分辨率，而远离焦距的位置分辨率往往较差，其有效成像范围十分有限。而且，体积巨大的声学透镜在扫描精度上存在劣势，容易造成精度的降低。尤其在对大范围的成像时，由于扫描点数过多，需要耗费大量的时间才能完成成像区域的扫描，长行程的逐点扫描也不利于扫描精度的保持，对于实际应用不利。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种扫描行程短、扫描精度高、快速成像的二维阵列换能器。
5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种扫描行程短、扫描精度高、快速成像的二维阵列换能器显微成像方法。
6.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
7.一种二维阵列换能器，包括若干换能器阵元，若干所述换能器阵元固定连接，每一所述换能器阵元包括基板、壳体、引线、背衬块以及换能器，所述壳体固定于所述基板，所述壳体呈中空结构，所述背衬块安装于所述壳体内部并位于所述壳体远离所述基板一端，所述引线位于所述壳体内并与所述背衬块连接，所述换能器固定于所述壳体远离所述基板的端部，所述换能器与所述背衬块电性连接。
8.进一步地，所述壳体包括底部以及收容部，所述收容部从所述底部延伸而出，所述底部与所述基板固定，所述背衬块收容于所述收容部。
9.进一步地，所述底部呈圆形或正方形。
10.进一步地，所述收容部呈圆柱形。
11.进一步地，所述收容部直径小于所述底部直径。
12.进一步地，所述底部直径是所述收容部直径的整数倍。
13.进一步地，若干所述换能器阵元的基板相互固定连接并位于同一直线上。
14.本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
15.一种通过上述任意一种二维阵列换能器实施的二维阵列换能器显微成像方法，包括以下步骤：
16.将待检样品分隔为若干块大小为n*m*d2的检测区域，n以及m为整数，d为基板边长；
17.每一所述检测区域分割成n*m个检测单元，每一所述检测单元面积为d2；
18.二维阵列换能器在待检样品的一检测区域上进行二维移动，每一换能器阵元在一检测单元内二维移动，在每一个扫描点的位置获取对应点的扫描数据；
19.将二维阵列换能器移动至剩余检测区域进行检测；
20.将扫描数据采用a型显示、b型成像显示以及c型三维显示中的一种或多种显示方法显示成像。
21.进一步地，所述二维移动的移动轨迹为若干首尾相连的直线。
22.进一步地，所述扫描数据为含有位置信息的三维体数据。
23.相比现有技术，本发明二维阵列换能器包括若干换能器阵元，若干换能器阵元固定连接，每一换能器阵元包括基板、壳体、引线、背衬块以及换能器，壳体固定于基板，壳体呈中空结构，背衬块安装于壳体内部并位于壳体远离基板一端，引线位于壳体内并与背衬块连接，换能器固定于壳体远离基板的端部，换能器与背衬块电性连接，通过上述设计，使二维阵列换能器在待检样品的一检测区域上进行二维移动，每一换能器阵元在一检测单元内二维移动，在每一个扫描点的位置获取对应点的扫描数据；通过二维阵列的方法减少扫描次数，增大位置精度，减少扫描时间，从而实现高质量大面积的声学显微成像。
附图说明
24.图1为本发明二维阵列换能器的立体图；
25.图2为图1的二维阵列换能器的换能器阵元的结构示意图；
26.图3为图2的单个换能器阵元的使用示意图；
27.图4为待检样品分割示意图；
28.图5为单个换能器阵元在待检样品的检测单元内的轨迹示意图；
29.图6为二维阵列换能器的a型成像形成的回波信号；
30.图7为二维阵列换能器b型成像的示意图；
31.图8为二维阵列换能器c型成像的示意图。
32.图中：10、换能器阵元；11、基板；12、壳体；120、底部；121、收容部；13、引线；14、背衬块；15、换能器；20、待检样品；21、检测单元。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组
件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
35.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
36.图1至图2为本发明二维阵列换能器，二维阵列换能器用于检测待检样品20的内部结构，二维阵列换能器产生超声声波，声波信号进入待检样品20内部并发生反射，反射波被换能器15接收并获得反射信号。
37.二维阵列换能器包括若干换能器阵元10。若干换能器阵元10相互固定连接形成二维阵列换能器。在本实施例中，二维阵列换能器整体呈矩形。
38.每一换能器阵元10包括基板11、壳体12、引线13、背衬块14以及换能器15。
39.基板11为正方形，并且边长为d。基板11中间设有用于引线13通过的通孔。
40.壳体12包括底部120以及收容部121。收容部121从底部120延伸而出，底部120以及收容部121一体成型。底部120为正方形或圆形。底部120为正方形时，正方形边长为d。底部120为圆形时，圆形直径为d。收容部121为圆柱形的中空结构。收容部121的直径为d，底部120的直径d为收容部121直径d的整数倍，即d＝nd。壳体12的底部120与基板11贴合并固定于基板11。收容部121用于收容引线13以及背衬块14。
41.引线13安装于壳体12的收容部121并通过基板11的通孔与外部电源和设备连接。
42.背衬块14收容于壳体12的收容部121，背衬块14与引线13电性连接。
43.换能器15固定于收容部121远离底部120的端部，换能器15外露于收容部121。换能器15与背衬块14连接。换能器15呈圆形，换能器15的直径为d，与收容部121直径相同。请继续参阅图3，换能器15产生超声声波，声波信号进入待检样品20内部并发生反射，反射波被换能器15接收并获得反射信号。
44.若干个换能器阵元10的基板11相互连接，使若干个换能器阵元10相互固定形成二维阵列换能器。此时若干个换能器阵元10的基板11位于同一平面上。在此实施例中，换能器阵元10的数量为n*m个，n、m为整数。二维阵列换能器覆盖成像面积为n*m*d2。换能器15的工作频率为fc＝20mhz以上，满足不同的成像需求，一般地，待检样品20厚度值越大，工作频率应越低。
45.请继续参阅图4至图8，使用二维阵列换能器时，将待检样品20分隔若干个为数量为n*m块等大的正方形区域，每一小块面积为d2，如图4所示；扫描时，二维阵列换能器整体通过外部机械结构带动进行二维移动，每一个换能器阵元10完成对应位置小块区域的逐点扫描，阵元的扫描行进轨迹如图5所示，在每一个扫描点的位置获取对应点的回波信息。将二维阵列换能器移动至剩余检测区域进行检测。
46.在每一个点位置，换能器阵元10获取的回波信息如图6所示，声波在结构或物质密度不连续的位置时，一般具有较强的回波信号。信号的处理有两种方式，一种是只需记录信号的包络作为有效信号；需要获取其相位信息时，则需同时记录信号的幅值与其正负信息。
结束扫描后，最终获得的是包含有位置信息的三维体数据。
47.获取扫描数据后，图像的显示方法如下：
48.1.a型显示，即单扫描点数据的显示，如图6所示，可以显示感兴趣点的回波情况，包括其回波波形、幅值、包络等；
49.2.b型成像显示，即特定垂直切面的二维图像显示，如图7所示，此时取成像切面所包含的扫描点的回波包络，经过量化转化为灰度图像并显示。
50.3.c型成像显示，即特定深度水平切面的二维图像显示，如图8所示，此时取每个扫描点特定深度的回波幅值与相位，经过量化、映射着色后转化为彩色图像并显示。c型三维显示，在c型成像的数据上，将量化后的数据按照其幅值大小以高度的形式显示，从而获取c型图像的三维显示。三维显示，将获得的三维体数据经过三维滤波、平面重构、边缘增强、着色、渲染后，按三维体绘制(3d rendering)技术进行显示。
51.本发明还涉及一种通过上述二维阵列换能器实施的二维阵列换能器显微成像方法，包括以下步骤：
52.将待检样品20分隔为若干块大小为n*m*d2的检测区域，n以及m为整数，d为基板11边长；
53.每一所述检测区域分割成n*m个检测单元21，每一所述检测单元21面积为d2；
54.二维阵列换能器在待检样品20的一检测区域上进行二维移动，每一换能器阵元10在一检测单元21内二维移动，在每一个扫描点的位置获取对应点的扫描数据；
55.将二维阵列换能器移动至剩余检测区域进行检测；
56.将扫描数据采用a型显示、b型成像显示以及c型三维显示中的一种或多种显示方法显示成像。二维移动的移动轨迹为若干首尾相连的直线。扫描数据为含有位置信息的三维体数据。
57.本技术使二维阵列换能器在待检样品20的一检测区域上进行二维移动，每一换能器阵元10在一检测单元21内二维移动，在每一个扫描点的位置获取对应点的扫描数据；通过二维阵列的方法减少扫描次数，增大位置精度，减少扫描时间，从而实现高质量大面积的声学显微成像。
58.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。