Сканирующий акустический микроскоп
SCANNING ACOUSTIC MICROSCOPE

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для бесконтактного ультразвукового контроля изделий, в акустических микроскопах и дефектоскопах.
Устройства звуковидения используются для получения оптически видимых изображений различных объектов искусственного и естественного происхождения с помощью акустических волн [П. Грегуш. Звуковидение. М.: Мир, 1982, 230 с.]. В зависимости от назначения и используемого диапазона частот применяют устройства линзового звуковидения, при котором для построения акустического изображения объекта используется звуковая (акустическая) оптика. Объект "освещается" звуковым (акустическим) полем от излучателя, а акустическая линза создает звуковое изображение объекта в некоторой плоскости, где устанавливается приемное акустическое устройство, преобразующее распределение поля давлений либо непосредственно в оптическое изображение, либо в электрический сигнал с последующим преобразованием в оптическое изображение.
В линзовой акустической микроскопии сфокусированный в точку ультразвуковой пучок перемещается по объекту, изображение которого воссоздается по точкам в виде растра. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна. Эти размеры согласно теории дифракции равны не менее длины волны ультразвуковых колебаний в данной среде.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука. - 1970]:
-1
h=2.44 λFD,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости и определяет качество получаемого изображения. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.
Для исследования упруго-вязкостных свойств различных объектов с высоким пространственным разрешением используется сканирующий линзовый акустический микроскоп [Maev R. Advances in acoustic microscopy and high resolution imaging: from principles to applications. Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2013. 400 р.]. В типичной конфокальной схеме микроскопа излучение зондирующей ультразвуковой волны и прием отраженной образцом волны осуществляются одиночным преобразователем, расположенным на торце цилиндрического звукопровода выполненного, например, из полистирола с акустической плоско-вогнутой сферической линзой, расположенной на другом плоском конце звукопровода [С.А. Титов, Р.Г. Маев. Линзовый акустический микроскоп с двумерной ультразвуковой решеткой // Письма в ЖТФ, 2016, том 42, вып. 9, с. 8-15].
Недостатком данного устройства являются большие габариты линзы, порядка 100λ, где λ длина используемого излучения и низкие поперечное и продольное разрешения.
Известен способ и устройства формирования изображения объектов в акустическом диапазоне длин волн, например, по патенту РФ №79219, патентам США №№4028933, 4563900, включающий формирование излучения в акустическом диапазоне длин волн, облучение источником акустического излучения формирующей системы в виде акустической линзы, фокусировку излучения формирующей системой на объекте исследования, размещение между фокусирующей системой и объектом исследования иммерсионной среды, прием прошедшего или отраженного излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта наблюдения.
Недостатком данного способа и устройства реализующего способ является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.
Из технической литературы известно, что методы субволновой фокусировки на основе эффекта фотонной струи могут быть успешно применены в акустическом диапазоне. Формально, это можно утверждать на основе аналогии между уравнениями, описывающими акустические и электромагнитные волновые процессы [T. Miyashita and С. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Минин И.В., Минин O.B. Квазиоптика: современные теденции развития [Текст]: монография. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.]. Понятие акустоструи (acoustojets) как аналога фотонной струи в оптике был впервые введено в работах [I.V. Mininand O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv:1604.08146 (2016);
O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017);
J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].
Акустоструя - это область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.
Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы и окружающей среды [J.H. Lopes, М. А.В. Andrade, J.P.  J.С. Adamowski, I.V. Minin, and G.T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Applied 8, 024013 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013.; Минин И.В., Минин O.B. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244.]. Причем с увеличением этого параметра возрастает максимальное значение давления в акустической струе и увеличивается пространственное разрешение такой мезоразмерной линзы.
Первое упоминание фокусирующих акустических устройств, формирующих акустострую, как аналога фотонной струи в оптике, было в патенте РФ 167049, акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Акустическая линза выполнена с возможностью формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Линза выполнена в виде трехмерной частицы, например, в виде сферы, цилиндра, кубоида, пирамиды с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1.1 и относительным волновым сопротивлением не более 25. Акустическая линза формирует область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения.
В патенте РФ 170911 предложена газонаполненная акустическая линза в форме кубоида или сферы. При этом оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83. При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.
Сильная концентрация акустического излучения в области субволнового измерения широко исследуется для локализации и усиления взаимодействия акустического излучения и вещества в различных областях применения, таких как формирования изображений объектов с субдифракционным разрешением, в сканирующем акустическом микроскопе, для управления в пространстве нано и микрочастицами, в акустических датчиках, для неинвазивного лечения гипертермией опухолевых тканей, в печатающих головках акустических принтеров, в ультразвуковых устройствах для регистрации папиллярного узора пальца с высоким разрешением и т.д.
В способе по патенту РФ 2654387, предложено для формирования изображений объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн разместить в области фокусировки излучения формирующей системы мезомерную частицу с характерным размером, не превышающим поперечного размера фокусирующей области и не менее λ/2, где λ-длина волны используемого в среде излучения, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, на ее внешней границе из падающего излучения формируют область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и длиной не более 10λ и помещают в эту область объект наблюдения.
Устройство, реализующий предложенный способ реализовано в сканирующем акустическом микроскопе, патент РФ 172340, которое выбрано в качестве прототипа. Сканирующий акустический микроскоп, содержит акустический преобразователь, расположенный на торце звукопровода с акустической плоско-вогнутой сферической линзой, расположенной на другом плоском конце звукопровода, мезоразмерной частицы с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83 размещенной в области фокуса плоско-вогнутой сферической линзы, приемный акустический преобразователь, иммерсионную среду, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве.
Достоинством сканирующего акустического микроскопа является высокое поперечное разрешение, превышающее дифракционный предел.
Недостатком устройства является низкое продольное разрешение и большие габариты устройства, обусловленные большим фокусным расстоянием линзы, составляющим более примерно от нескольких до сотен длин волн акустического излучения.
В зависимости от того, какая часть излучения после взаимодействия с объектом регистрируется, различают акустические микроскопы «на отражение», на «пропускание».
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение продольного разрешения акустической формирующей системы.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства - улучшение разрешающей способности акустических систем построения изображения исследуемых объектов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в сканирующем акустическом микроскопе, содержащем акустический преобразователь, расположенный на торце звукопровода с акустической плоско-вогнутой сферической линзой, расположенной на другом конце звукопровода, мезоразмерной звукопроводящей частицы, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83 размещенной в области фокуса плоско-вогнутой сферической линзы, приемный акустический преобразователь, иммерсионнуюсреду, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, новым является то, что непосредственно на торце звукопровода, противоположном передающему акустическому элементу, расположена линза в виде мезоразмерной звукопроводящей частицы в форме шара с диаметром d не менее 10λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, а на ее теневой поверхности вдоль оптической оси расположена вторая шарообразная мезоразмерная частица с диаметром, находящимся в диапазоне, примерно равном от 0.3 d до 0.45d, и формирующая акустострую. Кроме того, передающий и приемные акустические элементы могут быть совмещены. Кроме того, импеданс материала мезоразмерных частиц выбирают примерно равным импеданса иммерсионной среды. Кроме того, в качестве материала мезоразмерных частиц используется рексолит. Кроме того, в качестве материала звукопровода используется рексолит. Кроме того, торцевая поверхность звукопровода прилегающая к мезоразмерной звукопроводящей частице в форме шара, выполнена сферически вогнутой с радиусом равным d/2.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что если разместить вторую мезоразмерную зукопроводящую частицу со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83 в области акустоструи, то можно уменьшить ее протяженность.
При добавлении на теневую поверхность первой мезоразмерной частицы по ее оптической оси второй звукопроводящей частицы меньшего диаметра, увеличивается продольное разрешение фокусирующей системы. Было установлено, что в такой формирующей системе увеличилось поперечное разрешение примерно в 1.6 раза (0.36 λ), продольное разрешение примерно в 2 раза (1.26 λ), а интенсивность акустического поля возросла при этом в 4.7 раз.
При диаметре второй звукопроводящей частицы в форме шара менее примерно 0.3d, где d диаметр первой частицы, параметры формируемой акустоструи практически не изменяются. При диаметре второй звукопроводящей частицы в форме шара более примерно 0.45d, где d диаметр первой частицы, максимум интенсивности акустического поля формируется внутри материала частицы. При диаметре первой звукопроводящей частицы менее 10λ, диаметр второй частицы становится слишком малым и она не может формировать акустострую.
th
При использовании в качестве иммерсионной среды воду, из-за малой разницы акустического импеданса по отношению к воде и с учетом результатов [J.H. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin & G.T. Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Appl. 8, (2017), 024013.] целесообразно в качестве материала для звукопроводящих частиц и звукопровода использовать диэлектрический материал Rexolite. Его можно легко подвергнуть механической обработке. Это экологически чистый материал, так как не содержит вредных для него ингредиентов [C. Cadot, J.-F. Saillant, and B. Dulmet, Method for Acoustic Characterization of Materials in Temperature, in Proceedings of the 19 World Conference on Non-Destructive Testing 2016, Munich, 2016, http://ndt.net/?id-19542.; http://www.rexolite.com/general-qualities/].
вода
вода
lRexolite
sRexotite
Rexolite
3
3
При моделировании использовались характеристики с типичными значениями скорости звука (C) и плотности (ρ) (С = 1500 м/с и ρ = 1000 кг/м). Для Rexolite продольная скорость звука C = 337 м/с, поперечная скорость звука C = 1157 м/с, а плотность ρ = 1049 кг/м [O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, (2017), 54; J.H. Lopes, J.P.  I.V. Minin, О.V. Minin, and G.T. Silva, A theoretical analysis of jets, in Proceedings of the 22nd International Congress on Acoustics (ICA 2016), Buenos Aires, 2016.].
В отличие от электромагнитных волн в упругой среде могут распространяться как продольные волны, при которых смещения частиц среды осуществляется в направлении распространения акустической волны, так и поперечные волны, у которых смещения частиц перпендикулярны распространению акустической волны [Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. - М.: Наука, 1981. - 287 с.].
Как правило, поперечная скорость звука примерно в два раза меньше продольной скорости звука.
Из теории известно, что с увеличением относительного показателя преломления в акустике, формируемая акустоструя приближается к теневой границе звукопроводящей частицы и при значении примерно более 1.8 формируется внутри тела частицы. Таким образом, в первом приближении, для поперечной скорости звука формирование акустоструи может происходить только внутри тела частицы и не влияет на формирование акустоструи вне тела частицы.
На фиг. 1 схематически изображен сканирующий акустический микроскоп, работающий в режиме на отражение.
На Фиг. 2. Приведены результаты формирования акустоструи звукопроводящей частицей в форме шара с диаметром 9λ и из материала с относительной продольной скорости звука равной 0.67 при облучении ее волной с плоским волновым фронтом (а). Акустоструя имеет протяженность примерно равную 2.85λ и поперечные размеры 0.6λ. На фиг. (б) к теневой поверхности первой частицы непосредственно присоединена вторая звукопроводящая частица диаметром примерно 3λ
Устройство сканирующего акустического микроскопа содержит генератор 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, звукопровод 3, мезоразмерная звукопроводящая частица диаметра d 4, вторая мезоразмерная звукопроводящая частица 5, формируемую область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6, жидкостную ячейку (иммерсионная среда) 7, исследуемый объект 8, приемный акустический элемент 9, устройство механического сканирования 10, видеоконтрольное устройство 11.
Устройство работает следующим образом.
3
3
Сканирующий акустический микроскоп содержит в качестве передающего акустического элемента звукопровод из рексолита с пьезоэлектрическим преобразователем из LiNBO 2, мезоразмерную звукопроводящую частицу диаметра d 4 и вторую мезоразмерную звукопроводящую частицу из рексалита в форме шарика 5. Внешняя поверхность первой мезоразмерной звукопроводящей частицы 4, мезоразмерная частица 5 и исследуемый объект 8 находятся в жидкостной ячейке 7. Сигнал с генератора 1 возбуждает пьезопреобразователь 2 на необходимой частоте. В фокальной плоскости второй мезоразмерной частицы 5 установлен исследуемый объект 8. Формируемая ею область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6 сканируется исследуемый объект 8 с помощью сканирующего устройства 10. Приемный элемент 7, выполненный, например, из из LiNBO Принятый сигнал, синхронизированный со сканирующим устройством 10, подается на видеоконтрольное устройство 11.
Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в материала частицы может использоваться рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645, формы частиц шарообразная с характерным размером 9λ и 3λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнуто поперечное разрешение, превышающее поперечное разрешение по прототипу в 1.6 раза. Достигнуто продольное разрешение, превышающее продольное разрешение по прототипу в 2 раза.
Кроме того, повышение пространственного разрешения в предлагаемом устройстве приводит к одновременному повышению интенсивности акустического поля на объекте исследования без повышения интенсивности излучения источника акустического поля.