具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。

针对以上问题，本申请实施例提供了一种基于超声显微镜点聚焦换能器的自动对焦技术，该技术可以有效解决超声显微镜点聚焦换能器对焦速度慢与精度低的问题，提高超声显微镜的成像质量和无损检测效率。如图3所示，所述方法包括如下步骤：

步骤301：取得试件表面的A扫描信号图像。

步骤302：设置对焦参数，所述对焦参数包括点聚焦换能器的延时参数、焦距参数和中介液温度参数。

步骤303：根据中介液温度对中介液中的声速进行修正，通过点聚焦换能器声学透镜的焦距、延时参数计算上表面自动对焦的位置，以移动所述点聚焦换能器到所述位置完成上表面自动对焦。

步骤304：通过离散小波分解和维纳反卷积对A扫描信号进行解析，得到试件的分层信息。

步骤305：根据试件的分层信息选择目标对焦中间层反射信号。

步骤306：移动换能器找到中间层反射信号最大的概略位置点坐标。

步骤307：移动点聚焦换能器回到最大的位置点坐标的上一坐标点。

步骤308：移动点聚焦换能器，找到反射信号最大值的精确位置点坐标，以完成自动对焦。

在一种可能的实施方式中，在步骤302中，所述点聚焦换能器焦距参数按照如下公式(1)计算：

F_L＝R/(1-c₀/c₁)……公式(1)

其中，R为声学透镜的曲率半径，c₀表示中介液中的声速，c₁表示透镜中的声速。

在一种可能的实施方式中，所述A扫描信号是由被检测件内部M层结构的复杂反射波所组成的，所述A扫描信号的模型为公式(2)所示：

其中，n(t)为噪声函数，*表示卷积，x(t)为入射信号函数；如果不考虑噪声，y(t)为x(t)和r(t)的卷积。

在一种可能的实施方式中，在步骤306中，所述移动换能器找到中间层反射信号最大的位置点坐标，包括：控制换能器在Z轴方向以设定距离的步进向试件上表面垂直移动，对采样的A扫描信号进行解析，得到中间层的反射信号；判断所述中间层反射信号逐渐增强还是减弱，若逐渐减弱，则分层反射信号的最大值出现在最后两个设定距离步进坐标点之间。

在一种可能的实施方式中，在步骤308中，所述移动点聚焦换能器，找到反射信号最大值的精确位置，以完成自动对焦，包括：在每次移动点聚焦换能器的过程中，采集A扫描信号对信号进行解析，判断所述中间层反射信号逐渐增强还是减弱，若逐渐减弱，确定分层反射信号的最大值和其对应的Z轴坐标，将超声波换能器移动到所述坐标上，完成中间层自动对焦。

为了使得本申请实施例提供的一种面向超声显微镜点聚焦换能器对试件中间层自动对焦方法更加清晰，现在结合图4对本申请实施例进行进一步详细说明：

步骤(1)中，取得样品表面的初始A扫描回波信号图像。

步骤(2)中，设置相关参数，包括：超声换能器的延时、焦距、中介液 (一般为水)的温度。

步骤(3)中，程序根据水温对水中的声速进行精确修正，通过换能器声学透镜的焦距、延时精确计算出上表面自动对焦的精确位置，移动点聚焦换能器到该位置完成上表面自动对焦。

图2示出了点聚焦超声换能器聚焦原理图，其中点聚焦换能器的焦距计算公式可以按照公式(3)计算：

F_L＝R/(1-c₀/c₁)……公式(3)

其中，R为声学透镜的曲率半径，c₀表示水中的声速，c₁表示透镜中的声速，令t为声波到达换能器平面T的时间，则有公式(4)：

t＝2L/c₀+2H/c₁……公式(4)

其中，2H/c₁即为超声波换能器的延迟时间t_d。

为了更精确的计算对焦位置，本申请实施例考虑了温度对水中声速的影响，对不同温度下的声速进行了修正，如公式(5)：

c₀＝1452(1+2.9376×10^-5temp+1.90574×10^-6temp²)……公式(5)

超声波扫描显微镜以声程时间t来表示Z轴的坐标位置。由式(8-9)可知，当t＝2F_L/c₀+t_d时，声程时间t即为Z轴的坐标位置，参数F_L，c₀，t_d全部已知，因此自动上表面对焦完成。

步骤(4)中，对A扫描信号进行解析，得到试件的分层信息。

A扫描信号是由被检测件内部多层结构的复杂反射波所组成的，超声信号的反射率r(t)是超声波扫描显微镜的脉冲响应函数，x(t)是入射信号函数，y(t) 是观测到的A扫描信号。超声信号的反射率r(t)按照公式(6)计算：

Z₁和Z₂分别为水和试件的声阻抗，这里以倒装芯片的反射信号进行说明，如图5(a)，令上表面完成对焦后的Z轴坐标位置为坐标原点。

假设被检测件共有M层，A扫描信号的模型可以表述为公式(7)：

式中，n(t)为噪声；*表示卷积，x(t)为入射信号。如果不考虑噪声，y(t)就可以看作是x(t)和r(t)的卷积。

在对复杂多层结构试件进行扫描成像和无损检测时，特别是芯片这样的复杂多层结构，由于的试件制造工艺，分层结构的厚度往往低于点聚焦换能器声学信号的波长，因此很多情况下会出现信号的叠加，例如在倒装芯片的焊接层中如图5，s(t₁)、s(t₂)、s(t₃)分别是上表面层、焊接层、基板层的回波信号，当焊接层的厚度大于点聚焦换能器的波长时，回波信号s(t₂)和s(t₃)有较好的分离度，当焊接层的厚度小于点聚焦换能器的波长时，回波信号s(t₂)和s(t₃)出现了相互叠加，此时无法找到焊接层、基板层的回波信号，因此也无法完成中间层自动对焦。

本申请实施例采用离散小波分解对超声信号进行多尺度分析，离散小波变换可以利用子波段滤波将信号分解为不同的频段；将小波分析与反卷积相结合，实现对超声回波信号的子带分解。根据Mallat算法，信号可以如公式(8) 分解为表达式中的以下两部分：

式中，为离散近似，为离散细节，h₀和h₁分别为分解低通和高通滤波系数。为降低非零系数，本实施例选择形状与函数超声信号波形相似的 daubechies、Coiflet等小波基函数作为母小波。它可对信号进行N次分解，2^N为待分解信号长度。所分解到的尺度根据采样点数和噪声大小等实际情况确定，分解尺度过高会导致时域分辨率降低，过低则噪声得不到有效抑制。在本申请实施例中，分解系数被设置为2-3。低频带内信号保存了有用信号的大量信息，因此选择同样的母小波函数，对进行单支重建，得到重建后信号以作为后续处理的输入信号。

小波分解之后，采用维纳反卷积滤波(Wiener)继续对地频带内的信号进行处理，维纳反卷积是一种广泛应用于信号和图像处理的反卷积方法。维纳反卷积滤波器可以表示为公式(9)：

式中，R(ω)和Y(ω)分别是r(t)和y(t)的傅里叶变换，X(ω)为入射信号x(t)的能量密度谱，Q为噪声阻滞因子，本申请实施例中Q的值被设置为|X(ω)|²最大值的1％。传统的维纳反卷积假设入射信号的频率在传播中保持不变。然而， A扫描信号在传播过程中具有较大的波形失真。频率和振幅将不断降低，传统的维纳反卷积不适合处理超声波扫描显微镜的回波信号。因此，首先离散小波对超声波信号进行预处理，消除传输过程中的信号失真，可以提高维纳反卷积的滤波效果差，如附图6和图7，原本叠加在一起的回波信息可以被较好的进行分离。

步骤(5)中，选择需要进行对焦的中间层反射信号。

通过离散小波和维纳反卷积对分层信号进行解析之后，交叠信号得到了分离，可以准确的找到分离后的中间层反射信号，选定需要对焦的中间层。

步骤(6)中，移动换能器找到反射信号最大值坐标。程序控制点聚焦换能器沿Z轴方向以10微米的步进向试件垂直移动。每移动一个步进，采集A 扫描信号对信号进行解析，记录并寻找中间层反射信号最大的位置点坐标。

概略对焦过程开始后，控制换能器在Z轴方向以10微米的步进向试件上表面垂直移动，对采样的A扫描信号进行解析，得到中间层的反射信号，此时中间层反射信号会逐渐增强，若发现反射信号减弱，即说明分层反射信号的最大值出现在最后两个10微米步进坐标点之间。如果将这个过程中反射信号的强度作为纵坐标，Z轴位移作为横坐标，即可以得到图8中的反射信号对焦曲线。

步骤(7)，移动换能器回到该最大值的上一节点。将超声波换能器移动到该位置的上一个步进坐标点，完成中间层概略对焦。

在图8中，找到曲线概略的最大反射位置之后，将超声波换能器移动到该位置的前一个步进坐标，准备开始精确对焦过程。

步骤(8)，精确找到最大的反射面。以1微米的步进继续沿Z轴向试件移动点聚焦换能器，找到反射信号最大值的精确位置，完成自动对焦。

在每次移动的过程中，采集A扫描信号对信号进行解析，此时中间层反射信号会逐渐增强，若发现反射信号减弱，即可得到分层反射信号的最大值和其对应的Z轴坐标，将超声波换能器移动到该坐标上，即完成中间层精确对焦。图6和图7就是使用本完成对焦并扫描成像的效果图，分别对反射信号 S2的中间层进行对焦和对反射信号S3的中间层进行对焦。

与现在普遍采用的人工对焦技术相比，本申请实施例提供的超声显微镜点聚焦换能器的自动对焦技术，有效提高超声显微镜点聚焦换能器在使用过程中的对焦速度和准确性，极大减少对焦过程由人为操作带来的随机性和不确定性，降低对操作人员技术水平与工作经验的依赖程度，减轻操作复杂性，提高工作效率。

本申请实施例公开了一种面向超声显微镜点聚焦换能器的自动对焦技术，包括采集设计的A扫描信号，设定点聚焦换能器参数和温度参数，自动完成上表面对焦，对信号进行解析找到中间反射层，移动点聚焦换能器找到中间层范围信号幅值的最大位置，完成中间层自动对焦。上自动对焦过程根据水温对水中的声速进行了精确的修正。对反射信号解析的过程中，使用离散小波和维纳反卷积滤波对交叠信号进行了分离处理，可以清晰的定位到中间层的反射信号。可以有效解决超声显微镜点聚焦换能器对焦速度慢与精度低的问题，提高超声显微镜的成像质量和无损检测效率。

综上所述，本申请实施例提供了一种基于超声显微镜点聚焦换能器的自动对焦方法和系统，通过取得试件表面的A扫描信号图像；设置对焦参数，所述对焦参数包括点聚焦换能器的延时参数、焦距参数和中介液温度参数；根据中介液温度对中介液中的声速进行修正，通过点聚焦换能器声学透镜的焦距、延时参数计算上表面自动对焦的位置，以移动所述点聚焦换能器到所述位置完成上表面自动对焦；通过离散小波分解和维纳反卷积对A扫描信号进行解析，得到试件的分层信息；根据试件的分层信息选择目标对焦中间层反射信号；移动换能器找到中间层反射信号最大的概略位置点坐标；移动点聚焦换能器回到最大的位置点坐标的上一坐标点；移动点聚焦换能器，找到反射信号最大值的精确位置点坐标，以完成自动对焦。有效提高超声显微镜点聚焦换能器在使用过程中的对焦速度和准确性，极大减少对焦过程由人为操作带来的随机性和不确定性，降低对操作人员技术水平与工作经验的依赖程度，减轻操作复杂性，提高工作效率。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种基于超声显微镜点聚焦换能器的自动对焦系统，如图9所示，所述系统包括：

初始信号获取模块901，用于取得试件表面的A扫描信号图像。

对焦参数计算模块902，用于设置对焦参数，所述对焦参数包括点聚焦换能器的延时参数、焦距参数和中介液温度参数。

上表面自动对焦模块903，用于根据中介液温度对中介液中的声速进行修正，通过点聚焦换能器声学透镜的焦距、延时参数计算上表面自动对焦的位置，以移动所述点聚焦换能器到所述位置完成上表面自动对焦。

分层信息计算模块904，用于通过离散小波分解和维纳反卷积对A扫描信号进行解析，得到试件的分层信息。

目标对焦中间层反射信号确定模块905，用于根据试件的分层信息选择目标对焦中间层反射信号。

反射信号最大的位置点坐标确定模块906，用于移动换能器找到中间层反射信号最大的位置点坐标。

中间层概略对焦模块907，用于移动点聚焦换能器回到最大的概略位置点坐标的上一坐标点。

自动对焦模块908，用于移动点聚焦换能器，找到反射信号最大值的精确位置点坐标，以完成自动对焦。

可选地，所述对焦参数计算模块902中，所述点聚焦换能器焦距参数按照如下公式(1)计算。

在一种可能的实施方式中，所述A扫描信号是由被检测件内部M层结构的复杂反射波所组成的，所述A扫描信号的模型如公式(2)所示。

在一种可能的实施方式中，所述反射信号最大的位置点坐标确定模块 906，具体用于：控制换能器在Z轴方向以设定距离的步进向试件上表面垂直移动，对采样的A扫描信号进行解析，得到中间层的反射信号；判断所述中间层反射信号逐渐增强还是减弱，若逐渐减弱，则分层反射信号的最大值出现在最后两个设定距离步进坐标点之间。

可选地，所述自动对焦模块908，具体用于：在每次移动点聚焦换能器的过程中，采集A扫描信号对信号进行解析，判断所述中间层反射信号逐渐增强还是减弱，若逐渐减弱，确定分层反射信号的最大值和其对应的Z轴坐标，将超声波换能器移动到所述坐标上，完成中间层自动对焦。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种设备，所述设备包括：数据采集装置、处理器和存储器；所述数据采集装置用于采集数据；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于执行一个或多个程序指令，用以执行所述的方法。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质中包含一个或多个程序指令，所述一个或多个程序指令用于执行所述的方法。

本说明书中上述方法的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

上述实施例阐明的单元、装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。