第7讲超声成像及超声显微镜

1、第第7 7讲讲 超声成像和超声成像和 超声显微镜超声显微镜 C C型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的断面构图像。断面构图像。与与B B型成像不同的是：型成像不同的是：C C型成像中，声束型成像中，声束不仅要沿不仅要沿x x方向扫描，而且还要沿方向扫描，而且还要沿y y方向扫描，即是方向扫描，即是面面扫描扫描( (二维扫描二维扫描) )，而不是线扫描而不是线扫描( (一维扫描一维扫描) )。为获得。为获得某一与声束垂直的某一与声束垂直的z zz z0 0断面的清晰图像，扫描声束应断面的清晰图像，扫描声束应聚焦于该平面，并由换能器接收到的散射声信号中选

2、聚焦于该平面，并由换能器接收到的散射声信号中选取对应于从取对应于从z zz z0 0处散射回来信号幅度调制荧光屏上与处散射回来信号幅度调制荧光屏上与物体物体(x(x，y)y)坐标相应光点的亮度，以获得坐标相应光点的亮度，以获得z zz z0 0断面的断面的声像显示。声像显示。3.5.2 C3.5.2 C型成像（型成像（C C扫描）与扫描）与F F型成像型成像(F(F扫描扫描) ) F F型成像与型成像与C C型成像在原理上十分相似型成像在原理上十分相似其区别在于，其区别在于，C C型成像断面为与声束垂直的断面型成像断面为与声束垂直的断面( ( ，为常数，为常数) )，而，而F F型成像断面可为

3、任意平面或曲面（型成像断面可为任意平面或曲面（ ）。为保证）。为保证F F型成像断面内图像的分辨率，扫描声束的聚焦位置应型成像断面内图像的分辨率，扫描声束的聚焦位置应可调，为使焦点落在成像断面内，即对应于不同扫描可调，为使焦点落在成像断面内，即对应于不同扫描位置的焦距位置的焦距 也应满足：也应满足： 3.5.2 C3.5.2 C型成像（型成像（C C扫描）与扫描）与F F型成像型成像(F(F扫描扫描) )xyC C型扫描成像型扫描成像 0zz0z,zf x yfz,fzf x y 由于由于C C型及型及F F型成像与型成像与B B型成像的主要区别在于扫描型成像的主要区别在于扫描方式和成像断面不

4、同，由于方式和成像断面不同，由于C C型和型和F F型成像需用面扫描型成像需用面扫描( (电子扫描中，采用换能器面阵电子扫描中，采用换能器面阵) )，这带来，这带来电子线路和电子线路和换能器制作的复杂性，且很费时，难以获得实时动态换能器制作的复杂性，且很费时，难以获得实时动态显示，这就限制了其实际应用，因而至今这两种方式显示，这就限制了其实际应用，因而至今这两种方式的成像仪器尚未广泛进入市场。的成像仪器尚未广泛进入市场。3.5.2 C3.5.2 C型成像（型成像（C C扫描）与扫描）与F F型成像型成像(F(F扫描扫描) )xyC C型扫描成像型扫描成像 超声超声CTCT成像是由成像是由X X

5、光光CTCT成像引伸而来。成像引伸而来。CTCT是英文是英文Computed Tomography (Computed Tomography (计算机断层像计算机断层像) )的缩写。用这的缩写。用这种成像方法可获得种成像方法可获得声速、声衰减系数、声散射系数及声速、声衰减系数、声散射系数及非线性参数等的定量图像非线性参数等的定量图像。目前研究的超声。目前研究的超声CTCT成像法成像法主要有主要有透射型和反射型透射型和反射型两种。而图像的重建则基于两两种。而图像的重建则基于两种理论，种理论，射线理论和衍射理论射线理论和衍射理论。衍射理论即波动声学。衍射理论即波动声学理论，将介质看成声学参量理论，

6、将介质看成声学参量( (密度密度 、声速、声速 等等) )连续连续变化的非均匀体，其中声波的传播可通过波动方程的变化的非均匀体，其中声波的传播可通过波动方程的解来描述。解来描述。3.5.3 3.5.3 超声超声CTCT成像成像c 将这种理论用于图像重建时，必须作相应的简化将这种理论用于图像重建时，必须作相应的简化假定假定( (如如 为常数，为常数， 的变化很小等的变化很小等) )，并采用近似求，并采用近似求解波动方程。而这些近似往往引入相当大的误差，致解波动方程。而这些近似往往引入相当大的误差，致使衍射理论用于重建像的效果并不比射线理论高明，使衍射理论用于重建像的效果并不比射线理论高明，相反却

7、带来重建计算的复杂性相反却带来重建计算的复杂性。因此，在实际中，射。因此，在实际中，射线理论的图像重建方法使用较多。在这里，我们以透线理论的图像重建方法使用较多。在这里，我们以透射型为例。介绍射线理论的图像重建方法。射型为例。介绍射线理论的图像重建方法。3.5.3 3.5.3 超声超声CTCT成像成像c 采用换能器阵列，各阵采用换能器阵列，各阵元作为点源发射，照射整个元作为点源发射，照射整个物体，接收来自物体各点的物体，接收来自物体各点的散射声信号并加以储存然后散射声信号并加以储存然后根据各成像点的空间位置，根据各成像点的空间位置，对各换能器元接收的信号引对各换能器元接收的信号引入适当延迟，以

8、获得被成像入适当延迟，以获得被成像物体的逐点聚焦声像，这种物体的逐点聚焦声像，这种成像方式称为合成孔径成像。成像方式称为合成孔径成像。合成孔径聚焦方式又分为相合成孔径聚焦方式又分为相延和时延聚焦两种，如图所延和时延聚焦两种，如图所示。示。3.5.4 3.5.4 合成孔径成像合成孔径成像 图图(a)(a)所示的为相延聚所示的为相延聚焦，即对各换能器阵元焦，即对各换能器阵元(1(1，2 2，n)n)所接收到所接收到 的的 散 射 信 号 引 入 适 当 的 相散 射 信 号 引 入 适 当 的 相延延 ，然后叠加输出。，然后叠加输出。当当 的选择正好是按的选择正好是按对对 聚焦时，各通道的聚焦时，

9、各通道的信号正好同相叠加，因而输信号正好同相叠加，因而输出最大，即通过相延实现了出最大，即通过相延实现了对对 点 的 聚 焦 。 改点 的 聚 焦 。 改变变 ，即可移动聚焦，即可移动聚焦点。点。3.5.4 3.5.4 合成孔径成像合成孔径成像12,.n 12,.n 00,x z00,x z00,x z12,.n 图图(b)(b)则示出时延聚焦，则示出时延聚焦，即按照欲成像点的位置，适即按照欲成像点的位置，适当 选 择 各 通 道 信 号 的 时当 选 择 各 通 道 信 号 的 时延延 ，使得来自该点，使得来自该点的信号同相叠加，从而实现的信号同相叠加，从而实现聚焦。聚焦。3.5.4 3.5

10、.4 合成孔径成像合成孔径成像12,.n 一般说来，采用相延的合成孔径成像，需要用较一般说来，采用相延的合成孔径成像，需要用较长的脉冲以保证整个孔径的有效利用，但这却会带来长的脉冲以保证整个孔径的有效利用，但这却会带来全息成像的缺点。全息成像的缺点。因为相位相差若干个整周期的信号因为相位相差若干个整周期的信号也可以同相叠加，造成孪生像的问题也可以同相叠加，造成孪生像的问题。如果采用时延。如果采用时延方式，则可使用只有一两周或数周的短脉冲，这样，方式，则可使用只有一两周或数周的短脉冲，这样，距离较远的两个点的散射信号不能互相叠加距离较远的两个点的散射信号不能互相叠加，因而旁，因而旁瓣问题可以减少

11、，孪生像可以消除。瓣问题可以减少，孪生像可以消除。当然，当然，如采用短如采用短脉冲，整个系统需要有足够的带宽。脉冲，整个系统需要有足够的带宽。 由于时延聚焦比起相延聚焦来优越性较多，合成由于时延聚焦比起相延聚焦来优越性较多，合成孔径成像系统多用时延聚焦。孔径成像系统多用时延聚焦。 3.5.4 3.5.4 合成孔径成像合成孔径成像 用于获得二维断层图像的合成孔径成像系统通常用于获得二维断层图像的合成孔径成像系统通常采用线孔径。上图为采用线孔径。上图为 元线阵在一个平面内元线阵在一个平面内( ( 平面平面) )成像的示意图。成像的示意图。设换能器和物体在设换能器和物体在 方向均为无穷大，方向均为无

12、穷大，故此问题为二维问题。故此问题为二维问题。各换能器元既作发射又作接收，各换能器元既作发射又作接收，用一短脉冲激励，所接收的声信号，经前后放大后记用一短脉冲激励，所接收的声信号，经前后放大后记录。录。3.5.4 3.5.4 合成孔径成像合成孔径成像Nxyy 设物体为位于设物体为位于 的一点源，当阵元的一点源，当阵元 工作时，工作时，接收信号相对于发射信号的时延为接收信号相对于发射信号的时延为 为得到整个为得到整个 平面内的像，需分别对该面内每一平面内的像，需分别对该面内每一个点个点 聚焦。聚焦。3.5.4 3.5.4 合成孔径成像合成孔径成像0, x z,0nx22002txxzcxz, x

13、 z 分别引入相应的时延分别引入相应的时延 于第个于第个 换能器所接收的换能器所接收的信号信号 式中式中 为常数，引入为常数，引入 的目的在于保证时延的目的在于保证时延 为为正值，正值，以便从电路上实现这一时延。以便从电路上实现这一时延。 与换能器之位置与换能器之位置无关，但可以根据无关，但可以根据 来选取适当的值。来选取适当的值。3.5.4 3.5.4 合成孔径成像合成孔径成像,0nxntn220002nttxxzc0t0tnt0tnx, x z 延迟后的信号经过一个选通门延迟后的信号经过一个选通门 ，其中，其中 为为选取的脉冲长度，然后将各换能器对应通道的信号进选取的脉冲长度，然后将各换能

14、器对应通道的信号进行线性或非线性叠加，再用所得总信号以适当方式调行线性或非线性叠加，再用所得总信号以适当方式调制荧光屏上对应点的亮度，则可得到制荧光屏上对应点的亮度，则可得到 平面的像显示。平面的像显示。通常这种时延方式的合成孔径成像，也称为逆投影重通常这种时延方式的合成孔径成像，也称为逆投影重建像。建像。3.5.4 3.5.4 合成孔径成像合成孔径成像,0nx00tttT Txz 合成孔径二维成像合成孔径二维成像( (线孔径线孔径) )与采用电子聚焦的与采用电子聚焦的B B型型成像有许多类似之处。合成孔径聚焦方式本质上与成像有许多类似之处。合成孔径聚焦方式本质上与B B型型成像的电子聚焦相同

15、，两种成像方法所得到的图像的成像的电子聚焦相同，两种成像方法所得到的图像的内容也相同。二者的主要区别在于，内容也相同。二者的主要区别在于，B B型成像的电子聚型成像的电子聚焦对发射信号和接收信号都进行了时延聚焦，发射声焦对发射信号和接收信号都进行了时延聚焦，发射声束是聚焦声束，束是聚焦声束，而合成孔径成像的聚焦只而合成孔径成像的聚焦只对接收信号对接收信号进行进行，发射声束为扩散声束，发射声束为扩散声束，B B型成像聚焦的焦距是固型成像聚焦的焦距是固定的，即使是电子动态聚焦，也只是取若干个聚焦点，定的，即使是电子动态聚焦，也只是取若干个聚焦点，其成像分辨率在焦点附近和其他位置有较大区别，其成像分

16、辨率在焦点附近和其他位置有较大区别，而而合成孔径成像则是对像平面内每一个像素点逐点进行合成孔径成像则是对像平面内每一个像素点逐点进行时延聚焦，整个成像孔径内各个位置的图像分辨率比时延聚焦，整个成像孔径内各个位置的图像分辨率比较接近。较接近。3.5.4 3.5.4 合成孔径成像合成孔径成像 声全息成像是将光全息原理引进声学领域后产生声全息成像是将光全息原理引进声学领域后产生的一种成像技术和数据处理手段。的一种成像技术和数据处理手段。早期的声全息完全早期的声全息完全模仿光全息方法。即用模仿光全息方法。即用一参考声束与频率相同的物体一参考声束与频率相同的物体声束相干，在记录平面内，叠加波为声束相干，

17、在记录平面内，叠加波为3.5.5 3.5.5 声全息成像声全息成像0rUUU式中式中 为物体波，为物体波， 为参考波。声强度为为参考波。声强度为0UrU22*000rrrIUUUUU UU U 式中上标式中上标* *指复共轭。记录此强度，即得到全息图。指复共轭。记录此强度，即得到全息图。用一束激光照射全息图，即得到分别与用一束激光照射全息图，即得到分别与 及及 相应的相应的两个像，称为孪生像。两个像，称为孪生像。 真实地反映了原物体，称为真实地反映了原物体，称为真像，是虚像；而真像，是虚像；而 则为其共轭像，是实像。则为其共轭像，是实像。0U*0U0U*0U 重建时如果所用的照明波与形成全息图

18、时所用的重建时如果所用的照明波与形成全息图时所用的波束的波长相同，那就如同光全息那样，重建像为与波束的波长相同，那就如同光全息那样，重建像为与原物完全相同的立体像。但在声全息中，为了获得可原物完全相同的立体像。但在声全息中，为了获得可见的重建像，重建波束必须为可见光。而可见光的波见的重建像，重建波束必须为可见光。而可见光的波长，与通常用来形成声全息图的声波波长相差数百倍，长，与通常用来形成声全息图的声波波长相差数百倍，因此重建像有严重的深度畸变，从而失去了三维成像因此重建像有严重的深度畸变，从而失去了三维成像的优点。的优点。 由于通常使用的检测声波的压电换能器，能够记由于通常使用的检测声波的压

19、电换能器，能够记录声波的幅度和相位，并将其转换成相应的电信号，录声波的幅度和相位，并将其转换成相应的电信号，目前研究比较活跃的声全息方法与光全息方法不同。目前研究比较活跃的声全息方法与光全息方法不同。只有液面法声全息基本上保留了光全息的作法。而各只有液面法声全息基本上保留了光全息的作法。而各种扫描声全息则不再采用声参考波。种扫描声全息则不再采用声参考波。3.5.5 3.5.5 声全息成像声全息成像 另一类扫描声全息方法是计算机重建声全息。设另一类扫描声全息方法是计算机重建声全息。设用一声源照射物体，物体的散射声波函数为用一声源照射物体，物体的散射声波函数为 ，在全息记录平面内声信号分布为在全息

20、记录平面内声信号分布为 ，它们之间，它们之间的关系式为的关系式为3.5.5 3.5.5 声全息成像声全息成像00, ,Ux y z,HHHUxy222000, ,HHjkxxyyzHHHUxyUx y zedxdy在远场近似条件下在远场近似条件下22000/200, ,HHHHjkxxyyjk xyzjkzzHHHUxyeeUx y zedxdy 显然，上式中的积分式为波函数显然，上式中的积分式为波函数 的二维的二维空间傅氏变换形式，因而，由全息函数空间傅氏变换形式，因而，由全息函数 通过通过傅氏逆变换来计算傅氏逆变换来计算00, ,Ux y z,HHHUxy00, ,Ux y z3.5.5

21、3.5.5 声全息成像声全息成像由全息函数由全息函数 通过傅氏逆变换来计算通过傅氏逆变换来计算亦即得到重建的函数亦即得到重建的函数 ，如下式所示：，如下式所示：00, ,Ux y z,HHHUxy0,iiiUx y z22000/20,iHiHHHjkx xy yjk xyzjkzziiiHHHHHUx y zeUxyeedx dy 根据上式，由记录的全息函数根据上式，由记录的全息函数 ，用计算，用计算机可以算出重建像函数机可以算出重建像函数 ，这种重建计算实际，这种重建计算实际上是空间傅氏变换。上是空间傅氏变换。,HHHUxy0,iiiUx y z3.5.6 3.5.6 多普勒成像多普勒成像

22、利用运动物体散射声波的多普勒效应，利用运动物体散射声波的多普勒效应，按散射声按散射声波的多普勒频移的幅度来显示图像，其图像与散射体波的多普勒频移的幅度来显示图像，其图像与散射体的运动速度分布相对应。的运动速度分布相对应。 多普勒成像分为多普勒成像分为连续波和脉冲波成像两种连续波和脉冲波成像两种。连续。连续波成像系统采用换能器面阵，声束沿波成像系统采用换能器面阵，声束沿 方向传播，在方向传播，在平面平面 内扫描。在声束扫描区域内的运动物体散射声内扫描。在声束扫描区域内的运动物体散射声波经接收，进入相应的通道放大，并与主振荡器的参波经接收，进入相应的通道放大，并与主振荡器的参考信号混频，再解调得到

23、多普勒信号，经频谱分析，考信号混频，再解调得到多普勒信号，经频谱分析，可得多普勒频移；用各通道多普勒频移的大小去调制可得多普勒频移；用各通道多普勒频移的大小去调制荧光屏相应光点亮度，即可得运动物体速度沿荧光屏相应光点亮度，即可得运动物体速度沿 方向方向投影图像。投影图像。zxyz3.5.73.5.7超声显微镜超声显微镜 很小的东西肉眼不能看见，一般可用显微镜来看。很小的东西肉眼不能看见，一般可用显微镜来看。可是如果要看不透明固体或液体里存在看的很小的物体，可是如果要看不透明固体或液体里存在看的很小的物体，普通的光学显微镜就无能为力了，因为对于存在于不透普通的光学显微镜就无能为力了，因为对于存在

24、于不透光物体内部的小东西，它也会变成光物体内部的小东西，它也会变成“睁眼瞎子睁眼瞎子”的。这的。这一直是科学和工业技术上的大难题。但是等到人们发现一直是科学和工业技术上的大难题。但是等到人们发现了超声波，并且在深入地研究了它的种种性性质以后，了超声波，并且在深入地研究了它的种种性性质以后，发现超声波具有明察秋毫能力，可以用它来做成一种崭发现超声波具有明察秋毫能力，可以用它来做成一种崭新的仪器新的仪器超声显微镜，它可以视察不透明体内部的超声显微镜，它可以视察不透明体内部的物体，物体，例如可以查知不透明的液体或固体内部裂纹、空例如可以查知不透明的液体或固体内部裂纹、空隙和不均匀处。一个成像系统，包

25、括显微镜在内，其分隙和不均匀处。一个成像系统，包括显微镜在内，其分辨率主要还是由所使用的波长决定的。辨率主要还是由所使用的波长决定的。 为了对超声波显微镜有一个较为清楚的认识，先从为了对超声波显微镜有一个较为清楚的认识，先从超声波的一些与光线近似的特性谈起，然后再介绍有关超声波的一些与光线近似的特性谈起，然后再介绍有关超声波显微镜的结构问题。超声波显微镜的结构问题。3.5.7.1 3.5.7.1 超声波的光学性质超声波的光学性质 如果在太阳光线的传播路径上放置一块双面凸透镜，如果在太阳光线的传播路径上放置一块双面凸透镜，那么，光线在通过这个凸透镜后，便发生折射，所有的那么，光线在通过这个凸透镜

26、后，便发生折射，所有的光线都会聚积在一点，这一点就是该凸透镜的焦点，这光线都会聚积在一点，这一点就是该凸透镜的焦点，这因为光线在各种不同的物物质中传播时，它的速度是不因为光线在各种不同的物物质中传播时，它的速度是不一样的，因此通过透镜，传播方向就会发生改变，产生一样的，因此通过透镜，传播方向就会发生改变，产生折射。折射。如果在透镜的一面观察放在另一面的物体时，觉如果在透镜的一面观察放在另一面的物体时，觉得这个物体被放大了好几倍。得这个物体被放大了好几倍。这些光线的普遍性质是大这些光线的普遍性质是大家都熟悉的，在这里扼要的提一下，是为了在以后容易家都熟悉的，在这里扼要的提一下，是为了在以后容易和

27、超声波的性质相比较。和超声波的性质相比较。 超声波传播起来和光线遵从相同的规律超声波传播起来和光线遵从相同的规律，超声波在，超声波在传播路径上如遇到障碍物可以发生反射或折射，和光线传播路径上如遇到障碍物可以发生反射或折射，和光线传播的情形一模一样。那么是不是也可以用特殊的棱镜传播的情形一模一样。那么是不是也可以用特殊的棱镜来改变超声波的传播方向，或是用透镜来集中超声波射来改变超声波的传播方向，或是用透镜来集中超声波射线呢？非但可以，而且也并不复杂。线呢？非但可以，而且也并不复杂。3.5.7.1 3.5.7.1 超声波的光学性质超声波的光学性质 科学家发现超声波在科学家发现超声波在四氯化碳液体中

28、的传播速度要四氯化碳液体中的传播速度要比在水中的传播速度小得多比在水中的传播速度小得多。所属如果在一个用铝箔。所属如果在一个用铝箔做成双凸透镜形状的小容器中盛满四氯化碳的液体，做成双凸透镜形状的小容器中盛满四氯化碳的液体，就能够得到一个超声波透镜。就能够得到一个超声波透镜。假如超声波从水中透过假如超声波从水中透过这样的超声波透镜，超声波射线将会集中在一点这样的超声波透镜，超声波射线将会集中在一点，但，但是若把这个透镜放在空气中时，当超声波从空气中透是若把这个透镜放在空气中时，当超声波从空气中透过它时，超声波射线将向两边发散，因为超声波在四过它时，超声波射线将向两边发散，因为超声波在四氧化碳液体

29、中的传播速度要比它空气中的传播速度大氧化碳液体中的传播速度要比它空气中的传播速度大得多。如图所示。得多。如图所示。F水空气3.5.7.1 3.5.7.1 超声波的光学性质超声波的光学性质自然也可以用固体物质来做成超声波透镜，不过这自然也可以用固体物质来做成超声波透镜，不过这时候应该采用这样的固体材料，使得超声波在其中的时候应该采用这样的固体材料，使得超声波在其中的传播速度比在液体或气体中的传播速度大得多。传播速度比在液体或气体中的传播速度大得多。这样这样用固体物质做成透镜时，如果要集中超声波射就必须用固体物质做成透镜时，如果要集中超声波射就必须把它做把它做凹透镜的形状凹透镜的形状，若要发散超声

30、波射线便把它做，若要发散超声波射线便把它做凸透镜形状。如图所示。凸透镜形状。如图所示。3.5.7.1 3.5.7.1 超声波的光学性质超声波的光学性质上图是用固体物质做成的超声波透镜。上图是用固体物质做成的超声波透镜。石英片石英片1 1产产生超声波振动，超声波射线全部进入用有机玻璃做成生超声波振动，超声波射线全部进入用有机玻璃做成的的凹形透镜凹形透镜3 3。2 2是水是水，是用金属薄片封住的，这样一，是用金属薄片封住的，这样一来可以防止当将超声波透镜沉浸在别种液体中使用时来可以防止当将超声波透镜沉浸在别种液体中使用时有机玻璃与液体发生化学腐蚀作用。有机玻璃与液体发生化学腐蚀作用。 3.5.7.

31、1 3.5.7.1 超声波的光学性质超声波的光学性质即使是比较弱的起声波振动，在经过透镜的聚焦即使是比较弱的起声波振动，在经过透镜的聚焦后，也可以将能量都集中在一点，这就使这一点上的后，也可以将能量都集中在一点，这就使这一点上的振动大为增加。振动大为增加。例如，把并不强烈的超声波振动通入例如，把并不强烈的超声波振动通入油溶液中时，平时只能从油表面升起的一些气泡知道油溶液中时，平时只能从油表面升起的一些气泡知道它的存在，但是若在油中安置一个聚焦超声波的系统。它的存在，但是若在油中安置一个聚焦超声波的系统。那么，它既能使超声波能量都集中在油溶液中的某一那么，它既能使超声波能量都集中在油溶液中的某一

32、点上，能量骤然集中一起，可以使油溶液产生一条狭点上，能量骤然集中一起，可以使油溶液产生一条狭窄的喷泉。窄的喷泉。 超声波的频率越高超声波的频率越高( (即它的波长越短即它的波长越短) )，它和光线，它和光线的形状也越相似。现代的超声波技术就已经可以设法的形状也越相似。现代的超声波技术就已经可以设法获得几获得几GHzGHz的超声波振动，这时候超声波的各方面的性的超声波振动，这时候超声波的各方面的性质几乎都与光线的性质相像。但是几质几乎都与光线的性质相像。但是几GHzGHz的超声波，也的超声波，也还不是所能达到的极限。还不是所能达到的极限。3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微

33、镜结构1.1.石英薄片，发射超石英薄片，发射超声波声波2.2.弯曲的铁丝，被观弯曲的铁丝，被观察的物体察的物体3.3.超声波透镜超声波透镜4.4.石英薄片，接收聚石英薄片，接收聚焦后的超声波射线焦后的超声波射线 5.5.阴极射线管阴极射线管6.6.电极电极7.7.放大器放大器8.8.电子射线管的控制电电子射线管的控制电极极9.9.电子射线管电子射线管3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微镜结构 上图是超声波显微镜原理图，在一个充满着液体上图是超声波显微镜原理图，在一个充满着液体的容器内悬浮着的容器内悬浮着铁丝铁丝2 2，石英薄片石英薄片1 1所发射的超声波射所发射的超声波射

34、线集中地射向铁丝，从铁丝表面反射的超声波由线集中地射向铁丝，从铁丝表面反射的超声波由超声超声波透镜波透镜3 3进行聚焦，而进行聚焦，而石英薄片石英薄片4 4则是用来接收聚焦以则是用来接收聚焦以后的超声波射线。因为只有直射在铁丝上的超声波射后的超声波射线。因为只有直射在铁丝上的超声波射线被反射，没有碰到铁丝的射线都消失在液体中了，线被反射，没有碰到铁丝的射线都消失在液体中了，所以实际上在所以实际上在接收器接收器4 4上收到的已经是铁丝的上收到的已经是铁丝的“像像”了，了，不过这只是一种看不见的像罢了。后面的装置就是完不过这只是一种看不见的像罢了。后面的装置就是完成把这个不可见的像变成可视的像。成

35、把这个不可见的像变成可视的像。3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微镜结构 接收器接收器4 4上的压力变化位置恰巧和铁丝形状相对上的压力变化位置恰巧和铁丝形状相对应，收到反射射线的部分压力发生变化，没有收到反应，收到反射射线的部分压力发生变化，没有收到反射射线的地方就没有压力变化。把看不见的像转变成射射线的地方就没有压力变化。把看不见的像转变成肉眼可见的像，利用的是压电效应。肉眼可见的像，利用的是压电效应。由于接收石英片由于接收石英片上的振动压力变化，使片上的电荷分布也跟着作相应上的振动压力变化，使片上的电荷分布也跟着作相应的变化，电荷变化的强弱和压力变化相一致的变化，电荷

36、变化的强弱和压力变化相一致。接收石。接收石英片和英片和阴极射线管阴极射线管5 5做在一起。狭窄的阴极电子射线射做在一起。狭窄的阴极电子射线射到接收石英片的内层表面上，由于电子射线在石英片到接收石英片的内层表面上，由于电子射线在石英片上的冲击，石英片也开始激发而发射电子。上的冲击，石英片也开始激发而发射电子。3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微镜结构 石英片自己发射的电子由石英片自己发射的电子由个特殊的个特殊的电极电极6 6收集起收集起来。石英片上每一点发射的电子数目是和它上面的电来。石英片上每一点发射的电子数目是和它上面的电荷数目多少有关系的。如果阴极射线射到的部分，上荷

37、数目多少有关系的。如果阴极射线射到的部分，上面的电荷数目很多，那么在石英片的这一点上就要发面的电荷数目很多，那么在石英片的这一点上就要发射较多的电子；电荷数目少，则发射的电子也少。因射较多的电子；电荷数目少，则发射的电子也少。因为在石英片每一点上发射的电子数目是不同的，所以为在石英片每一点上发射的电子数目是不同的，所以收集收集电极电极6 6得到的电子数目是每一时刻不同的，因而产得到的电子数目是每一时刻不同的，因而产生交变的电流。生交变的电流。3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微镜结构 这个交变电流的强度变化是和石英片上的电荷变这个交变电流的强度变化是和石英片上的电荷变化一

38、致的化一致的，也就是说石英片上看不见的像已变成阴极，也就是说石英片上看不见的像已变成阴极射线管里的电流变化了。阴极射线在整个石英片的表射线管里的电流变化了。阴极射线在整个石英片的表面上不停地扫射着，使上下左右都得到它的冲击。面上不停地扫射着，使上下左右都得到它的冲击。 3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微镜结构 阴极射线在阴极射线在石英片石英片4 4上的上的A A点开始运动点开始运动( (如图如图) )，以，以十分快的速度作左右的扫射，而且位置渐渐往下移动，十分快的速度作左右的扫射，而且位置渐渐往下移动，一直到底端。阴极射线在一秒钟内可以来回扫射一直到底端。阴极射线在一秒

39、钟内可以来回扫射20-3020-30行，当射线扫遍整个石英片后，重又回到行，当射线扫遍整个石英片后，重又回到A A点再重复开点再重复开始运动。始运动。3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微镜结构 强度不断变化的电流与接收石英片上的压力变化强度不断变化的电流与接收石英片上的压力变化相应，这个电流由相应，这个电流由电极电极6 6收集，然后经收集，然后经放大器放大器7 7将电流将电流加强，送到加强，送到电子射线管电子射线管9 9的的控制电极控制电极8 8。电流强度的变。电流强度的变化恰巧控制着电子射线管的射线强度，如果这个变化化恰巧控制着电子射线管的射线强度，如果这个变化和接收石

40、英片上的压力变化步调一致，那么在电子射和接收石英片上的压力变化步调一致，那么在电子射线管的荧光屏上就显示出原来物体的放大像。这就完线管的荧光屏上就显示出原来物体的放大像。这就完成了显微镜的成了显微镜的“显微显微”任务任务 ：类似示波器类似示波器3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微镜结构 有时候也采用另一种显像的方法有时候也采用另一种显像的方法( (上图所示上图所示) )，称，称为磁透镜的显像方法。为磁透镜的显像方法。5.5.紫外线紫外线6.6.真空管真空管7.7.磁透镜磁透镜8.8.荧光屏荧光屏 1.石英薄片，发射超声波石英薄片，发射超声波2.铁丝铁丝3.声透镜声透镜4.

41、石英薄片，接收超声波石英薄片，接收超声波3.5.7.2 3.5.7.2 超声波显微镜结构超声波显微镜结构 石英片石英片1 1产生超声波，透射到产生超声波，透射到铁丝铁丝2 2上，铁丝反射的超上，铁丝反射的超声波经声波经透镜透镜3 3聚焦后由聚焦后由石英晶片石英晶片4 4接收，在石英晶片的另接收，在石英晶片的另一侧用均匀的一侧用均匀的紫外线紫外线5 5照射，照射，6 6是真空管是真空管，石英片石英片4 4在紫外在紫外线的作用下发射出电子，经过真空管加速电场的作用，线的作用下发射出电子，经过真空管加速电场的作用，电子飞快前进，受到磁透镜的作用落在电子飞快前进，受到磁透镜的作用落在荧光屏荧光屏8 8

42、上，在屏上，在屏幕上将出现幕上将出现石英片石英片4 4的像。因为石英片表面受到紫外线照的像。因为石英片表面受到紫外线照射而发射的电子数目是和它上面的电荷数目成正比，而射而发射的电子数目是和它上面的电荷数目成正比，而它上面的电荷分布是和铁丝的像相对应的，所以在它上面的电荷分布是和铁丝的像相对应的，所以在荧光荧光屏屏8 8上就看到被放大的铁丝的像。（光电效应）上就看到被放大的铁丝的像。（光电效应） 3.5.7.3 3.5.7.3 超声波显微镜的其它结构超声波显微镜的其它结构 1 1、石英薄片，产生超声波；、石英薄片，产生超声波；2 2、待、待观察的物体；观察的物体；3 3、反射镜；、反射镜；4 4

43、、屏幕、屏幕 如图所示，装置放在液面下，如图所示，装置放在液面下，石英石英片片1 1产生的超声波扫射到到待观察产生的超声波扫射到到待观察的的物体物体2 2上，超声波在上，超声波在2 2上发生反射，上发生反射，反射波经过反射波经过反射镜反射镜3 3把把“像像”形成形成在液体表面。当超声波射线达到液在液体表面。当超声波射线达到液面时，面时，出于射线的作用使液体表面出于射线的作用使液体表面产生波纹，液体上产生波纹的地方产生波纹，液体上产生波纹的地方和物体的像对应，这时候将一束光和物体的像对应，这时候将一束光线射到液面线射到液面，则在，则在屏幕屏幕4 4上能够清上能够清晰地显示出由反射光线形成的物体晰

44、地显示出由反射光线形成的物体放大像。放大像。3.5.7.3 3.5.7.3 超声波显微镜的其它结构超声波显微镜的其它结构 如图是超声波显微镜的又一种如图是超声波显微镜的又一种结构，是由超声波透镜形成物像的。结构，是由超声波透镜形成物像的。作用原理和上面说的那种差不多，作用原理和上面说的那种差不多，只是不利用超声波在物体上的反射，只是不利用超声波在物体上的反射，而是使而是使物体阻挡超声波波物体阻挡超声波波射线而在射线而在液体表面成像。液体表面成像。1.1.石英薄片；石英薄片；2.2.待待观察物体；观察物体；3.3.声透镜；声透镜；4.4.屏幕屏幕3.5.7.3 3.5.7.3 超声波显微镜的其它结构超声波显微镜的其它结构 光学显微镜的质量主要标志是：光学显微镜的质量主要标志是：它能够区分的它能够区分的最小两点之间的跃离，即所谓最小两点之间的跃离，即所谓“鉴别力鉴别力”。如果要观察的两点间的距离已经小于显微镜如果要观察的两点间的距离已经小于显微镜能区分的最小极限，那么在显微镜上看到的能区分的最小极限，那么在显微镜上看到的两个点的像是粘合在一起的，不能清楚地看两个点的像是粘合在一起的，不能清楚地看到分开的线，超声波显