Рентгенотелевизионный микроскоп
Союз Советск их
Социалистических
Республик (t1)100086?
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву(51)М. Кл. (22)Заявлено 23.12.81 (21) 3366811/18-25
6 61 М 23/04 с присоединением заявки №
Гввудлрстаевльа1 квммтет
СССР ае делам лзевретенлй и втарытий (23) Приоритет (53) УДК621.039 (088.8) Опубликовано 28.02.83. Бюллетень №
Дата опубликования описания 28,02.831
С.Б.. Гуревич, В.ф. Релин и U.,„- :î ñîëîo
Ордена Ленина физико-технически ийститут, / им. А.ф. Иоффе AH СССР ..,( (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54 ) РЕНТГЕНОТЕЛЕВИЗИОННЫЙ МИКРОСКОП
Изобретение относится к рентгенотелевизионной технике, в частности, к рентгенотелевизионным микроскопам и дефектоскопам, используемым в научных исследованиях, а также для целей контроля качества изделий, например электронных микросхем.
Известен рентгенотелевизионный микроскоп, который представляет собой сочетание рентгеновского проекци" онного микроскопа с телевизионной системой замкнутого типа, который содержит расположенные на одной оптической оси квазиточечный источник рентгенов-, ского излучения и телевизионную передающую камеру на рентгеновидиконе с усилителями, блоками строчной и кадровой разверток и синхрогенераторами, а также выносное видеоконтрольное zp устройство (1 ).
Недостатки такого рентгенотелевизионного микроскопа — низкая разрешающая способность и невысокая контраст2 ная чувствительность в мелких деталях.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является рентге" нотелевизионный микроскоп, содержащий источник излучения, рентгеноопти" ческий преобразователь изображения, выполненный в виде фототитуса с системой считывания изображения, состоящий из оптически связанных между собой источника монохроматического света, коллиматора и поляризационного светоделителя, телевизионную систему наблюдения теневого иэображения исследуемого объекта, имеющую передающую трубку, синхрогенератор и видеоконтрольное устройство, блок импульсного питания фототитуса, блок управления режимами работы Фототитуса, выход которого связан с указанным блоком питания фототитуса 2 ).
Недостатком устройства является низкая разрешающая способность и контрастная чувствительность, что обусловлено значительными размерами активной зоны источника излучения и низким качеством формируемого изображения объекта.
Цель изобретения - повышение разрешающей способности и контрастной чувствительности.
Указанная цель достигается тем, что рентгенотелевизионный микроскоп, содержащий. источник излучения, рент- 1О генооптический преобразователь изображения, выполненный в виде фототитуса с системой считывания изображения, состоящий из оптически связанных между собой источника монохроматическо- 35 го света, коллиматора и поляриэационного светоделителя, телевизионную систему наблюдения теневого изображе ния исследуемого объекта, имеющую передающую трубку, синхрогенератор 20 и видеоконтрольное устройство, блок импульсного питания фототитуса, блок управления режимом работы фототитуса, выход которого связан с указанным блоком питания фототитуса, снаб- 2$ жен расположенной между поляризационным светоделителем и передающей трубкой системой пространственноЙ фильтрации, состоящей из последовательно установленных сферического Фурье-пре- зв образующего объектива, механически соединенных между собой двух пластинок и восстанавливающего объектива, причем амплитудное пропускание первой пластины изменяется по радиусу рт центра к краю по зависимости
Ф,(г)=(к(р) Я(р) e(p)) где (Г) - амплитудное пропускание;
К(р) - передаточная характерис- 40 тика рентгенооптического преобразователя;
4(p) -,передаточная характеристика передаюшей трубки; я р) =ЯЗ(Мд (М-")p) > (> 1) р - передаточная характеристика системы источника излучения"рентгенооптический преобразователь; р--Г() Х вЂ” пространственная частота;
- длина волны излучения источника монохроматического света;
- фокусное расстояние Фурье- " преобразующего объектива;
3 - функция Бесселя первого рода первого порядка;
1000867
- диаметр активной эоны источника излучения;
М - коэффициент увеличения системы источни к и злучениярентгенооптический преобразователь, а на одной из поверхностей второй пластины вытравлены кольцевые концентрические зоны, осуществляющие сдвиг фазы проходящего света на 180 между соседними зонами, границы которых определяются корнями уравнения Н(р)=
= О, причем. выход синхрогенератора подключен к входу блока управления режимом работы Фототитуса.
Кроме того, микроскоп дополнительно снабжен электромеханическими Фотоэатворами записи рентгеновского иэображения и считывания видимого изображения, а также импульсной лампой стирания, причем указанный фотозатвор записи расположен между источником излучения и рентгенооптическим преобазователем, Фотозатвор считывания аэмещен между источником монохроматического света и коллиматором, импульсная лампа стирания располонена между фотозатвором записи и рентгенооптическим преобразователем,а выходы блока управления режимом работы фототитуса подключены к входам указанных Фотоэатворов и лампы стирания.
На чертеже схематично представлен микроскоп, Микроскоп содержит расположенные на одной оптической оси квазиточечный источник 1 рентгеновского излучения, рентгенооптический преобразователь 2, выполненный в виде фототитуса, поляризационный светоделитель 3, систему пространственной фильтрации, состоящую иэ сферического фурье-преобразующего объектива 4, корректирующего пространственного фильтра 5, образованного из механически соединенных между собой фотопластинки 6 с укаэанным выше законом изменения амплитудного пропускания по радиусу от центра к краю и стеклянной плоскопараллельной фазовой пластинки 7> на поверхности которой, обращенной к эмульсионному слою, Bbl травлены кольцевые концентрические зоны, осуществляющие сдвиг Фазы проходящего света на 180 между соседними зонами, восстанавливающий объектив 8, телевизионную передающую трубку 9.
10088
S
При этом пространственный фильтр располагается в задней фокальной плоскости Фурье-преобразующего объектива и передней фокальной плоскости восстанавливающего объектива 8, свето- $ чувствительный слой в телевизионной камере расположен в задней фокальной плоскости восстанавливающего объектива, . а выходная плоскость фототитуса совмещена с передней фокальной плоскостью Фурье-преобразующего объектива. Микроскоп содержит также источник 10 монохроматическогосвета и коллиматор 11, которые оптически связаны между собой и с поляри-1$ зационным светоделителем и фототитусом, а также электромеханический фотоэатвор 12 записи с блоком 13 управления, расположенный между исследуемым объектом 14 и фототитусом, электроме- ханический фотозатвор 15 считывания с блоком 16 управления, расположенный между источником монохроматического света и коллиматором, импульсную лампу 17 стирания с блоком 18 питания,размещенную между фотоэатвором 12 записи и фототитусом.
Амплитудное пропускание первой пластинки изменяется по радиусу от центра к краю по зависимости 30 цг)= Ек(р),4(р) и() ц
-)/2 где < (<) - амплитудное пропускание;
К (р) — переда точная хара ктерис ти ка рентгенооптического npeoGpaзователя;
Д() — передаточная характеристика передающей трубки;
Н(р) =2ЭЕ a(W-1)рЗ/Tid(M-1)У р - передаточная характеристи" ка системы источник излучения - рентгенооптический преобразователь, 4$
P="l < - пространственная частота;
Л вЂ” длина волны излучения источника монохроматического света; фокусное расстояние фурье"
Ю преобразующего объектива;
3 — функция Бесселя первого рода первого порядка; д — диаметр активной зоны источника излучения;
М вЂ” коэффициент увеличения сис$$ темы источник излучениярентгенооптический преобразователь.
На одной из поверхностей второй пластинки вытравлены кольцевые концентрические зоны, осуществляющие сдвиг фазы проходящего света на 180 между соседними зонами, границы которых определяются корнями уравнения
Н(р) О.
Устройство содержит также блок 1g импульсного питания, выход которого соединен с электрическим входом фототитуса, блок 20 управления режимом работы фототитуса, выходы которого соединены с входом блока питания, блока управления фотоэатвора записи, блока управления фотозатвора считывания и блока питания импульсной лампы стирания, а вход электрически связан с дополнительными выходами кадровых синхроимпульсов и кадровых гасяцих импульсов синхрогенератора 2f, кото" рый синхронизирует работу телевизионной камеры, видеоконтрольного устройства 22 и фототитуса.
Микроскоп работает следующим образом.
Пучок рентгеновских лучей, излучаемых источником 1, проходит через исследуемый объект 14 и формирует на рентгеночувствительном слое преобразователя 2 теневое рентгеновское изоб" ражение внутренней структуры объекта 14. Преобразователь 2 преобразует энергию падающих на его рентгеночувствительную поверхность рентгеновских квантов в пропорциональное изменение коэффициента преломления кристалла, обладающего линейным электрооптическим эффектом.
Считывание сформированного в кристалле изображения объекта производится плоской монохроматической волной, формируемой коллиматором 11 от источника 10. Отраженная от преобразователя 2 волна считывающего света оказывается промодулированной в пространстве по поляризации в соответствии с распределением коэффициента поглощения рентгеновских лучей в исследуемом объекте 14, Поляризационный светоделитель 3 преобразует модуляцию по поляризации в амплитудную и направляет световую волну в схему пространственной фильтрации,образованнун объек" тивами 4 и 8 и фильтром 5.
Фурье-преобразующий объектив 4 осуществляет преобразование фурье над распределением комплексных амплитуд света в теневом изображении объекта
7 10008 и формирует в своей задней фокальной плос кости е ro пространственно- час тотный спектр, Пространственный фильтр 5 модугмрует этот спектр таким образом, чтобы скомпенсировать контрастно-час- тотные и фазовые искажения, внесенные схемой формирования рентгеновского изображения и преобразователем 2, и ввести предискажения, обратные апертурным искажениям телевизионной труб-16 ки 9. Восстанавливающий объектив 8 осуществляет обратное Фурье-преобразование над модифицированным спектром и формирует восстановленное изобра><ение с повышенным контрастом и разреше1 нием на входе телевизионной трубки 9.
Трубка 9 преобразует оптическое изображение в видеосигнал, который поступает на видеоконтрольное устройство 22 и преобразуется им в изображение-. 26 воспроизводимое на экране электроннолучевой трубки. Синхрагенератор 21 формирует строчные и кадровые синхроимпульсы, а также гасящие импульсы, которые управляют работой телевизион- 2g ной трубки 9 и устроиством 22, а через блок 20 управления — режимом работы преобразователем 2. Блок 20 управления формирует импульсы, которые управляют работой блока 19 питания, блока 13 управления фотозатвором 12 записи, блока 16 управления фотозатвором 1g считывания и блока 18 питания импульсной лампы 17 стирания.
Блок 20 управления обеспечивает работу устройства в трех режимах: по35 кадровой записи рентгеновского изображения и считывания оптического изображения в преобразователе 2 (режим без памяти ); однокадровой записи рент46 геновского изображения и многокадрового оптического считывания записанного изображения (режим с памятью ); записи рентгеновского изображения за время многих кадров и многокадрового считывания режим с накоплением и памятью)
В первом режиме запись, считывание и стирание изображения обеспечиваются со скоростью смены кадров используемого телевизионного стандарта разложения, т.е. устройство работает практически в реальном времени как и известные рентгенотелевизионные микроскопы.
Во втором режиме работы запись рентгеновского иэображения осуществляется за время одного кадра, а считывание записанного изображения производится в течение многих кад67 ров, число которых определяется временем памяти преобразователя 2 нетрудно реализовать режим работы с памятью до нескольких минут). Такой режим работы удобен при исследовании биологических объектов, не допускающих большой дозы облучения.
Третий режим работы реализует эффект накопления рентгеновских квантов в рентгеночувствительном слое преобразователя 2 и использует свой ство памяти преобразователя. В этом режиме запись рентгеновского изображения может осуществляться за время от нескольких секунд до йескольких минут, а время считывания записанного изображения, как и во втором режиме, будет определяться временем памяти преобразователя. Этот режим обеспечивает реализацию более высокой общей контрастной чувствительности.
В режиме покадровой записи частота повторения всех упра вляющих импульсов на выходе блока 20 равна частоте кадровых синхроимпульсоа, поступающих на его вход, но они сдвинуты друг относительно друга во времени. В исходном состоянии напряжение питания на преобразователе 2 отсутствует, а фотозатвор записи 12 и фотозатвор считывания находятся в закрытом состоянии. При поступлении на вход блока 20 кадрового синхроимпульса он формирует импульс начала записи, который подается на блок 19 питания и блок 13 управления фотозатвором 12 записи ° Под действием импульса начала записи блок 19 питания подключает напряжение к преобразователю 2 и тот становится чувствительным к рентгеновскому излучению, а блок l3 управления формирует ии" пульс тока положительной полярности, который открывает электромеханический фотозатвор 12 записи. Начинается экспозиция преобразователя 2 теневым рентгеновским изображениеи исследуемого объекта, Длительность экспозиции (время записи ) составляет примерно 0,3-0,5 длительности кадра и определяется временем задержки импульса конца записи. Импульсы конца записи поступают на блоки 13 и 19, Блок 13 вырабатывает импульс тока отрицательной полярности, который закрывает фотозатвор 12, а блок 19 снимает напряжение питания с преобразователя 2. Процесс записи
10008
40 закончился и начинается процесс считывания. Блок 20 формирует импульс начала считывания, под действием которого блок 16 управления вырабатывает импульс тока положительной полярности, который открывает электромеханический фотозатвор 15 считывания.
Считывание продолжается до те:< пор, пока блок 20 не подает на блок 16 импульс конца считывания,под дейст- 10 вием которого блоком 16 формируется импульс тока отрицательной полярности, закрывающей фотозатвор l q .
Момент формирования импульса конца считывания соответствует концу 1З прямого хода кадровой развертки. Поскольку время памяти фототитуса значительно больше длительности кадра, то необходимо осуществлять принудительное стирание записанного иэобра- 20 женил. Стирание осуществляетсл засветкой фоточувствительного слоя фото титуса светом импульсной лампы 17 во время обратного хода по кадру.
Блок 20 формирует из переднего фрон- 25 та кадрового гасящего импульса, поступающего с синхрогенератора 21, импульс запуска блока 18, который и вырабатывает импульс питания лампы 17 стирания. После этого схема готова щ к записи следующего кадра.
При работе в режиме с памятью импульс конца считывания и импульс стирания подаются с задержкой на кадров, число которых выбирается оператором установкой требуемого коэ<фициента деления в счетчике кадровых синхроимпульсов, который имеется в блоке 20.
При работе в режиме накопления и памятью импульс окончания записи на блок 19 и импульс начала считывания на блок 16 подаются с задержкой на несколько кадров, которая также осу- 4S ществляется с помощью делителей частоты кадровых синхроимпульсов и выбирается оператором по своему усмотрению.
Независимо от выбора режима работыуь преобразователя 2 трубка 9 и устройство 22 работают в своем обычном режи- ме, Предлагаемое устройство обеспечивает увеличение разрешающей способности в 5-10 раз и повышение контSS растной чувствительности в мелких деталях в 5-10 раз по сравнению с прототипом.
67 10
Предлагаемое устройство позволяет использовать в рентгенотелевизионных микроскопах вместо рентгеновидиконов видиконы видимого диапазона, в том числе видиконы с памятью, что облегчает проведение различных процедур по аналоговой обработке рентгеновских изображений. Оно обеспечивает таю<е возможность использовать в качестве преобразователей оптического изобра" жения телевизионные приборы с зарядовой связью, что облегчает сыковку микроскопа,с электронно-вычислительными машинами при автоматизации исследований и реализации различных алгоритмических процедур и машинной обработке рентгеновских иэобра <ений, в том числе и с целью распознавания образов.
Кроме того, с помощью предлагаемого устройства можно уменьшить дозу облучения исследуемого объекта за счет использования преобразователя 2 в режиме с памятью. Время памяти преобразователя регулируется в пределах до нескольких минут.
Использование режима работы преоб. разователя с накоплением и памятью позволяет увеличить общую контрастную чувствительность рентгенотелевизионных микроскопов при использовании маломощных источников рентгеновского излучения.
Формула иэобретенил
1. Рентгенотелевиэионный микроскоп, содержащий источник излученил, рентгенооптический преобразователь изображения, выполненный в виде фототитуса с системой считывания изображения, состоящий из оптически связанных менду собой источника монохроматического света, коллиматора и поляриэационного . светоделителя, телевизионную систему наблюдения теневого изображенил исследуемого объекта, имеющую передающую трубку, синхрогенератор и видео«онтрольное устройство, блок импульсного питания фототятуса, блок управления режимом работы фототитуса, выход которого связан с указанным блоком пита" ния фототитуса, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения раз<решающей способности и контрастностной чувствительности, он снабжен располоненной между поляриэационнь<м све12
11 1000867 тоделителем и передающей трубкой сис-темой пространственной фильтрации, состоящей из последовательно устаноо- а ленных сферического Фурье-преобразующего объектива, механически соединен- ю ч ных между собой двух nEIGcTHHol(и восстанавливающего объектива, причем амплитудное пропускание первой пластин- р ки изменяется по радиусу от центра и к краю по зависимости
Цг) =(К у)А(р)Н(Р))
- 1(2 р где t (1- амплитудное пропускание; .
K(pj- передаточная характеристика рентгенооптического пре- 1 образователя;
h(p) передаточная характеристика ж передающей тр,убки; р=р /АФ н(р)=и(яа(и-1)р)/и(-мр передаточная характеристика. системы источник излучения рентгенооптический преобразователь; пространственная частота; длина волны излучения источника монохроматического света; фокусное расстояние Фурьепреобразующего объектива; функция Бесселя первого рода первого порядка; диаметр активной зоны источника излученяя; 35 коэффициент увеличения системы источник излучения— рентгенооптический преобразователь, на одной из поверхностей второй пласины вытравлены кольцевые концентриеские зоны, осуществляющие сдвиг Фаы проходящего света на 180 меиду оседними зонами, границы которых опеделяются корнями уравнения Н(р)= О, ричем выход синхрогенератора подклюен к входу блока управления режимом аботы фототитуса.
2. Микроскоп по и. 1, о т л и ч ашийся тем, что он дополнительо снабжен электромеханическими фотоатворами записи рентгеновского изобажения и считывания видимого изобраения, а также импульсной лампой стирания, причем указанный фотозатвор записи расположен между источником излучения и рентгенооптическим преобразователем, фотозатвор считывания
I размещен между источником монохроматического света и коллиматоро», импульсная лампа стирания расположена между фотозатвором записи и рентгенооптическим преобразователем, а выходы блока управления режимом работы, фототитуса подключены к входам указанных фотозатворов и лампы стирания.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР
N 515977, кл. 6 01 М 23/04, 1975.
2. Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений. Под вед, Б.Кейзана. M., "Мир", т. 1, 1978, с. 266-272, 299-301 (прототип).
1090867
Составитель Н. Валуев
Редактор А. Мотыль Техцщ Ж.Кастелевич Копоектоц И Коста
Заказ 1366/ 1 Тираж 671 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035 Москва Ж-Я Ра иская на6. д. 4/
Фипиал ППП "Патент", г. Уигород, ул. Проектная,
