Способ определения геометрических характеристик изображения микрообъектов

 

сев,О;сщ ьв.я евт ;н "иа- Е м;.,Окая;

ОП И

Союз Советских

Социвлистических

Республик ()698018

ИЗОБРЕТЕНИЯ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(51)м. Кл.2

G 06 К 9/00

G N 33/00 (22) Заявлено 230677(21) 2502932/18-24 с присоединением заявки М—

Государственный комитет

СССР но делам нзооретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15.1 1.79. Бюллетень Н9 42

Дата опубликования описания 20,1179 (53) УДК621 ° 391 °, 19 (088. 8) (72) АвтОр изобретения

Н,Н. Лысач (7f) вйвитель куйбышевский государственный университет (54 ) ГПОГОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИчЕГКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ИЗОБРАЖЕНИЯ МИКРООБЬЕКТОВ

Предлагаемый способ относится к области техники фотометрических измерений и может быть использован в, металлографии, медицине, биологии для количественного анализа микроS объектов, измерения средних линейных размеров, количества и функции количественного распределения микрообъектов по линейным размерам, их статистической формы и ориентации.

Известны способы автоматического анализа микрообъектов посредством сканирования исследуемого образца оптическим или электронным пучком в режиме прохождения или отражения(1), Сканирующий пучок при этом монохроматизируется. Различные участки микроструктуры с различной степени пропускают или отражают сканирующий пучок. Датчик оптической плотности преобразует его в соответствующие изменения электрического сигнала.

Сигнал датчика усиливается электронным усилителем и поступает в регистрирующее устройство. Записанный на бумажную ленту, кинопленку или фотопластинку, магнитную ленту, перфоленту или перфокарту информационный сигнал или непосредственно усиленный сигнал датчика обрабатывается на вычислительной машине. Зарегистриров анный сигнал, отражающий и змея ение оптической плотности негомогенного объекта на пути сканирования, рассматривается как,реализация стационарного случайного процесса, что позволяет испольэовать для его анализа математический аппарат, теории случайных процессов. На этом основании анализ сканогракм, как характеристики стационарного случайного процесса, дает возможность определить функцию и плотность распределения амплитуд случайного процесса, провести корреляционный анализ, определить количество микрообъектов, их геометрию.

Недостатком известного способа является необходимость для его осуществления сложной дорогостоящей аппаратуры со специально составленной программой для вычислительной машины и наличие высококвалифицированного обслуживающего персонала.

Иэ известных способов наиболее близким к описываемому является способ измерения корреляционных функций различных законов распределения прозрачностей двух фотопластин (2). На одной фотопластине прозрачность за69R01 8

d4

"1 dt x дается функцией координат of. (x у) другoA — p (х, У) . Параллельно уcTctHQBëåííbIå фотопластины просвечиваются нормально падающим к их плоскости параллельным пучком. света. Посредством равномерного смещения какойлибо фотопластины в направлении, пери:ндикулярном оси пучка света, изменения результирующей оптической плотности двух фотопластин преобразуются в соответствующие изменения.выходного светового потока. Последний пропорционально преобразуется светоприемником в электрический сигнал.Процесс изменения величины выходного светового потока в зависимости от величины сдвига фотопластины описывается корреляционной функцией.

1(ч,11= 11(х,ч) ь (х- ч,N-11 )дч,дч, Я

° . 20 где 11 1 — величины смещения фотоплас) тины соответственно по осям х и У, Но если функции прозрачностей взять в виде cL=(= j 1 ) 1 Т< есть структуру ма 25 териала или живых систем заснять на фотопластинах в виде произвольным образом распределенных прозрачных d,= 1

I и черных с1-= 0 полей, характеризую- щих различные фазы материала, то корреляционная функция приобретает геометрический смысл в виде функциональной зависимости площади проецируемых прозрачных полей от величины перемещения фотопластинй (дополнитель- 5 ного изображения), Причем, на детерминированное изменение величины площади прозрачных полей, связанное с несовмещением идентичйых полей, накладывается совокупность случайных процессов: вторичные и последующие пересечения прозрачных полей, дающие увеличение прозрачной площади, и их несовмещения, дающие уменьшение прозрачной площади. Эти два процесса при заданном движении дополнительного .5

Д изображения пространственно сдвинуты и в общем случае не компенсируют друг друга. Это привбдит к тому, что средние линейные размеры, форма и ориентация прозрачных полей, их количест- >0 во содержатся в корреляционной функции в неявном виде. аким образом, по корреляционной функции, полученной равномерным поступательным перемещением дополнительного иэображения 15 в принципе невозможно определить выщеназванные параметры.

Основной недостаток известного способа состоит в том, что дает низкий 60 объем конечной информации о структуре, не позволяет измерять средние линейные размеры, форму и ориентацию прозрачных полей, прозрачных полей и их отростков, и функцию их количественного распределения по линейным размерам.

Целью изобретения является повышение достоверности определения геометрических характеристик иэображения микрообъектов. Предлагаемый способ отличается из известного тем, что световой пучок модулируют колебательным движением дополнительно.изображения В направлении, перпе1 д кулярном оптической оси светового пучка, и дополнительно модулируют световой пучок синхронным вращением обоих иэображений с периодом, пре— вышающем в 10 раз период колебания дополнительного изображения микрообъектов. По величине электрического . сигнала, полученного в результате преобра зования промодулиров анного светового пучка, определяют геометрические характеристики изображений.

Представление структуры материала, живых систем в виде черных и прозрачных полей позволяет использо-, вать равенство проиэвоцной проецируемой прозрачной площади по координате смещения дополнительного иэображения, сумме линейных размеров полей и тех их отростков, которые дают дополнительный вклад в изменение проецируе- мой прозрачной площади, йропорциональ- ную связь между проецируемой прозрач- . ной площадью и величиной выходного светового. потока. пействительно, колебателйые,движения дополнительного иэображения, например по оси Х от положения совмещения изображений структуры х, у = 0 (где х, у — величина смещения дополнительного изображения соответственно по осям Х и У), с амплитудой, пропорциональной периоду колебаний, на линейном отрезке детерминированной корреляционной. функции позволяют линейно преобразовать производную от проецируемой прозрачной площади Б11 (х, у) по направлению колебательйых движений, равную сумме лннейных размеров прозрачных полей и их отростков в направлении оси

Y (что легко показать для прозрачных полей в виде окружностей или эллипсов, если их центры совместить с началом собственных систем координат), в производную выходного светового потока 6>(t) по времени

В этом случае можно записать

- Е ч Ф o+Еи — =о 11 где К вЂ” коэффициент пропорциональности у.(Е )- линейные размеры прозрачО1 ных полей по оси у, M — количество прозрачных полей; б98018

ЬУ (Х-0 линейные размеры отростков в направлении оси У, и-1 — количество отростков, дающих вклад в изменение проецируемой прозрачной площа.ди при колебательном движе нии дополнительного изображения.

При этом амплитуда колебаний В должна быть 6 ((Xcp, ée Xpp- — средний линейный размер прозрачных полей в направлении оси Х. Колебательные движения дополнительного изображения с амплитудой 6, превышающей линейный отрезок детерминированной корреляционной функции, приводят к тому, что усредненное значение Ф переменной составляющей выходного светового потока дФ .по периоду колебаний 8 будет пропорционально средней величине значений производных йБ„Р(х,у) /йх на интервале амплитуды колебаний дополнительного изображения ° При определенном значении амплитуды колебаний, определенной колибровке прибора, регистрирующего среднее значение переменной составляющей выходного светового. потока, это среднее значение будет соответствовать сумме линейных размеров прозрачных полей. к,о фв = —,ф жа1=

Q о где К вЂ” коэффициент пропорциональ2 ности;

У вЂ” суммарное значение линейных размеров проецируемых прозрачных полей по оси У.

На чертеже схематически показан принцип реализации способа определения геометрических характеристик .микрообъектов. Нормально падающий параллельный пучок 1 света проходит через диафрагму 2: параллельно установленные идентичные изображения структуры 3, 4 в виде стохастически. распределенных черных и прозрачных п олей характеризующих различные фазы материала, фокусируется coá р тельной линзой 5 и поступает в блок б аботки и регистрации оптической о ра информации б. диафрагма 2 формиру ет область проекции изображений. Основное изображение 3 снабжено механичес кой системой, позволяющей с помощью микроскопических винтов выполнять независимые его перемещения по координатам Х и У, Кроме того, оба изображения могут вращаться вокруг оси (пучка света. Вибратор 7 сообщает кор пусу дополнительного изображения 4 .колебательные движения в виде вибрации в направлении оси X.

Способ определения. геометрических характеристик микрообъектов осуществляется следующим образом. C помощь о микрометрических винтов поля изображения 3 совмещаются с идентичными

5 полями дополнительного изображения. 4.

Совмещение выполняется визуально или по максимальному значению выходного светового потока. Вибратор 7 сообщает дополнительному изображению 4 колебательные движения от положения совмещения иэображений структуры в направлении оси Х с периодом колебаний, пропорциональным величине амплитуды колебаний. Величина ампли15 туды плавно регулируется, контролируется и выбирается в соответствии с постановкой задачи. rIa основании пропорциональной зависимости между площадью и проходящим через нее световым потоком изменение площади прозрачных полей приводит к пропорциональному изменению величины выходного светового потока, поступающего в блок б обработки и регистрации оптической информации. В блоке б световой поток пропорционально преобразуется в электрический сигнал, выделяется переменная составляющая, которая усиливается, выпрямляется, у средняется по периоду колебаний изображения 4, и в виде постоянно и составляющей электрического сигнала пропорциональной усредненным по амплитуде колебаний изменениям проецируемой прозрачной площади, регист35 рируется измерительным прибором, прокалиброванным в единицах измерения длины. Таким образом, задавая синхронное равномерное вращение .обоим

Иэображеииям с периодом Т вокруг

4О си пучка света и колебательные двиос и .*0 жения изображению 4 вблизи х;* у.= О с периодом 8, причем 9 (1P-3 Т

1 в ыходной сигнал будет изменяться ой и о закону изменения статистическо лей фо мы и ориентации прозрачных поле

45 оРм в зависимости от угла поворота и зображений. Этот сигнал I можно графически записать на специальном самописце, оборудованном вращающимся синхронно с изображениями диском и проалиброванном в единицах измерения длины. р

П ичем наложение нескольких графиков, записанных в режимах различных амплитуд колебаний иэображения 4, позволяет выполнить анализ тонкой структуры контуров прозрачных полей, степени их отростковости. dopмируя выходной сигнал Т к количеству проецируемых прозрачных полей N, можно графически отобразить среднестатистическую форму и ориентацию прозрачных полей.

Чтобы построить функцию количественного распределения проецируемых прозрачных полей по их линейным размерам, необходимо изображение 3

t>980 J R равномерно перемещать н напранлдйии, перпендикулярном колебательным движениям дополнительного изображения 4.

Тогда скомпенсиронав максимальное значение выходного сигнала I, соот>>ах ветствующее колебательному дни>кению дополнительного изображения 4 вбли— зи х, =0, у„=0, тоесть установив показания самописца на нуль, графи— чески снимается зависимость электрического сигнала I- от величины смещения у изображения 3 по оси У.

Причем показания самописца 1- у> р прокалибронанного в единицах измерения длины, соответствуют сумме .пинейных размеров прозрачных полей в отростковом и беэотростконом режимах. В общем случае функция количественного распределения прозрачных полей N(v) по их линейным размерам строится в виде отношения где К вЂ” коэффициент пропорциональности между показаниями самописца и соответствующими изменениями выходного светового потока. Необходимо отметить, что при некотором смещении иэображения 3, например по оси У„ несовмещаемые идентичные прозрачные поля начинают пересекаться с набегающими на них близлежащими прозрачными полями, отличающимися от них формой, размерами и расположением. 35

Сам по себе этот процесс в отсутствие колебательных движений иэображения 4 вносит вклад лишь в величину площади проецируемых прозрачных по4ей. Колебательные движения дополнительного изображения 4 в направлении оси Х вблизи х = 0 приводят к тому, что н любой момент времени некоторые пересекаемые поля дают увеличение, другие уменьшение детерминиро- д ванного изменения проецируемой площади, вызванное раэсовмещением идентичных полей, третьи никакого вклада в изменение площади не вносят. Характер результирующего вклада в изме- «О нение площади определяется формой, размером и взаимным расположением пересекаемых полей. Все эти параметры случайны н пространстве и во времени. В совокупности они дают два противоположных ранновероятных случайных процесса — приращение и вычитание площадей ° Кроме того, эти процессы усреднены по периоду колебаний. Это приводит к тому, что с увеличением числа пересечений резуль- 6 тирующее значение изменения площади пересекаемых полей стремится к нулю и нлияние случайного процесса взаимного пересечения полей на измерение параметров структуры устраняется. 45

Измерение среднего линейного размера прозрачных полей и их отростков осуществляется следующим образом. Задается колебательное движение дополнительному иэображению 4 н направлении оси х вблизи х.=О. Из1 мерительным прибором B блоке 6 регистрируется максимальное значение выходного сигнала Х ", равное сумме линейных размерон, Ватем с помощью микрометрическогo винта перемещается изображение 3 до уровня 0,5 .1, По лимбу микрометра определяется величина смещения изображения b, Она будет соответствовать 3, /2N, àà

Следовательно, Ъ = 2 Ь является средним линейным размером в направлении оси У. Причем измерение среднего линейного размер прозрачных полей и их отростков или только прозрачных полей осуществляется н режимах соответствункцих значений амплитуд колебаний дополнительного изображения 4.

Соотнетстненно количество прозрачных полей и их отростков или только прозрачных полей н направлении, например оси, определяется независимо от режима колебательных движений отношением измеренных величин I Ь = Иэф

Переход от размеров изображений прозрачных полей к истинным размерам включений компонентов достигается делением данных измерений на известное увеличение структуры на изображение. . Таким образом, предлагаемый способ позволяет количественно анализировать структуру прозрачных полей, измерить их ста".èñòè÷åñêóþ форму и ориентацию, функцию количественного распределения полей по их линейным размерам, средние линейные размеры и количество проецируемых прозрачных полей. формула изобретения .Способ определения геометрических характеристик изображения микрообъектон, основанный на создании дополнительноГо иэображения микрообъектов, модуляции светового пучка равномерно поступательным движением основного иэображения микрообъектов и преобразовании промодулиронанного снетового пучка н электрический сигнал, по которому определяют геометрические характеристики изобра-. жений, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения, световой пучок модулируют колебательным движением дополнительного изображения н направлении, перпендикулярном оптической оси светового пучка, и дополнительно модулируют световой пучок синхронным вращением обоих иэображений с периодом, 698018. Составитель Т. Янчипорович

Редактор . у

Э Г бницкая Техред Э. Чужик Корр ектор E.Ëóêà÷

Заказ 69 30/ 35 Тираж 780 Подпис нсе т СССР

UdHHIIH Государственного комитета по делам изобретений и открытий .4/5

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. /

П ектная, Филиал ППП Патент г. Ужгород, ул. роек

I превышающим в 10" раза период колебания дополнительного изображения микрообъектов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Богданов К.M. Методы количест- 5 венного анализа морфологических структур иа основе их статистических характеристик, Сб. Машинный анализ микроскопических объектов, М., Наука, 1968, с. 21-31.

2. Зверев B.A. Оптические анализаторы, М, Сов. радио, 1971, с. 16 (прототип).