УСТАНОВКА ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОТОПОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G03B42/02 

Изобретение относится к рентгеновской топографии монокристаллов и может быть использовано в электронной технике для неразрушающего контроля качества монокристаллических (в частности, полупроводниковых) материалов и изделий.

Известны рентгенотопографические камеры, в которых используется принцип фотографической регистрации рентгенотопографического изображения. Недостатком таких камер является низкая оперативность работы, связанная с необходимостью обработки фотоматериалов, и большой расход серебросодержащей фотоэмульсии.

Известны также различные устройства для телевизионной визуализации рентгенотопографических изображений, содержащие, как правило, рентгеночувствительную передающую телевизионную трубку (ПТТ), блок обработки видеосигнала и видеоконтрольный блок. Формирование изображения на экране видеоконтрольного блока таких устройств происходит практически мгновенно, благодаря чему они, в отличие от рентгенотопографических камер, могут быть использованы для оперативного неразрушающего контроля качества монокристаллических материалов в серийном производстве. Однако для достижения удовлетворительного отношения сигнал/шум, которое, наряду с пространственным разрешением, определяет качество изображения, такие устройства требуют использования источников рентгеновского излучения высокой мощности, что ограничивает область их использования.

В установке, являющейся прототипом, для улучшения отношения сигнал/шум при малой интенсивности дифрагированного пучка путем накопления полезного сигнала в течение продолжительного времени применены рентгеновидикон с регулируемой памятью и дополнительное устройство аналоговой памяти на основе литикона. Время накопления изображения может достигать десятков минут, благодаря чему обеспечивается возможность работы установки с обычной рентгеновской трубкой в качестве источника излучения.

Недостатком прототипа является ограниченное пространственное разрешение получаемого изображения, обусловленное структурой мишени рентгеновидикона и составляющее в лучшем случае 15-20 мкм, в то время как рентгенотопографические камеры с фоторегистрацией обеспечивают разрешение до 1-5 мкм в зависимости от типа фотоматериала. Применить для повышения пространственного разрешения известный принцип косвенной визуализации с промежуточным оптическим увеличением в данной схеме невозможно, так как для его реализации требуется использование высокочувствительных ПТТ типа "суперкремникон", не обладающих способностью накапливать изображение на мишени. Использование аналоговой памяти на основе запоминающих ЭЛТ также не решает задачи из-за ограниченности их динамического диапазона.

Цель изобретения - повышение пространственного разрешения визуализируемого рентгенотопографического изображения при сохранении возможности работы в случае малой интенсивности дифрагированного пучка.

Для этого в предлагаемой установке используется косвенная визуализация рентгеновского изображения с промежуточным оптическим увеличением, преобразование видеосигнала в последовательность цифровых отсчетов и накопление изображения в цифровой форме в памяти микроЭВМ. От прототипа предлагаемая установка отличается применением цифровых методов накопления и обработки изображения, что снимает присущие прототипу ограничения по времени накопления и динамическому диапазону, обеспечивая тем самым реализацию предельно возможной чувствительности суперкремникона.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений в исследуемой области (т.е. визуализация рентгеновских изображений) показал, что цифровая обработка изображений известна, однако она ранее не применялась для накопления рентгенодифракционного изображения. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Установка включает в себя блок телекамеры, содержащий люминесцентный экран-конвертор, оптическую систему с регулируемым увеличением и ПТТ типа "суперкремникон" с цепями развертки и предварительного усиления; блок аналоговой обработки видеосигнала и блок накопления изображения, содержащий аналого-цифровой преобразователь, устройство ввода изображения и микроЭВМ. Накопление изображения и его обработка производятся в памяти микроЭВМ под управлением соответствующего комплекса программ.

На фиг.1 приведена схема предлагаемой установки; на фиг.2 - схема устройства ввода изображения в микроЭВМ (пример возможного исполнения).

Установка в целом работает следующим образом.

Дифрагированный на образце 1 пучок рентгеновского излучения от источника 2, несущий информацию о дефектах структуры, попадает на экран-конвертор 3, установленный вплотную к образцу. Экран-конвертор представляет собой слой рентгенолюминофора, нанесенный на стеклянную подложку. Каждый рентгеновский квант с энергией ≈10 кэВ преобразуется им в 500-1000 оптических фотонов, часть из которых попадает на входную апертуру оптической системы 4 и формирует изображение на мишени суперкремникона 5.

Считывание сигнала с мишени суперкремникона производится в телевизионном стандарте (64 мкс на строку). За это время аналоговый видеосигнал, поступающий с телекамеры, дискретизируется с периодом Т ≈ 100 нс быстродействующим АЦП 6, и полученные цифровые отсчеты записываются в высокоскоростное буферное ЗУ малой емкости 7. Период дискретизации выбирается исходя из необходимого разрешения (числа элементов в строке) и быстродействия АЦП и ЗУ. По окончании записи строки управление передается процессору ЭВМ 9, который считывает данные из буферного ОЗУ, суммирует их с содержанием соответствующих ячеек ОЗУ микроЭВМ и записывает результат в те же ячейки. Длительность этого процесса определяется быстродействием процессора и памяти и для наиболее распространенных микроЭВМ составляет около 5 мс на строку. Таким образом, время записи кадра, содержащего 512 строк, составляет около 2,5 с. С другой стороны, известно, что из-за статистического характера рентгенотопографического изображения для получения достоверной картины дифракции требуется накопление некоторого минимального количества отсчетов на каждом элементе изображения. Необходимое для этого время можно оценить по формуле
t_min= K²(1-C)(2-C)/C²δSJ, где К - отношение средней величины полезного сигнала к его дисперсии, т.е. число достоверно различимых градаций интенсивности;
δ - коэффициент преобразования рентгеновского излучения в оптическое экраном-конвертором;
С = (J-J_ф)/J - контраст рентгеновского изображения дефекта;
J - поток дифрагированного рентгеновского излучения в области дефекта;
J_ф - то же, в области фона;
S - площадь элемента изображения.

Для типичных условий съемки (мощность трубки 2 кВт материал образца - кремний, Лауэ-отражение [220], J=10см^-2с^-1, S = =10 см^-2, С=0,5, α = 0,1, принимая К= 16, получаем t= 600 с. Поэтому сравнительно низкое быстродействие установки в данном случае несущественно. При увеличении мощности источника или при снижении требований к качеству изображения возможно сокращение времени съемки до 1 кадра.

Пространственное разрешение установки определяется при малом увеличении оптической системы - размерами поля зрения и числом строк разложения, а при большом увеличении - качеством экрана-конвертора. Предельно достижимое разрешение составляет единицы микрон. Размеры поля зрения могут варьироваться в зависимости от объекта от единиц квадратных миллиметров до десятков квадратных сантиметров путем регулирования увеличения оптической системы.

П р и м е р. Установка для визуализации и цифровой обработки рентгенотопографических изображений была выполнена на основе суперкремникона ЛИ-703 и микроЭВМ "Электроника-60". Установка включает в себя экран-конвертор (слой (Zn, Cd)S на стеклянной подложке), оптическую систему с регулируемым увеличением от 1^х до 10^х, телекамеру на основе суперкремникона, устройство построчного ввода изображения (УПВИ) 10 и микроЭВМ "Электроника-60" с интерфейсом И2. УПВИ предназначено для дискретизации и ввода в микроЭВМ через интерфейс И2 видеосигнала, поступающего с телекамеры. Устройство реализовано на АЦП типа КР1107ПВ1 и 14 микросхемах 155 серии и имеет следующие характеристики: максимальное число градаций яркости цифрового изображения - 64, число элементов разложения не более 256 строк по 256 точек.

Установка обеспечивает достаточное пространственное разрешение и передает основные элементы изображения.

Использование предлагаемой установки для контроля качества монокристаллических материалов и изделий в серийном производстве вместо применяемого в настоящее время рентгенотопографического контроля с фотографической регистрацией позволит повысить надежность и качество выпускаемой продукции за счет перехода от выборочного контроля к стопроцентному, а также обеспечит экономию фотоматериалов и трудовых затрат на их обработку.

Использование: исследование дефектов структуры монокристаллов, может быть использована в электронной технике для неразрушающего контроля качества монокристаллических (в частности, полупроводниковых) материалов и изделий. Сущность изобретения: установка включает в себя блок телекамеры, содержащий люминесцентный экран-конвертор, оптическую систему с регулируемым увеличением и ПТТ-передающая телевизионная трубка типа "суперкремникон" с цепями развертки и предварительного усиления и блок обработки изображения, содержащий аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации и микроЭВМ. 1 з.п. ф-лы,2 ил.

1. УСТАНОВКА ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОТОПОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ, включающая источник рентгеновского излучения, экран-конвертор и соединенные последовательно телевизионную камеру, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки изображения, блок вывода изображения, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества изображения при малой интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка путем цифрового накопления изображения, блок обработки изображения состоит из блоков накопления и синхронизации, причем блок накопления подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, а блок синхронизации подключен к выходам кадрового и строчного синхроимпульсов телевизионной камеры, к входам синхронизации и адреса элемента изображения блока накопления и к тактовому входу аналого-цифрового преобразователя. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок накопления подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя через блок буферной памяти, связанный с выходами синхронизации и адреса элемента изображения в строке блока синхронизации, а блок накопления подключен к входу готовности к записи блока синхронизации.