Рентгенотелевизионный микроскоп Советский патент 1983 года по МПК G01N23/04 

() РЕНТГЕНОТЕЛЕВИЗИОННЫЙ МИКРОСКОП

1 .

Изобретение относится к рентгенотелевизиониой технике, в частности к рентгенотелевизионным микроскопам и дефектоскопам, используемым в научных исследованиях, а также для целей контроля качества изделий, например 5 электронных микросхем.

Известен рентгенотелевизионний микроскоп, который представляет со- . бой сочетание рентгеновского проекционного микроскопа с телевизионной системой замкнутого типа, который содержит расположенные на одной оптимеско 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 20 устройство Cl J.

Недостатки такого рентгенотелевизионного микроскопа - низкая разрешающая способность и невысокая контрастная чувствительность в мелких деталях.

Наиболее близким техническ 1м реиением к предлагаемому является рентгенотелевизионный 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 изображения исследуемого объекта, имеющую передающую трубку, синхрогенератор и видеоконтрольное устройство, блок импульсного, питания фототитуса, блок управления режимами работы фототитуса, выход которого связан с указанным блоком пита. ния фототитуса Г2 ..

Недостатком устройства является низкая разрешающая способность и контрастная чувствительность, что обусловлено значительными paзмepa «1 акти ной 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, рентгенооптический преобразователь изобр жения, выполненный в виде фототитуса с системой считывания изображения. состоящий из оптически связанных меж ду собой источника монохроматического света, коллиматора и поляризацион ного светоделителя, телевизионную систему .1аблюдения теневого изображе ния исследуемого объекта, имеющую передающую трубку, синхрогенератор и видеоконтрольное устройство, блок импульсного питания фототитуса, блок управления режимом работы фототитуса, выход которого связан с указанным блоком питания фототитуса, снабжен расположенной между поляризацион ным светоделителем и передающей труб кой системой пространственной фильтрации,состоящей из последовательно установленных сферического Фурье-пре образующего объектива, механически соединенных между собой двух пластинок и восстанавливающего объектива, причем амплитудное пропускание первой пластины изменяется по радиусу ;)т центра к краю по зависимости i(r)CK(pM(j)H(p) амплитудное пропускание; передаточная характеристика рентгенооптического преобразователя; (Передаточная характеристика передающей трубки; Н1у) (М-1))5 f передаточная характеристика системы источника излучения-рентгенооптический преобразователь; p:r/; f - пространственная частота Д - длина волны излучения источника монохроматического света; - фокусное расстояние Фурье преобразующего объектива Э - функция Бесселя первого рода первого порядка; 3 - диаметр активной зоны источника излучения; Н - коэффициент увеличения системы источник излучениярентгенооптический преобразователь, а на одной из поверхностей второй пластины вытравлены кольцевые концентрические зоны, осуществляющие сдвиг фазы проходящего света на 180 /1ежду соседними зонами, границы которых определяются корнями уравнения Н(р) О, причемвыход сйнхрогенератора подключен к входу блока управления режимом работы фототитуса. Кроме того, микроскоп дополнительно снабжен электромеханическими фотозатвора «1 записи рентгеновского изображения и с 1тывания видимого изображения, а также импульсной лампой стирания , причем указанный фотозатаор записи расположен между источником излучения и рентгенооптическим преобразователем, фотозатвор считывания Размещен между источником монохгюматического света и коллиматором, импульсная лампа стирания расположена между фотозатвором записи и рентгенооптическим преобразователем,а блока управления режимом работы фототитуса подключены к входам указанных фотозатворов 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 из сферического Фурье-преобразующего объектива , корректирующего пространственного фильтра 5 образованного из механически соединенных между собой фотопластинки 6 с указанным выше законом изменения амплитудного пропускания по радиусу от центра к краю и стеклянной плоскопараллельной фазовой пластинки 7, на поверхности которой, обращенной к эмульсионному слою, вытравлены кольцевые концентрические зоны, осуществляющие сдвиг фазы прона 180 между соседходящего света ними зонами, восстанавливающий объектив 8, телевизионную передающу э трубку 9. 510 При этом пространственный фильтр располагается в задней фокальной плос кости Фурье-преобразующего объектива и передней фокальной плоскости вос станавливающего объектива 8, светочувствительный слой в телевизионной камере расположен в задней фокальной плоскости восстанавливающего объектива, а выходная плоскость фотоТитуса совмещена с передней фокальной плоскостью Фурье-преобразующего объектива. Микроскоп содеркит также источник 10 монохроматического света и коллиматор 11, которые оптически связаны между собой и с поляри зационным светоделителем и фототитусом, а также электромеханический фото затвор 12 записи с блоком 13 управления , расположенный между исследуемым объектом 1 и фототитусом, электромеханический фотозатвор 15 считывания с блоком 16 управления, расположенный между источником монохроматического света и коллиматором, импульсную лампу 17 стирания с блоком 18 питания,размещенную между отозатвором 1 записи и фототитусом. Амплитудное пропускание первой пластинки изменяется по радиусу от центра к краю по зависимости ()Htp) где-Ь.) - амплитудное пропускание; К(. передаточная характеристика рентгенооптическрго преобразователя ; Л1р) - передаточная характеристика передающей трубки; H(y)(d(M-i)(M-i;p р - передаточная характеристика системы источник излучения - рентгенооптический пр образователь; - пространственная частота; А - длина волны излучения исто ника монохроматического све та; f - фокусное расстояние Фурье преобразующего объектива; Э - функция Бесселя первого род первого порядка; «3 - диаметр активной зоны источ ника излучения; М - коэффициент увеличения системы источник излучения рентгенооптический преобразователь . 7 На одной из поверхностей второй пластинки вытравлены кольцевые концентрические зоны, осуществляющие сдвиг фазы проходящего света на iBO между соседними зонами, границы которых определяются корнями уравнения Hlf) 0. Устройство содержит также блок 19 импульсного питания, выход которого соединен с электрическим входом фототитуса, блок 20 управления ре) работы фототитуса, ,выходы которого соединены с входом блока питания, блока управления фотозатвора 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, который синхронизирует работу телевизионной камеры, видеоконтрольного устройства 22 и фототитуса. Микроскоп работает следующим образом. Пучок рентгеновских лучей, излучаемых источником 1, проходит через исследуемый объект и формирует на рентгеночувствительном слое преобразователя 2 теневое рентгеновское изображение внутренней структуры объекта 1. Преобразователь 2 прео()разует 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 полной, формируемой коллиматором 11 от источника 10. Отраженная от преобразователя 2 волна считывающего спета оказывается промодулированной в пространстве по поляризации в соотиетствии с распределением коэффициента поглощения рентгеновских лучей в исследуемом объекте , Поляризационный светоделитель 3 преобразует модуляцию по поляризации в амплитудную и направляет световую волну в схему пространственной фильтрации ,образованну) объективами + и 8 и фильтром 5. Фурье-преобразующий объектив осуществляет преобразование Фурье над распределением комплексных амплитуд света в теневом изображении объекта

и формирует 8 своей задней фокальной плоскости его пространственно-частотный спектр. Пространственный фильтр 5 модулирует 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 трубки 9. Восстанавливающий объектив 8 осуществляет обратное Фурье-преобразо вание над модифицированным спектром и формирует восстановленное изоЪра ; ение с повышенным контрастом и разреше нием на входе телевизионной трубки 9. Трубка 9 преобразует оптическое изображение в видеосигнал, который по ступает на видеоконтрольное устройство 22 и преобразуется им в изображение-. воспроизводимое на экране электроннолучевой трубки. Синхрогенератор 21 формирует строчные и кадровые синхроимпульсы, а также гасящие импульсы, которые управляют работой телевизионной трубки 9 и устройством 22, а через блок 20 управления - режимом ра боты преобразователем 2. Блок 20 управления формирует импульсы, которые управляют работой блока 19 питания, блока 13 управления фотозатвором 12 записи, блока 16 управления фотозатво ром 15 считывания и блока 18 питания импульсной лампы 17 стирания. Блок 20 управления обеспечивает работу устройства в трех режимах: покадровой записи рентгеновского изображения и считывания оптического изоб ражения в преобразователе 2 ( режим без памяти ); однокадровой записи рент геновского изображения и многокадрово го 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 изобран ения о()еспечиваются 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 изображения осуцесталяется за время одного кадра, а считы&ание записанного изо(5ражения производится в течение многих кадров, число которых определяется временем памяти преобразователя 2 iнетрудно реализовать режим рлботы с памятью до нескольких минут. Такой режим работы удобен при исследовании биологических объектов, не допускающих больиюй.дозы облучения.

Третий режим работы реализует эффект накопления рентгеновских квантов в рентгеночувствительном слое преобразователя 2 и использует свойство памяти преобразователя. И этом режиме запись рентгеновского изображения может осуществляться за время от нескольких секунд до нескольких 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 управляющих импульсов на выходе блока 20 раина частоте кадровых синхроимпульсов, поступающих на его вход, но они сдеинуты друг относительно друга ио времени . В исходном состоянии наг1ря : ение питания на преобразователе 2 отсутствует, а фотозатвор записи 12 и фотозатвор считывания находится в закрытом состоянии. При поступлении на вход блока 20 кадрового синхроимпульса он формирует импульс начала записи, который подается на блок 19 питания и блок13 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 13 управления формирует инпульс тока положительной полярности, который открывает электромеханический фотозатвор 12 записи. Начинается экспозиция преобразователя 2 теневым рентгеновским изображениег1 исследуемого объекта. Длительность экспозиции (время записи ) составляет примерно 0,3-0,5 длительности кадра и определяется временем задерх си 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

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 прэодолжается до тех пор, пока блок 20 не подает на блок 16 импульс конца считывания,под деиствием которого блоком 16 формируется импульс тока отрицательной полярности, закрывающей фотозатвор 15.

Момент формирования импульса конца считывания соответствует концу прямого хода кадровой развертки. Поскольку время памяти фототитуса значительно больше длительности кадра, то необходимо осуществлять принудительное стирание записанного ипображ ния Стирание осуществляется засветкой фоточувствительного слоя фототитуса светом импульсной лампы 17 во время обратного хода по кадру. Блок 20 формирует из переднего фронта кадрового гасящего импульсп, поступащего с синхрогенератора 21, импульс запуска блока 18, который и вырабатывает импульс питания лампы 17 стирания. После этого схема готова к записи следующего кадра.

При работе в режиме с памятью импульс конца считывания и импульс стирания подаются с задержкой на п кадров, число которых вьбирается операто ром установкой требуемого )ициента деления в счетчике кадровых синхроимпульсов, который имеется в ()локе 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 осуществляется с помощью делителей частоты кадровых синхроимпульсов и выбирается оператором по своему усмотрению.

Независимо от выбора режима работы преобразователя 2 трубка 9 и устройство 22 работают в своем обычном ме.

Предлагаемое устройство обеспечивает увеличение разрешающей способности в 5-10 раз и повышение контрастной чувствительности в мелких деталях в 5-10 раз по сравнению с прототипом.

Предлагаемое устройство позволяет использовать в рентгенотелевизионных микроскопах вместо рентгеновидиконов видиконы видимого диапазона, и том числе видиконы с памятью, что облегчает проведение различных процедур по аналоговой обработке рентгеновских изображений. Оно обеспечивает таюхе возможность использовать в качестве преобразователей оптического изображения телевизионные приборы с зарядовой связью, что облегчает с ыковку микроскопа .с электронно-вычислительными машинами при автоматизации исследований и реализации различных алгоритмических процедур и машинной обработке рентгеновских изобрамоний, в том числе и с целью распознавания образов.

Кроме того, с помощью предлагаемого устройства можно уменьшить дозу облучения исследуемого объекта за счет ислользования преобразователя 2 в режиме с памятью. Время памяти прзеобразователя регулируется в пределах до нескольких минут.

Использование режима работы преобразователя с накоплением и памятью позволяет увеличить общую контрастную чувствительность рентгенотелевизионных микроскопов при использовании маломощных источников рентгеновского излучения.

Формула изобретения

1. Рентгенотелевизионный гнпсроскоп содержащий источник излучения, рентгенооптический преобразователь изображения, выполненный в виде фототитуса с системой считывания изображения, состоящий из оптически связанных собой источника монохроматического света, коллиматора и поляризационного светоделителя, телевизионную систему наблюдения теневого изображения исследуемого объекта, имеющую передакм;(ую трубку, синхрогенератор и видеоконтрольное устройство, блок импульсного питания фототятуса, блок управления режимом работы фототитуса, выход которого связан с указанным блolco питания фототитуса, отличающийс я тем, что, с целью повышения раз1решающей способности и контрастноетной чувствительности, он снаЬЛен расположенной между поляризационным светоделителем и передающей трубкой системой пространственной фильтрации, состоящей из последовательно устаноолённых сферического Фурье-преобразующего объектива, механически соединенных между собой двух пластинок и восстанавливающего объектива, причем амп литудное пропускание первой плпстинки изменяется по радиусу от центра к краю по зависимости ilr)Ktp)Al5)H(p), где t.rj- амплитудное пропускание;. КСр)- передаточная характеристика рентгенооптического пре образователя; А(.р)- передаточная характеристика передающей трубки; н(р)(1л-1)(м-1;р - передаточная характеристика системы источник излучения рентгенооптический преобразователь; - пространственная частота; - длина волны излучения источ ника монохроматичес1:ого све та; f - фокусное расстояние Фурьепреобразующего объектива; Э - функция Бесселя первого род первого порядка; в - диаметр активной зоны источ ника излучения; М - коэффициент увеличения системы источник излучения рентгенооптический 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 рех(имом работы фототитуса. 2. Микроскоп по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что он дополнительно снабжен электромеханическими фотозатворами записи рентгеновского изображения и считывания видимого изображения, а также импульсной лампой стирания , причем указанный фотозптвор записи расположен между источником излучения и рентгенооптическим преобразователем, фотозатвор считывания размещен между источником монохроматического света и коллиматором, импульсная лампа стирания pacnojxaweHa 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 № 515977, кл. Ь 01 N 23/04, 1.175. 2.Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений. Под ед, Б.Кейзана. М., Мир, т. 1, 1973, с. 266-272, 299-301 (прототип).