Способ определения геометрических характеристик изображения микрообъектов Советский патент 1979 года по МПК G06K9/00 G01N33/483 H04N7/00 

Предлагаемый способ относится к области техники фотометрических из рений и может быть использован в, металлографии, медицине, биологии для количественного анализа микрообъектов, измерения средних линейных размеров, количества и функции количественного распределения микр объектов по линейным размерам, их статистической формы и ориентации. Известны способы автоматического анализа микрообъектов посредством сканирования исследуемэго образца о тическим или электронньм пучком в режиме прохождения или отражения Сканирующий пучок при этом монохроматизируется. Различные участки мик роструктуры с различной степени про пускают или отражают сканирующий пучок. Латчик оптической плотности преобразует его в соответствующие изменения электрического сигнала. Сигнал датчика усиливается электрол Hbffvi усилителем и поступает в регист рирующее устройство.. Записанный на бумажную ленту, кинопленку или фото пластинку, магнитную ленту, перфоленту или перфокарту информационный сигнал или непосредственно усиленный сигнал датчика обрабатывается на вычислительной машине. Зарегистрированный сигнал, отражающий изменение оптической плотности негомогенного объекта на пути сканирования, рассматривается как .реализация стационарного случайного процесса, что позволяет использовать 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. Из известных способов наиболее близким к описываемому является способ измерения корреляционных функций различных законов распределения прозрачностей двух фотопластин 2. На одной фотопластине прозрачность задается функцией координат о(, (х, у) , на другой - Р)(Х, у). Параллельно установленные фотопластины просвечиваются нормально падающим к их плоскости параллельным пучком света. Посредством равномерного смещения какойлибо фотопластины в направлении, перп.;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 св тового потока в зависимости от величины сдвига фотопластины описывается корреляционной -функцией. П (%,)) и-,), I где fiH величины смещения фотоплас соответственно по осям X и Y. Но если функции прозрачностей взя в видесС р)-| , то есть структуру ма териала или живых систем заснять на фотопластинах в виде произвольным об разом распределенных прозрачных oL и черных d. О полей, харалгеризующих различные Фазы материала, то корреляционная функция приобретает геометрический смысл в виде функциональной зависимости площади проецируемых прозрачных полей от величины перемещения фотопластины (дополнител ного изображения). Причем, на детерминированное изменение величины площади прозрачных полей, связанное с несовмёщением идентичных полей, накладашается совокупность случайных процессов: вторичные и последующие пересечения прозрачных полей, дающие увеличение прозрачной площади, и их несовмещения, дающие уменьшение проз рачной площади. Эти два процесса при заданном движении дополнительного изображения, пространственно сдвинуты и в общем случае не компенсируют дру друга. Это приводит к тому, что сред ние линейные размеры, форма и ориентация прозрачных полей, их количество содержатся в корреляционной функции в неявном виде. Таким образом, по корреляционной функции, полученной равномерным поступательным перемещением дополнительного изображения в принципе невозможно определить вышеназванные параметры. Основной недостаток известного сп соба состоит в тем, что дает низкий объем конечной информации о структуре, не позволяет измерять средние линейные размеры, форму и ориентацию прозрачных полей, прозрачных полей и их отростков, и функцию их количес енного распределения по линейным азмерам. Целью изобретения является повыение достоверности определения геоетрических характеристик изображеия микрообъектов. Предлагаемый способ отличается из известного тем, что световой пучок модулируют колебательным движением дополнительно- :изображения в направлении, nepneti кулярноМ оптической оси светового пучка, и дополнительно модулируют световой пучок синхронным вращением обоих изображений с периодом, превышающем в период колебания дополнительного изображения микрообъектов. По величине электрического сигнала, подученного в результате преобразования промодулированного светового пучКа, определяют геометрические характеристики изображений. Представ-ление структуры материала, живых систем в виде черных и прозрачных полей позволяет использо- , вать равенств.о произво 1ной проецируемой прозрачной площади по координате смещения дополнительного изображения, сумме линейных размеров полей и тех их отростков, которые дают дополнительный вкла:д в изменение проецируе-н мой прозрач:нЬй площади, йропорциональ- ную связь между проецируемой прозрачной площадью и величиной выходного светового.потока, Действительно, колебательные /движения дополнительного изображения, например по оси X от положения совмещения изображений структуры X, у 0 (где X, у - величина смещения дополнительного изображения соотйетйгтвенно по осям X и У) , с амплитудой, пропорциональной периоду колебаний, на линейном отрезке детерминированной корреляционной, функций позволяют линейно преобразовать прои&водную от проецируемой прозрачной площади Sj,p(x, у) по направ лению колебательных движений, равную сумме линейных размеров прозрачных полей и их отростков в направлении оси У (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 O(t) по времени t . В.этом случае записать К dS..p(.TC,s|) at v|bi&- -,XHI где К, - коэффициент пропорциональности, У-() линейные размеры прозрач ных полей по оси f, Ы - количество прозрачных полей; ДУ, /&( линейные размеры отростков в направлении оси У, п-1 - количество отростков, дающих вклад в изменение проецируемой прозрачной площа .ди при колебательном движе нии дополнительного изобра жения. При этом амплитуда колебаний долж на быть ,Дб ср - средний ли нейный размер прозрачных полей в направлении оси X. Колебательные движения дополнительного изображени с амплитудой ., превышающей линейный отрезок детерминированнрй корре ляционной функции, приводят к тому, что усредненное значение Ф переме ной составляющей выходного световог потока дФ. по периоду колебаний в будет пропорционально средней велич не значений производных dSpp{x,y)/dx на интервале амплитуды колебаний дополнительного изображения. При оп ределенном значении амплитуды колебаний, определенной колибровке прибора, регистрирующего среднее значе ние переменной составляющей выходного светового.потока, это среднее значение будет соответствовать сумме линейных размеров прозрачных по лей . Ф5 .ФДоа1-tJtfo,(l).f.,, 6 где Kj - коэффициент пропорциональ, . ности; У - суммарное значение линейных размеров проецируемых прозрачных полей по оси У. На чертеже схематически показан принцип реализации способа определе ния геометрических характеристик микрообъектов. Нормально падающий параллельный пучок 1 света проходит через диафрагму 2: параллельно уста новленные идентичные изображения структуры 3, 4 в виде стохастически распределенных черных и прозрачных полей, характеризующих различные фазы/материала,- фокусируется собирател | 2 ой линзой 5 и поступает в блок обработки и регистрации оптической информации 6. Диафрагма 2 формирует область проекции изображений. Основное изображение 3 снабжено механичес кой системой, позволяющей с помощью микроскопических винтов выполнять независимые его перемещения по координатам X и Y. 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. С помощью микрометрических винтов поля изображения 3 совмещаются с идентичными 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 изображений структуры в направлении оси X с периодом колебаний, пропорциональным величине амплитуды колебаний. Величина амплитуды плавно регулируется, контролируется и выбирается в соответствии с постановкой задачи. На 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 6 световой поток пропорционально преобразуется в электрический сигн%л, выделяется переменная составляющая, которая усиливается, выпрямляется, усредняется по периоду колебаний изображения 4, и в виде постоянной составляющей электрического сигнала I.j пропорциональной усредненным по амплитуде колебаний изменениям проецируемой прозрачной площади, р егастрируется измерительным прибором, прокалиброванным в единицах измерения длины. Таким образом, задавая синхронное, равномерное вращение .обоим изображениям с периодом Т вокруг оси пучка света и колебательные движения изображению 4 вблизи , у5 - О с периодом в, причем ©SIO T, выходной сигнал будет изменяться по закону изменения статистической формы и ориентации прозрачных полей в зависимости от угла поворота изображений. Этот сигнал 1 можно графически записа;ТЬ на специальном самописце, оборудованном вращающимся синхронно с изображениями диском и прокалиброваннсм в единицах измерения длины. Причем наложение нескольких графиков, записанных в режимах различных амплитуд колебаний изображения 4, позволяет выполнить анализ тонкой структуры контуров прозрачных полей, степени их отростковости. Нормируя выходной сигнал I- 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 равномерно перемещать в направлении перпендикулярном колебательным движениям дополнительного изображе {ия Тогда скомпенсиронав максимальное значение выходного сигнала соответствующее колебательному движению дополнительного изобра:жения 4 вблизи , , тоесть установив показания самописца на нуль, графически снимается зависимость электри ческого сигнала I- от величины смещения у изображения 3 по оси У. .Причем показания самописца Т-.у прокалиброванного в единицах измерения длины, соответствуют сумме линейных размеров прозрачных полей, в отростковом и безотростковом режимах.. В общем случае функция количественного распределения прозрач ных полей N(y) по их линейным разме рам строится в виде отношения .иш,,,)а „,: N1.) -1 где К - коэффициент пропорционально ти между показаниями самописца и со ответствующими изменениями выходного светового потока. Необходимо отметить, что при некотором смещении изображения 3, например по оси У, несовмещаемые идентичные прозрачные поля нашнают пересекаться с набегающими на них близлежащими прозрач нь1ми полями, отличающимися от них. формой, размерами и расположением. Сам по себе этот процесс в отсутствие колебательных движений изображения 4 вносит вклад лишь в величину площади проецируемых прозрачных noAePi. Колебательные движения допол нительного изображения 4 в направле нии оси X вблизи X -s О приводят к то му, что в любой момент времени некоторые пересекаемые поля дают увел чение, другие уменьшение детерминир ванного изменения проецируемой площ ди, вызванное разсовмещением идентичных полей, третьи никакого вклад в изменение площади не вносят. Характер результирующего вклада в изм нение площади определяется формой, размером и взаимным расположением пересекаемых полей. Все эти парамет ры случайны в пространстве и во времени. В совокупности они дают дв противоположных равновероятных случайных процесса - приращение и вычи тание площадей. Кроме того, эти про цессы усреднены по периоду колебаний. Это приводит к тому, что с увеличением числа пересечений резул тирующее знс1чеиие изменения площади пересекаемых полей стремится к нулю и влияние спучайного процесса взаим ного пересечения полей на измерение параметров структуры устраняется. Измерение среднего линейного разера прозрачных полей и их отростов осуществляется следующим образом. Задается колебательное движенне дополнительному изображению 4 в направлении оси х вблизи х .0. Измерительнг м прибором в блоке 6 регистрируется максимальное значение выходного сигнала равное сумме линейных размеров. Затем с помощью микрометрического винта перемещается изображение 3 до уровня 0,5 .1 . По лимбу микрометра определяется величина смещения изображения Ь. Она будет соотв етствовать l °V2Ni Следовательно, Ъ 2 b - является средним линейным размером в направлении оси У. Причем измерение среднего линейного размера прозрачных полей и их отростков или только прозрачных полей осуществляется в режимах соответствующих значений амплитуд колебаний дополнительного изображения л, Соответственно количество прозрачных полей и их отростков или только прозрачных полей в направлении, например оси, определяется независимо от режима колебательных движений отношением измеренных величин N,((ti Переход от размеров изображений прозрачных полей к истинны.1 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 статистическую форму И ориентацию, функцию количественного распределения полей по их линейным размерам, средние линейные размеры и количество проецируемых прозрачньях полей. Формула изобретения .Способ определения геометрических характеристик изображения микрообъектов, основанный на создании дополнительног о изображения микрообъектов, модуляции светового пучка равномерно поступательным движением основного изображения микрообъектов и преобразовании промодулированного светового пучка в 31лектрический сигнал, по которому определяют геометрические характеристики изобра-. жений, отличающийс я тем, что5 с целью повышения достоверности определения, световой пучок модулируют колебательным движением дополнительного изображения в направлении, перпендикулярном оптической оси светового пучка, и дополнительно модулируют Световой пучок синхронным вращением обоих изображений с периодом.

превышающим в 10 раза период колебания дополнительного изображения микрообъектов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Богданов К.М. Методы количественного анализа морфологических структур иа основе их статистических характеристик. Сб. Машинный анализ микроскопических объектов, М., Маука, 1968,. с. 21-31,

2. Зверев В.А, Оптические анали5 заторы, М, Сов. радио , 1971, с. 16 (прототип).

3 Хч