Способ определения геометрических характеристик изображения микрообъектов

СааО)сщ,жя ввт;н "иа-Мм;. Ок,вй, ОП И Союз Советских Социвлистических Республик(22) Заявле 6 77(21 ) 2502 932/18-2 4 с присоединением заявки Го арственный комитеСССРделам нзооретенийи отнрытиб 23) Приори Опубликовано 1511-79. Бюллетень Мо 42а опубликования описания 20,1179 ВТОРобретени Лыса йбышевский государственный университе 41 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 микро- объектов, измерения средних линейных размеров, количества и функции количественного распределения микро" объектов по линейным размерам, их статистической Формы и ориентации,Известны способы автоматического анализа микрообъектов посредством сканирования исследуемого образца о тическим 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. Зарегистрированный сигнал, отражающий изменение 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 сканогра)м, 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 21. На одной Фотопластине прозрачность за 698018дается Функцией координат аС (х, у),на другой - (х, у) . Параллельноустановленные 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 преобразуютсяв соответствующие изменения.выходного светового потока. Последний пропорционально преобразуется светоприемником в электрический сигнал.Процесс изменения величины выходного светового потока в зависимости от величины сдвига Фотопластины описываетсякорреляционной функцией. 1 О 15 1(9,Ч) = Х 7(х, ю)(х-М,У-Мдч дч,Основной недастаток известного способа состоит в том, что дает низкий б 0 объем конечной информации о структуре, не позволяет измерять средние линейные размеры, Форму и ориентацию прозрачных полей, прозрачных полей и их отростков, и функцию их количест . 20ГДЕ1 - ВЕЛИЧИНЫ СМЕЩЕНИЯ фатаплаС- .)тины соответственно поосям х и У.Но если функции прозрачностей взятьв видес(.==1, то есть структуру материала или живых систем заснять нафотопластинах в виде произвольным образом распределенных прозрачных с 1,= 1и черных А= О полей, характеризую-щих различные фазы материала, токорреляционная функция приобретаетгеометрический смысл в виде функциональной зависимости площади проецируемых прозрачных полей от величиныперемещения Фотопластинй (дополнитель ного изображения), Причем, на детерминированное изменение величины площади прозрачных полей, связанное снесовмещением идентичйых полей, накладывается совокупность случайныхпроцессов: вторичные и последующиепересечения прозрачных полей, дающиеувеличение прозрачной площади, и ихнесовмещения, дающие уменьшение прозрачной площади. Эти два процесса призаданном движении дополнительного .5Дизображения пространственно сдвинутыи в общем случае не компенсируют другдруга. Это привбдит к тому, что средние линейные размеры, форма и ориентация прозрачных полей, их количество содержатся в корреляционной функции в неявном виде. аким образом,по корреляционной функции, полученной равномерным поступательным перемещением дополнительного иэображения ;5в принципе невозможно определитьвыщеназванные параметры,венного распределения по линейнымразмерам,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, перпекдкулярном оптической оси световогопучка, и дополнительно модулируютсветовой пучок синхронным вращениемобоих иэображений с периодом, пре -выдающем в 10раз период колебаниядополнительного изображения микрообъектов, По величине электрического .сигнала, полученного в результатепреобразования промодулированногосветового пучка, определяют геометрические характеристики изображений.Представление структуры материала, живых систем в виде черных ипрозрачных полей позволяет использо-,вать равенства проиэвоцной проецируемой прозрачной площади по координатесмещения дополнительного иэображения,сумме линейных размеров полей и техих отростков, которые дают дополнительный вклад в изменение проецируемой прозрачной площади, йропорциональ-ную связь между проецируемой прозрачной площадью и величиной выходногосветового. потока, пействительно, колебателькые,движения дополнительногоиэображения, например по оси Х от положения совмещения изображений структуРы х, у = О (где х, у - величинасмещения дополнительного изображениясоответственно по осям Х и У), с амплитудой, пропорциональной периоду колебаний, на линейном отрезке детерминированной корреляционной. Функции позволяют линейно преобразовать производную от проецируемой прозрачнойплощади Б 11 (х, у) по направлениюколебательйых движений, равную сумме лннейных размеров прозрачных полей и их отростков в направлении осиУ (что легко показать для прозрачных полей в виде окружностей илиэллипсов, если их центры совместитьс началом собственных систем координат), в производную выходного светового потока Ф(С) по времениВ этом случае можно записать46бФ ЙБ 1 ж,ч)в- Е ч "о +Едч - "о ягде К - коэфФициент пропорциональности,у - линейные размеры прозрачаОных полей по оси У,Ы - количество прозрачных полей;ЬУ (Х 0 линейные размеры отростковв направлении оси У,и- количество отростков, дающих вклад в изменение проецируемой прозрачной площа.ди при колебательном движении дополнительного изображения.При этом амплитуда колебаний В должна быть 6 Хр,где Хср- - средний линейный размер прозрачных полей внаправлении оси Х. Колебательныедвижения дополнительного изображенияс амплитудой 6, превышающей линейный отрезок детерминированнрй корреляционной Функции, приводят к тому,что усредненное значение Ф переменной составляющей выходного световогопотока дФ .по периоду колебаний Обудет пропорционально средней величине значений производных ЙБР(х,у) /Йхна интервале амплитуды колебанийдополнительного изображенияПри определенном значении амплитуды колебаний, определенной колибровке прибора, регистрирующего среднее значение переменной составляющей выходного светового. потока, это среднеезначение будет соответствовать сумме линейных размеров прозрачных полей. к 8Фвф 11,38о где К - коэффициент пропорциональ 2ности;У - суммарное значение линейных размеров проецируемыхпрозрачных 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 соб р тельной линзой 5 и поступает в блокб аботки и регистрации оптической о раинформации 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 Х. Способ определения. геометрическиххарактеристик микрообъектов осуществляется следующим образом, С помощьюмикрометрических винтов поля изображения 3 совмещаются с идентичными5 полями дополнительного изображения.4,Совмещение выполняется визуальноили по максимальному значению выходного светового потока. Вибратор 7сообщает дополнительному изображению 4 колебательные движения от положения совмещения иэображений структуры в направлении оси Х с периодомколебаний, пропорциональным величинеамплитуды колебаний. Величина ампли 15 туды плавно регулируется, контролируется и выбирается в соответствиис постановкой задачи. Яа основаниипропорциональной зависимости междуплощадью и проходящим через нее световым потоком изменение площади прозрачных полей приводит к пропорциональ.ному изменению величины выходногосветового потока, поступающего вблок б обработки и регистрации оптической информации. В блоке б световой поток пропорционально преобразуется в электрический сигнал, выделяется переменная составляющая, которая усиливается, выпрямляется,средняется по периоду колебанийизображения 4, и в виде постоянно йсоставляющей электрического сигнала1 .; пропорциональной усредненным поамплитуде колебаний изменениям проецируемой прозрачной площади, регист 35 рируется измерительным прибором,прокалиброванным в единицах измерениядлины. Таким образом, задавая синхронное, равномерное вращение .обоимИэображеииям с периодом Т вокруг4 О си пучка света и колебательные двиос и0жения изображению 4 вблизи х;у: 0 с периодом 8, причем 9 с 10-з Тв ыходной сигнал будет изменятьсяойи о закону изменения статистическолейфо мы и ориентации прозрачных поле45 оРМв зависимости от угла поворота и зображений. Этот сигнал 1 можно граФически записать на специальном самописце, оборудованном вращающимся синхронно с изображениями диском и проалиброванном в единицах измерениядлины, . рП ичем наложение несколькихграфиков, записанных в режимах различных амплитуд колебаний иэображения 4, позволяет выполнить анализтонкой структуры контуров прозрачныхполей, степени их отростковости. формируя выходной сигнал 1 к количест-ву проецируемых прозрачных полей И,можно графически отобразить среднестатистическую форму и ориентациюпрозрачных полей,Чтобы построить функцию количественного распределения проецируемыхпрозрачных полей по их линейнымразмерам, необходимо изображение 3равномерно перемещать н направлдйии,перпендикулярном колебательным движениям дополнительного изображения 4.Тогда скомпенсиронав максимальноезначение выходного сигнала 1 ,соотулОХветствующее колебательному дникениюдополнительного изображения 4 вблизи х,:О, у:О, тоесть установивпоказания самописца на нуль, графи -чески снимается зависимость электрического сигнала 1- от величины смещения у изображения 3 по оси У.Причем показания самописца 1-у,прокалиброванного в единицахизмерения длины, соответствуют сумме .пинейных размеров прозрачных полей в отростковом и беэотростковомрежимах. В общем случае функция количественного распределения прозрачных полей Ы(у) по их линейным размерам строится в виде отношения где К - коэффициент пропорциональности между показаниями самописца и соответствующими изменениями выходного светового потока, Необходимо отметить, что при некотором смещениииэображения 3, например по оси Унесовмещаемые идентичные прозрачныеполя начинают пересекаться с набегающими на них близлежащими прозрачными полями, отличающимися от нихформой, размерами и расположением, 35Сам по себе этот процесс в отсутствие колебательных движений иэображения 4 вносит вклад лишь в величину площади проецируемых прозрачныхпо 4 ей, Колебательные движения дополнительного изображения 4 в направлении оси Х вблизи х: О приводят к тому, что в любой момент времени некоторые пересекаемые поля дают увеличение, другие уменьшение детерминиро- д 5ванного изменения проецируемой площади, вызванное раэсовмещением идентичных полей, третьи никакого вкладав изменение площади не вносят, Характер результирующего вклада в изме- Онение площади определяется формой,размером и взаимным расположениемпересекаемых полей. Все эти параметры случайны н пространстве и вовремени. В совокупности они дают двапротивоположных ранновероятных случайных процесса - приращение и вычитание площадейКроме того, зти процессы усреднены по периоду колебаний. Это приводит к тому, что сувеличением числа пересечений результирующее значение изменения площадипересекаемых полей стремится к нулюи нлияние случайного процесса взаимного пересечения полей на измерениепараметров структуры устраняется. 65 Измерение среднего линейного размера прозрачных полей и их отростков осуществляется следующим образом. Задается колебательное движение дополнительному иэображению 4 ннаправлении оси х вблизи х,=О, Из,мерительным прибором н блоке б регистрируется максимальное значениевыходного сигнала Х" , равное сумме линейных размерон, Затем с помощью микрометрического винта перемещается изображение 3 до уровня 0,5.1 , По лимбу микрометра определяется величина смещения иэображения Ь,Она будет соответствовать 1 /2 И,1 акСледовательно, Ъ = 2 Ь являетсясредним линейным размером в направлении оси У. Причем измерение среднего линейного размер прозрачныхполей и их отростков или только прозрачных полей осуществляется н режимах соответствующих значений амплитуд колебаний дополнительного изображения 4,Соответственно количество прозрачных полей и их отростков или толькопрозрачных полей н направлении, например оси, определяется независимо отрежима колебательных движений отношением измеренных величин 1 Ь = ИэфПереход от размеров изображенийпрозрачных полей к истинным размерамвключений компонентов достигаетсяделением данных измерений на известное увеличение структуры на иэображение,, Таким образом, предлагаемый способ позволяет количественно анализировать структуру прозрачных полей,измерить их статистическую форму иориентацию, функцию количественногораспределения полей по их линейнымразмерам, средние линейные размеры иколичество проецируемых прозрачныхполей,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 в электрическийсигнал, по которому определяют геометрические характеристики иэображений, о т л и ч а ю щ и й с я 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 превышающим в 10" раза период колебания дополнительного изображениямикрообъектов,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Богданов К.М. Методы количественного анализа морфологических струк. Составитель Т. ЯнчипоровичРедакторУЭ Г бницкая Техред Э, Чужик Корр ектор Е Лукач П ектная,филиал ППП фПатентф г. Ужгород, ул. РоекУ Заказ 6930/35 Тираж ЦИИИПИ Государстве по делам изобр 113035, Москва, Ж80ого кенийРаушс тур иа основе их статистических характеристик, Сб, Машинный анализ микроскопических объектов, М., Яаукаф,1968, с. 21-31,2, Зверев Е.А. Оптические анализаторы, М, Сов. Радио, 1971,с, 16 (прототип). одписное ета СССРкрытийнаб., д.4