CN1510559A

CN1510559A - 透射电镜数字图象接收处理系统

Info

Publication number: CN1510559A
Application number: CNA021585423A
Authority: CN
Inventors: 刘安生; 孙继光
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-07

Abstract

一种透射电镜数字图象接收处理系统，由透射电镜、CCD成象单元及控制系统构成，在透射电镜的透射电子输出端置电光转换装置，该电光转换装置的输出光信号经光学系统聚焦后传送给CCD成象单元，获得的图象信息处理成视频信号后经A/D变换变成数字信号进入桢存储器储存，再由显示逻辑电路将数字信号转换成视频信号，实时显示在计算机终端的荧光屏上，计算机信号输出端接打印机。整个系统用较少的投入，使国内现有的透射电镜的接收系统由单纯的底片感光成像发展为数字图象实时采集处理成像，达到与国际新一代电镜水平同步，完全可满足国内大部分电镜用户对图像进行实时收集、处理的要求，节省时间，大大提高了工作的效率。

Description

透射电镜数字图象接收处理系统

技术领域

本发明涉及一种透射电镜数字图象接收处理系统。

背景技术

二十一世纪将是信息化时代，信息的数字化是信息传送、贮存、处理和加工的必要前提和重要途径。它是图象存贮、处理方式的一次飞跃，也是当前科学技术发展的必然趋势。

当今世界正进入信息时代，以数字化、计算机、通讯、电视、多媒体和网络为主要特征的新的信息革命正在兴起，作为光电传感器的CCD摄像器件，在光电图象信息获取中起着极其重要的作用。

近十多年图象处理和分析技术在透射电子显微学中己获得了迅速的发展，成为电子显微学中的重要研究手段。安装联机的图象处理和分析系统已成为现代先进的电子显微镜的重要标志。由于半导体集成技术的迅速发展，高密度、高质量的电荷(光电)传感器件(CCD)的出现，使人们得到了小型的、随接数字化图象的探测元件，可制成供科研使用的数字化CCD摄像装置，加之近几年来计算机软硬件技术的飞速发展，使得透射电子显微镜完全可以实现联机的数字图象采集和各种后处理。

数字成象系统获得的数字图像，都可利用计算机对图像文件进行处理加工，这种处理加工与传统照片相比，具有快捷、多样、精确、功耗小的特点。在国外CCD数字成象系统在航天航空遥感、卫星侦察、天文观察、通讯、电影、电视、金融、医疗、印刷出版、公安保卫、照相、电子、机械等各个领域己得到了广泛的应用。

国外主要的生产厂家有美国的Gaten公司和Princeton Instruments公司。英国和法国的厂商也看好这个市场，涉足这一领域，法国Soft Imaging System公司的产品MegaView II己被日本电子公司生产的透射电镜所采用。Gaten公司生产的791型，多速广角CCD摄像机机械结构设计较为合理，受到欢迎，但是它必需配备APPLE公司Machintosh型计算机，不适合我国目前绝大多数实验室都使用与IBM公司兼容的PC机的情况；Princeton Iustruments公司生产的MicroMAX数字摄像机，机械结构与Gaten公司的产品比较，具有更大的灵活性，它便于增添防护高能电子和X射线泄漏的有关装置，它的摄像装置有相对的独立性，还可作其它用途使用。

在我国国内，现在虽有四百多台透射电子显微镜，但配备数字图象实时采集处理分析系统的透射电镜只有中科院北京电镜中心实验室和沈阳金属所固体原子象开放实验室等2-3家。由于国外透射电镜数字成像和处理分析系统产品的进口价格昂贵，一般在4万至12万美元左右，许多单位鉴于经费的不足，难以承担。北京大学电镜实验室，为高分辨电镜专门购买了美国Gaten公司的Model 420型CCD图象单元，该装置只是用于电镜高分辨像的调焦，不能进行任何图像处理。即使这样，价格也高达35万人民币。重庆原电子部44所制造的科研用CCD探头，报价是20万元。国内至今还没有一家能生产电镜用的数字图像实时成象和处理设备。因此，研制适用于我国现有透射电镜的数字图象接收处理系统，为我国广大电镜用户加装数字图象接收处理系统，是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种透射电镜数字图象接收处理系统，它把透射电镜所获得的各种信息，实时地转变成数字信号进行传送、贮存、处理和分析，使之可按照研究的目的，根据获得的图象和数据，定量地表征观察对象的本质。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种透射电镜数字图象接收处理系统，是由加装在透射电镜柱体上的电光转换装置、CCD成象单元及单独的计算机控制系统构成，透射电镜的透射电予输出端接电光转换装置，该电光转换装置的输出光信号传送给CCD成象单元，获得的图象信息处理成视频信号后经A/D变换变成数字信号进入帧存储器储存，再由显示逻辑电路将数字信号转换成视频信号，实时显示在计算机终端的荧光屏上，计算机信号输出端接图象输出设备。

本发明的优点是：可以用较少的投入，使国内现有的透射电镜的接收系统，由单纯的底片感光成像发展为目前国际上普遍采用的数字图象实时采集处理成像，使其在图象接收系统上达到与新一代电镜水平同步，提高国内电镜的应用水平。其完全可满足国内大部分电镜用户对图像进行实时收集、处理的要求，达到了投资少，经济实用、操作方便、效果显著的目的，具有较大的经济价值和明显的社会效益。由于全部数据和信息都是数字化的，可以通过Internet网，与有关协作的科研学术单位，在网上直接进行国内外远程信息交流，随时进行异地分析讨论，适应了信息时代的要求。

附图说明

图1为本发明分体式CCD系统的结构框图

图2为本发明电光转换装置示意图

图3为本发明计算机控制软件功能框图

具体实施方式

如图1所示，本发明透射电镜数字图象接收处理系统主要由安装在透射电镜柱体上的电光转换装置、CCD成象单元及单独的控制系统构成。在透射电镜的透射电子输出端置电光转换装置，该电光转换装置的输出光信号传送给CCD成象单元，获得的图象信息经处理成视频信号后经A/D变换变成数字信号进入桢存储器储存，再由显示逻辑电路将数字信号转换成视频信号，实时显示在计算机终端的荧光屏上，计算机信号输出端接图象输出设备。

上述的透射电镜可采用国内八十年代以后进口的各类型透射电镜(只要有一个完好的镜筒)。

所述的光电传感器的CCD摄像器件，在光电图象信息获取中起着极其重要的作用。CCD光电传感器具有以下主要的优点：高量子效率、优异的电荷传递性、动态范围宽、低噪音、重量轻、象素密度高和使用寿命长。CCD性能的主要指标是它的分辨率，目前最高质量的CCD器件的垂直和水平方向的像素点己分别达到3060和2036个光点。一帧画面总的像素点超过6百万个。像素点越多，图像的保真度越高。CCD的面积也相当重要，一般中等水平的CCD面积为1/9平方英寸，而高水平的为4/9平方英寸，即比1/9平方英寸面积大四倍。大的CCD面积能减少图像的失真，获得保真度更高的图象。目前成熟的CCD技术，能提供十分优质的低干扰图像。CCD器件的灵敏度是指单位成象表面照明强度引起的信号电压大小，低照度CCD的极限灵敏度优于0.02LX。

将特制的电光转换装置置于透射电镜镜筒内，透过样品的电子信号，通过该装置转换为光信号传送到置于镜筒外的CCD成象单元上，获得图像信息。其结构较简单，参见图2，采用高级光学玻璃制成三角形棱镜1，在其中一个直角面上蒸镀导电膜2，在膜上制作一层荧光层3，在荧光层上再镀导电膜4，然后再安装进一金属框架中。由于有二层导电层，成功地解决了由于使用过程中电荷积累造成的放电现象。

在电镜电子光学柱体上预留的的窗口处安装电光转换装置和CCD成象单元，对透射电镜本身结构没有任何改变，因为CCD单元在真空系统外，光学系统调焦操作很方便。

在电光转换装置和CCD成象单元部位采用严密的铅屏蔽和铅玻璃防护装置，以确保操作人员的安全。

所述的控制系统(包含10bit RS-644/LVDS数字信号输出)采用实时视频控制，可以进行快速TV扫描，各种透射电镜图象的视频信号通过专用的图像卡(型号：Viper-Digital)实现A/D转换，变成数字信号，进入帧存贮器贮存；再由显示逻辑电路，将数字信号转换成视频信号，实时显示在电脑终端的荧光屏上(此为现有技术，本文中不详述)。

另一方面为了实现部分慢扫描功能，提高图象的灵敏度和衬度；还采用了信号积累电路，作为独立的控制扳，与计算机主板相连接，从而通过计算机软件(参见图2)，调控CCD单元的驱动电路，改变采样的时间间隔，在低照度情况下，电荷读取的速度越慢，其数字化就越精确。实现信号积累，积累时间可在40ms-1min的时间段中任意调节，以增强信号，而获得满意的图象，这样即可达到与慢扫描方式的CCD系统相仿的效果。但由于采用的结构比后者简单，成本比慢扫描方式降低很多，维修也方便，所以更适合我国的实际情况。

本发明电镜数字图象接收处理系统的计算机控制软件功能的框图参见图3.其

主要功能概述如下：

1)图象的采集，积累，存贮，打印功能。

2)电子衍射花样标定，采用Visual Basic编程语言独立研制和开发了电子衍射花样的晶体学标定程序，无论对单晶样品，还是对粉末或多晶样品，都可对样品的电子衍射花样进行在线实时标定；整个程序具有界面清楚，简洁，操作灵活方便，易学易用的特点。

3)粉末颗粒粒度分析：配置了粉末颗粒的分析程序(可分析粉末颗粒样品中颗粒的粒径、面积，分布的面密度等近二十个参数)。对获得的数据可按需要随时打印，还可画出轮廓图、直方图，用更直观的方式来表达数据。其与直接测量底片获得的数据相比误差不超过5％。分析的准确度，完全能满足一般粒度分析的需要。

4)图象的富利叶变换：配置有图象的富利叶变换程序(FFT)：任何射线在物体中的衍射行为都可用傅里叶积分来描述，在电子衍射现象的光学衍射理论中也适用。它给出电荷密度为ρ(r)的物体的散射振幅F(s)，傅里叶积分具有可逆性，即给出F(s)函数后，可以通过傅里叶逆变换得到ρ(r)。如ρ(r)是晶体的电荷密度，是一个三维周期函数，ρ(r)的峰给出原子的位置。则傅里叶逆变换是一个傅里叶级数。傅里叶合成就是把这个级数中各项代表的谐波叠加起来。形成在倒易空间的象。所以利用傅里叶变换可将高分辨的象空间的图象变换成衍射空间图象，同时，利用富利叶逆变换，可将衍射空间图象转回象空间图象，在此过程中可以利用象处理技术，降低噪声，提高所得高分辨图象的质量。

在计算机型号的选择方面，选择在国内量大面广的主流机型，既可满足数字成象系统的需要，同时还可进行其他的数据处理和承担日常的办公自动化的工作，做到一机多用。

本发明技术方案解决透射电镜图象的获取和信号的数字化。考虑到我国的具体情况，采用的技术路线是以TV扫描方式为主，通过控制信号积累，使它具有部分慢扫描的功能，这样做既能进行动态的实时观察，对动态过程可以进行连续追踪分析研究，也能在弱信号下工作，通过信号积累，构成像质良好的图像，尽可能满足了我国大多数透射电镜不同研究工作的实际需要。

本发明透射电镜数字图象接收处理系统可以对图象进行实时处理和分析，迅速地获得定量数据和高质量的图象。在透射电镜上实现了图象通过CCD系统直接在电脑的荧光屏上显示，全部图象和数据形成数字化信息，可在磁存贮介质(硬磁盘、软磁盘)、光存贮介质(可擦写光盘)上存贮和读取调用，方便快捷，容量几乎无限制。计算机信号输出端同时也可接图象输出设备，所述的图象输出设备为打印机，而不是常轨的摄影底片，图象通过高分辨的打印机输出，可获得与照片同样的效果。实现了电子显微镜图象获取方式的飞跃。节约大量的感光材料和显影，定影的化学药品、相纸等。有利于节省资源和减少对环境的污染。如对电子衍射花样实现在线实时分析标定。原先从照相、洗相，到分析标定完成大约需2天时间，现在电子衍射花样显示在电脑上，调用本发明电子衍射花样标定程序，瞬间(约几分钟)就可获得分祈结果，大大提高了工作效率。

对只能承受弱电子束照射的不耐电子辐照的样品和透射电子较弱的较厚样品的观察，在电镜荧光屏上成像的亮度都较低，调焦很困难。现在通过积累方式，使信号得到增强，可以在显示器荧光屏上得到比电镜荧光屏放大倍数更大和更清晰的图象，便于高分辨图象拍摄时调焦。该成象系统较之传统的底片拍摄放大5倍，给电镜的操作和调焦带来很大的方便。整个装置不影响透射电镜原有的任何功能，对原电镜的改动减到了最小。

Claims

1、一种透射电镜数字图象接收处理系统，由透射电镜、电光转换装置、CCD成象单元及单独的控制系统构成。其特征在于：在透射电镜电子光学柱体上安装电光转换装置、CCD成象单元，透射电镜的透射电子输出端接电光转换装置，该电光转换装置的输出光信号传送给CCD成象单元，获得的图象信息经A/D变换变成数字信号进入桢存储器储存，再由显示逻辑电路将数字信号转换成视频信号，实时显示在计算机终端的荧光屏上。

2、根据权利要求1所述的透射电镜数字图象接收处理系统，其特征在于：所述的电光转换装置置于透射电镜镜筒内，CCD成象单元置于透射电镜镜筒外。

3、根据权利要求1所述的透射电镜数字图象接收处理系统，其特征在于：所述的计算机信号输出端同时接图象输出设备。

4、根据权利要求3所述的透射电镜数字图象接收处理系统，其特征在于：所述的图象输出设备为打印机。

5、根据权利要求1所述的透射电镜数字图象接收处理系统，其特征在于：所述的电光转换装置是采用一高级光学玻璃制成三角形棱镜，其直角面上蒸镀导电膜，在导电膜上覆有一层荧光层，在荧光层上镀一层导电膜，整体置于金属框架中。

6、根据权利要求1所述的透射电镜数字图象接收处理系统，其特征在于：在透射电镜电子光学柱体上预留的的窗口处安装电光转换装置和CCD成象单元。

7、根据权利要求1所述的透射电镜数字图象接收处理系统，其特征在于：所述的电光转换装置和CCD成象单元部位采用铅屏蔽和铅玻璃防护装置。