Спосіб автоматичного фокусування електронного мікроскопа за зображенням досліджуваного об’єкта

Винахід відноситься до області електронної мікроскопії і може бути використаний для самонастроювання мікроскопів за зображенням досліджуваного об'єкту в таких областях як біологія, геологія, фізика твердого тіла, матеріалознавство тощо. Відомий спосіб автоматичного фокусування електронного мікроскопа за зображенням досліджуваного об'єкту, по якому шляхом послідовного сканування потоком вторинних електронів рельєфу поверхні досліджуваного об'єкту формують матрицю яскравості його зображення, що фокусується, оцінюють фокусування електронного зображення визначенням значення автокореляційної функції відеосигналу, що надходить з виходу попереднього підсилювача, запам'ятовують максимальне значення сигналу, що відповідає сфокусованому зображенню, а при наявності відхилення від максимального значення дефокусування електронного зображення усувають зміною величини струму фокусуючої лінзи (див. ав.св. СРСР №942189, М. кл. H01J37/21, 1982). Даний спосіб є найбільш близьким по технічній суті до заявляемого і тому прийнятий за прототип. Однак, при використанні даної системи автоматичного фокусування електронного мікроскопа, побудованої на принципі обчислення автокореляційної функції відеосигналу необхідне квантування його значень з частотою порядку десятків кілогерц, що навіть за умови безінерційності екстремального регулятора не дозволяє змінювати з такою частотою струм в обмотці електромагніта фокусуючої лінзи, яка є фільтром нижніх частот і має значну інерційність, що призводить до затримки керуючого сигналу. Зниження частоти квантування відеосигналу призводить до збільшення кроку кореляції, що знижує точність обчислення автокореляційної функції і може викликати зрив процесу автофокусування у цілому. В основу винаходу поставлене завдання удосконалення способу автоматичного фокусування електронного мікроскопа за зображенням досліджуваного об'єкта шляхом ітераційного пошуку максимуму інформаційної міри різноманітності між розфокусованим і поточним зображеннями, дозволяючи при цьому зменшити майже на порядок обсяг вибірки значень відеосигналу при різних рівнях його постійної складової, що сприяє підвищенню швидкодії автоматичного фокусування і розширенню діапазону настроювання електронного мікроскопа. Поставлене завдання досягається тим, що в запропонованому способі автофокусування електронного мікроскопа за зображенням досліджуваного об'єкта, де формують матрицю яскравості зображення фокусуючого об'єкта послідовним скануванням потоком електронів його рецепторного поля з наступним оцінюванням ступеня фокусування електронного зображення об'єкта, відповідно до винаходу, формування матриці яскравості зображення об'єкта спочатку здійснюють для початкового розфокусованого зображення об'єкта, прийнятого за базове, потім шляхом статистичного усереднення отриманих кривих яскравості для кожного рядка рецепторного поля зображення об'єкта формують його еталонну реалізацію, перетворюють матрицю яскравості в бінарну шляхом порівняння одержаних у кожному пікселі значень яскравості з відповідними контрольними допусками, визначають напрямок зміни струму, що компенсує, в обмотці фокусуючої лінзи і змінюють його на величину достатню для вирівнювання рівня роз-фокусування зображення для наступного етапу настроювання електронного мікроскопа, далі формують еталонну реалізацію і бінарну матрицю для поточного зображення об'єкта, визначають ступінь фокусування шляхом обчислення інформаційної міри різноманітності між базовим і поточним зображеннями об'єкта, потім здійснюють ітераційний пошук максимуму міри різноманітності, між базовим і поточним зображеннями об'єкта визначають екстремальне значення струму фокусуючої лінзи, яке і забезпечує потрібну фокусність зображення. Використання способу, що заявляється, у сукупності з усіма істотними ознаками, включаючи відмінні, дозволяє шляхом ітераційного пошуку максимуму різноманітності між розфокусованим і поточним зображеннями об'єкта змінювати величину струм у, що компенсує в обмотці електромагніта фокусуючої лінзи для досягнення необхідної фокусності зображення. При цьому для обчислення інформаційної міри різноманітності між базовим і поточним зображеннями об'єкта на кожному кроці настроювання потрібен обсяг вибірки на порядок менший, ніж для обчислення автокореляційної функції, що підвищує оперативність настроювання. Окрім того, у пропонованому винаході розширюється діапазон настроювання, оскільки обчислення інформаційної міри різноманітності здійснюється при різних рівнях яскравості зображень. Спосіб, що пропонується реалізовано при автофокусуванні растрового електронного мікроскопа РЕМ-103 Мікроскоп містить відеопристрій, що відображає телевізійним способом досліджуваний зразок на екран керуючого комп'ютера. На фіг.1 показано області значень струму обмотки управління ІФ фокусуючої лінзи, що безпосередньо впливає на фокусність зображення. Тут А0 - номінальне значення струму ІФ; Х0 - початкове розфокусоване (базове) зображення зразка; XS C0 , C 0 , C 0 поточний клас, сформований на S-ому кроці настроювання; M H Б - області, для яких значення струму ІФ менше, норма, більше норми відповідно. Так як інерційність обмотки управління фокусуючої лінзи істотна, процес настроювання електронного мікроскопа розглядається як багатокрокова процедура, при якій струм ІФ змінюється з постійним кроком DI Ф = 10mA . На фіг.2 показані зображення досліджуваного зразка в процесі автофокусування: базове розфокусоване (фіг.2а), зображення на першому (фіг.2б) і другому кроках настроювання (фіг.2в), сфокусоване зображення (фіг.2г) і перефокусоване зображення (фіг.2д). Процес автофокусування мікроскопа полягає у виконанні таких дій: визначають напрямок зміни струму ІФ 0 CM C0 Б ; для зображення Х0 шляхом шляхом визначення приналежності класу Х0 однієї з областей , або послідовного сканування його рецепторного поля формують матрицю яскравості; формують еталонну реалізацію зображення шляхом статистичного усереднення кривих яскравості, отриманих для кожного рядка рецепторного поля; перетворюють матрицю яскравості в бінарну шляхом порівняння значень яскравості з відповідними вихідними контрольними допусками. Цілеспрямовано змінюють струм І на величину DI Ф . Для поточного Ф зображення зразка аналогічно формують бінарну матрицю яскравості і еталонну реалізацію. У рамках екстремального-інформаційного методу функціонально-статистичних досліджень (див. статтю Краснопоясовського А.С., Черниша А.В., Сластушевського О.Ю. Про вибір критерію функціональної ефективності системи розпізнавання, що навчається // Радіоелектроніка й інформатика, 2001 №4. С.121-124) обчислюють інформаційну міру між початковим і поточним зображеннями зразка, що при двохальтернативній системі оцінок рішень і рівноймовірних гіпотезах, наприклад, для ентропійного критерію Шеннона має вигляд: a, b, D 1,D 2 де - точнісні характеристики: помилки першого і другого роду, перша і друга імовірності відповідно. Потім порівнюють поточне значення інформаційного критерію (1) з попереднім. Настроювання продовжують доти, поки не буде знайдено його максимальне значення в робочій області його визначення, для якої вірогідності D1, D2>0,5. На фіг.3 показано значення критерію (1), обчислене на кожнім кроці настроювання для зображень, наведених на фіг.2. Аналіз фіг.3 показує, що максимум критерію (1) отримано на третьому кроці настроювання, що відповідає сфокусованому зображенню. Таким чином, запропонований спосіб автофокусування мікроскопа за зображенням досліджуваного зразка дозволяє шляхом ітераційного пошуку максимуму міри різноманітності між базовим розфокусованим і поточним зображеннями об'єкта цілеспрямовано змінювати струм фокусуючої лінзи, домагаючись необхідної фокусності зображення. Обчислення інформаційного критерію, на відміну від автокореляційної функції дозволяє зменшити майже на порядок обсяг вибірки, що підвищує швидкодію автофокусування. Використання пропонованого способу дозволяє забезпечити постійні й однакові умови обробки зображень досліджуваних зразків, що особливо актуально при їхній автоматичній класифікації. Винахід промислове застосовний. Спосіб випробуваний у виробничих умовах при автоматичному фокусуванні серійного мікроскопа РЕМ-103 (виробництва ВАТ SEL MI, м.Суми, Україна) і дав позитивні результати.