CC BY
12
ХИМИЯ
Вестник Омского университета, 2002. №2. С. 35-40. © Омский государственный университет
УДК 359.27
АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
СКАНЕРА
Е.Г. Атавин
Омский государственный университет, кафедра органической химии 644077, Омск, пр.Мира, 55A1
Получена 11 января 2002 г.
The influence of the different sources of mistakes which appeare when a scanner is using as a microdensitometer for the measurement of photoemulsion optical densities was analysed.
1. Введение
В электронографическом эксперименте традиционно используется фотографическая регистрация с последующим микрофотометрированием полученных фотоматериалов. В последнее время появились сообщения об успешном использовании вместо микрофотометра сканера [1-2]. При этом возникают ряд проблем, которые можно разбить на две группы. Первая касается деталей математического алгоритма обработки двумерной системы экспериментальных точек фотопластинки, в частности, уточнения центра дифракционной картины [3,4]. Вторая - связана с проблемой точности, воспроизводимости и правильности плотностей почернения фотоэмульсии, измеряемых с помощью сканера.
Очевидны достоинства сканера - высокая скорость оцифровки всей поверхности фотопленки, серийность прибора, сравнительно невысокая стоимость. Очевидны и его недостатки - явная ориентация на полиграфическое использование с отсутствием каких-либо фирменных гарантий и рекомендаций метрологического характера. Ниже на примере высоко точного позитивного 8-битового сканера MUSTEK PARAGON 1200 COMBO (химический факультет МГУ) обсуждается метрологическая часть проблемы использования сканеров для количественного измерения плотностей почернения фотоэмульсии.
2. Кинематическая часть сканера
Высокие требования к точности электроногра-фических структурных данных (относительная погрешность - порядка 0.1%) требуют знания с
1 e-mail: atavin@univer.omsk.su
такой же точностью величин шагов Юх и Юу (Юх « Юу « 0.084 мм) поперек движения каретки сканера (ось ОХ) и вдоль сканирования (ось ОУ) Точнее, благодаря использованию методики газового стандарта, достаточно, чтобы величины шагов Юх и Юу сохранялись постоянными с указанной точностью по крайней мере в промежутке между сканированием фотоматериалов исследуемого вещества и вещества, выбранного в качестве стандартного. Точность и воспроизводимость этих характеристик определяются в первую очередь надежностью работы кинематической части сканера. Прямые измерения длины 10-сантиметрового отрезка, ориентированного вдоль и поперек в разных областях рабочего окна сканера не выявили наличия дрейфа шагов сканирования Юх и Юу с точностью 1-2 пикселя (0.1-0.2%). Наблюдение за величинами шагов Юх и Юу в течение двух лет показало также их достаточную временную воспроизводимость (за весь период наблюдения изменение величин шагов не превысило < 0.2%). Повторное сканирование одной и той же фотопластинки с последующим определением центра аксиально симметричной дифракционной картины приводит к значениям положения центра, воспроизводящимся в направлении движения каретки сканера с точностью 0,05 мм и в перпендикулярном направлении с точностью 0,01 мм.
3. Воспроизводимость фотодиодной схемы сканера
Достаточная воспроизводимость работы кинематической части сканера позволяет оценить воспроизводимость регистрируемых значений пропусканий просто повторным сканированием фо-
36
Е.Г. Атавин
Схема 1. Гистограмма шумов Д сканера
топленки. После отбрасывания грубых выбросов от среднего значения, составляющих около 1% точек, (3 сигма-критерий), получаем нормальное распределение (асимметрия 0.021, эксцесс 0.019), (схема 1). Отметим, что среднеквадратичное отклонение пропусканий сканера (2-3 единицы градаций яркости) заметно превышает погрешность оцифровки.
4. Влияние установки контраста и яркости
Сканер, в отличие от фотометра, способен активно влиять на качество сканированного изображения путем выбора значений контраста и яркости из диапазона от -12 до +12). При этом регистрируемые пропускания даже для одной и той же фотопластинки будут принимать различные значения из диапазона 0-255. С одной стороны, выбором подходящих значений контраста и яркости можно существенно влиять на погрешность оцифровки сканера; с другой стороны, большое количество вариантов их сочетаний осложняет последующий переход от пропусканий к плотностям почернения фотоэмульсии. Подчеркнем, что пропускания Т и Т', полученные для разных значений контраста и яркости, связаны между собой линейной зависимостью Т' = АТ + В, коэффициенты Л и Б которой зависят от выбранного режима сканирования.
5. Распределение пропусканий сканера
Для контроля за качеством выбора значений контраста и яркости полезно строить гистограммы,
Схема 2. Гистограмма пропусканий Т сканера
показывающие частоту появления пропусканий в диапазоне 0 - 255. Однако при этом обнаруживается дефект блока оцифровки, связанный с аномально редкой частотой появления пропусканий 11,27,43,59,... И наоборот, избыточно часто встречаются пропускания 12, 28, 44, ... (схема 2).
Гистограмма близкого вида наблюдалась на 8- и 16-битовых сканерах, используемых норвежскими электронографистами [1]. Для исправления систематических ошибок, очевидно, вносимых при этом сканером, рекомендуется сканировать каждую фотопластинку несколько раз при различных значениях контраста и/или яркости. При этом дефектные значения пропусканий будут приходиться на разные участки изображения, и последующее усреднение (после соответствующего линейного преобразования к одному режиму) с отбрасыванием выпадающих значений пропусканий позволит скорректировать значения пропусканий.
6. Влияние неточечности приемника и источника
В отличие от микрофотометра, имеющего практически точечные источник и приемник света, источником света позитивного сканера служит протяженная люминисцентная лампа, а приемником - протяженная фотодиодная матрица. Подчеркнем, что хотя в этих условиях тень от точечного изображения должна получаться расплывчатой, практически наблюдающееся сканированное изображение (точечные дефекты, волоски, царапины, буквы ... ) носит достаточно четкий характер, что связано, по-видимому, с аппаратным решением проблемы. Однако сканирован-
Анализ метрологических характеристик сканера
37
Схема 3. Систематическое отклонение значений почернения эмульсии О поперек направления сканирования
ные изображения иногда имеют ясно различимые продольные полосы, ориентированные вдоль движения каретки сканера. Анализ отклонений от характерной для электронографических фотоматериалов аксиальной симметрии позволяет наблюдать эти дефекты особенно отчетливо (схема 3). Повторное сканирование воспроизводит эту кривую с коэффициентом корреляции 96%.
По-видимому, основными причинами появления подобных дефектов служат неоднородность отражательной способности выравнивающей баритовой линейки, которая должна компенсировать неоднородность свойств фотодиодной матрицы, а также наличие загрязнений на внутренних оптических деталях сканера. Подчеркнем, что, хотя относительная величина обсуждаемого эффекта составляет всего около 1% от плотности почернения фотоэмульсии, введение соответствующих поправок в алгоритм [3,4] позволило заметно улучшить качество его работы.
7. Калибровка сканера по фотометрическому клину
Плотность почернения фотоэмульсии Л связана с интенсивностью падающего 1о и прошедшего света I известным соотношением:
Л = Ьад(1о/I).
Однако проверка показала, что даваемые сканером пропускания существенно нелинейно связаны с интенсивностью светового потока, а это приводит к особенно большим погрешностям в значении пропускания, отвечающего величине
Схема 4. Калибровочная кривая для перевода сканированных почернений О в фотометрические
1о. Казалось бы, проблема легко решается калибровкой сканера с помощью фотометрического клина с нанесенными известными значениями почернений. Однако для каждой комбинации значений контраста и яркости нужна своя калибровочная кривая. Более того, сканирование электронографических фотоматериалов требует режима с большой контрастностью, в котором сканер "видит"лишь 2-3 участка фотометрического клина, что недостаточно для калибровки.
Решение проблемы состоит в том, что даже 23 участков клина достаточно для определения коэффициентов Л и Б, связывающих пропускания при различных режимах сканирования. В таком случае достаточно получить калибровочную кривую для одного (малоконтрастного, выбранного в качестве стандартного) режима (схема 4), в котором наиболее полно различаются все участки фотометрического клина, и приводить пропускания из выбранного высококонтрастного режима к стандартному соответствующим линейным преобразованием.
[1] Gundersen S., Strand T.G. J.Appl.Cryst. 1996. Vol.29. P.638-645.
[2] Aarset K., Hagen K., Page E.M., Rice D.A. J.Mol.Struct 1999, V.478. P.9-12.
[3] Атавин Е.Г., Фролова М.И., Вилков Л.В. // Вестник Омского университета. 2001. № 4.
[4] Атавин Е.Г., Вилков Л.В. // Вестник Московского университета. 2001. № 4. С. 34.
