微焦點X射線數字成像系統的最佳分辨率

劉 駿，楊 龍，劉 軍

(1.無錫日聯科技股份有限公司，江蘇無錫214145；2.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島066011)

微焦點X射線數字成像系統的最佳分辨率

劉 駿1，楊 龍1，劉 軍2

(1.無錫日聯科技股份有限公司，江蘇無錫214145；2.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島066011)

根據微焦點X射線數字成像檢測系統在半導體行業中實際應用的要求，通過推導得出微焦點X射線數字成像檢測系統的分辨率與放大倍數的數據關系式，并帶入到實際的檢測系統中，繪制出了系統分辨率與放大倍數關系曲線；通過曲線說明了應用在半導體行業的微焦點X射線數字成像檢測系統，在一定放大倍數范圍內，系統具有最佳分辨率，并通過實驗的數據與理論值對比，驗證了結論的正確性。

微焦點X射線；最佳分辨率；放大倍數；

微焦點X射線數字成像系統與其他X射線數字成像系統的不同之處在于對細節放大的同時保持足夠的分辨率。憑借這種特點，微焦點X射線數字成像系統在對精密壓鑄件、電子產品、線路板、半導體等尺寸細小物品的檢測有著顯著優勢。分辨能力已成為此種檢測設備的一個核心參數。現在市面上較為流行的幾種微焦點X射線數字成像檢測設備，均將放大倍數作為衡量分辨細節能力的指標，根據筆者在業內對大量客戶的回訪，研究發現使用者在進行檢測時盲目地增加放大倍數并沒有起到讓圖像更清晰的作用。本文提出了微焦點X射線系統最佳分辨率的公式，并通過實驗，驗證了該公式的正確性，對今后應用及制造微焦點X射線系統起到了指導作用。

1 微焦點X射線數字成像系統最佳分辨率的數學模型推導

1.1 微焦點X射線源

目前微焦點X射線源有兩種封裝方式，封閉式和開放式，開放式微焦點X射線源的優點是采用可更換燈絲，透射激發X射線，可以做到1 μm以下的焦點，并可以大功率輸出；缺點是安裝復雜，采購成本比較高。封閉式微焦點X射線源的優點是安裝簡便，性價比高，焦點可做到10 μm以下。鑒于我國電子工業發展狀況，大多數相關廠商都可以負擔起封閉式微焦點X射線源的檢測設備，故本文采用的是美國進口的封閉式X射線源，最大輸出功率8 W，最大焦點尺寸d＝0.009 mm。

1.2 X射線探測器

根據市面上流通比較多的微焦點X射線檢測設備探測器的調研，綜合考慮使用廠商的采購能力，決定采用日本進口的圖像增強器。該圖像增強器輸入屏尺寸100 mm，理想X射線源下分辨率R1＝7.7 lp/mm，X射線源焦點對圖像增強器的影響有公式：

其中，R0為圖像增強器在非理想射線源下的分辨率；

R1為圖像增強器在理想源下的分辨率；

R2為X射線源到圖像增強器輸入面的分辨率。

1.3 放大倍數與系統分辨率關系曲線

最小分辨的物體尺寸投影到成像器輸入屏后得到：

其中，M為放大倍數；d為焦點尺寸。

合并公式(1)(2)后，得：

將R1=7.7 lp/mm，d=0.009 mm帶入公式(4)得到關系曲線如圖1所示。

R0投影到系統上得到系統分辨率R：

圖1 放大倍數與系統分辨率關系曲線

由圖1可見，系統的分辨能力在放大倍數達到一定數值后，就不會隨著放大倍數的增加而上升，局部放大后，見圖2所示，當放大倍數M=53時，系統分辨率到達最大值56.087 lp/mm，隨后系統分辨率隨著放大倍數的上升而減小，精確到個位后，系統分辨率為56 lp/mm，放大倍數在35.52到106.93之間。

2 微焦點X射線數字成像系統最佳分辨率的數學模型實驗驗證

2.1 微焦點X射線數字成像系統構成

微焦點X射線數字成像系統由含鉛的外殼、X射線源、成像器、機械運動系統、計算器處理系統構成。被測物體放置在載物平臺上，通過機械運動系統調整X射線源與被測物體、X射線源與成像器之間的距離，從而改變放大倍數，在成像器接收到X射線后通過圖像處理系統，在顯示器上顯示出來。系統構成見圖3、圖4。

圖2 放大倍數與系統分辨率關系曲線（區間）

圖3 系統內部結構圖

圖4 系統實物圖

本文所用的檢測系統，X射線源焦點為0.009 mm，所用的成像器為100 mm（4英寸）雙視野圖像增強器，搭配200萬像素的CCD相機。

圖5為放大倍數為107時，焦點尺寸d= 0.009 mm時，圖像增強器JIMA卡X射線數字圖像，從圖上可分辨出10 μm的線對，根據分辨率與可識別缺欠尺寸關系公式：

將M=107代入公式(5)，得出Xmin=0.009，綜合考慮FOD尺寸誤差及系統噪聲的干擾，所得結果與圖像上觀測到的尺寸近似相等。

圖5 在M=107時，JIMA卡檢測圖片

3 結 論

本文提出了微焦點X射線數字成像系統的最佳分辨率，給出了放大倍數與系統分辨率的關系曲線，并根據實驗圖片，驗證了公式的正確性。當系統放大倍數為36倍至107倍時，系統具有最佳的分辨率，本文中驗證的系統最佳系統分辨能力為56 lp/mm。

本文所使用的微焦點X射線源因功率限制，所以在驗證公式時，沒有考慮射線圖片質量的問題，只關注圖片中線對的分辨能力，如果采用開放式微焦點X射線源，圖像質量可以更佳。

[1] 李瑋.高分辨率電子工業用數字化X射線檢測系統[J].應用光學.2012，33(4)：654-659.

[2] 曾祥照.射線實時成像檢測中的圖像清晰度與分辨率[J].無損檢測2003，25(3)：133-139.

The Optimum Resolution of The Microfocus X-ray Inspection System

LIU Jun1，YANG Long1，LIU Jun2
(1.Wuxi unicomp technology Co.，Ltd，Wuxi 214145，China；2.CITIC dicastal Co.，Ltd，Qinhuangdao 066011，China)

Based on the requirements of the microfocus X-ray inspection system application in the electronicsemiconductor industry，derived the relation formula of resolution and magnification in the microfocus X-ray inspection system and used the formula into the actual system，to draw the system resolution and the magnification relation curves.Through the curve illustrates when a microfocus X-ray inspection system is used in the electronic semiconductor industry，within a certain range magnification，system has the optimum resolution.And by comparison with experimental data and theoretical data to verify the validity of the conclusion.

Microfocus x-ray；Optimum resolution；Magnification

TN405

B

1004-4507(2017)02-0001-04

劉駿（1968－），男，陜西西安人，副教授，博士，X射線物理理論研究和微聚焦X射線數字成像研究與教學。

2016-12-03；

2017-01-07

楊龍（1987－），男，遼寧丹東人，工程師，本科，X射線數字成像檢測系統性能研究及微焦點X射線數字成像行業標準制定。

劉軍（1976-），男，河北秦皇島人，工程師，本科，X射線數字成像檢測多項國家標準起草與制定。