微焦点X射线数字成像系统的最佳分辨率

刘 骏，杨 龙，刘 军

(1.无锡日联科技股份有限公司，江苏无锡214145；2.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇岛066011)

微焦点X射线数字成像系统的最佳分辨率

刘 骏1，杨 龙1，刘 军2

(1.无锡日联科技股份有限公司，江苏无锡214145；2.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇岛066011)

根据微焦点X射线数字成像检测系统在半导体行业中实际应用的要求，通过推导得出微焦点X射线数字成像检测系统的分辨率与放大倍数的数据关系式，并带入到实际的检测系统中，绘制出了系统分辨率与放大倍数关系曲线；通过曲线说明了应用在半导体行业的微焦点X射线数字成像检测系统，在一定放大倍数范围内，系统具有最佳分辨率，并通过实验的数据与理论值对比，验证了结论的正确性。

微焦点X射线；最佳分辨率；放大倍数；

微焦点X射线数字成像系统与其他X射线数字成像系统的不同之处在于对细节放大的同时保持足够的分辨率。凭借这种特点，微焦点X射线数字成像系统在对精密压铸件、电子产品、线路板、半导体等尺寸细小物品的检测有着显著优势。分辨能力已成为此种检测设备的一个核心参数。现在市面上较为流行的几种微焦点X射线数字成像检测设备，均将放大倍数作为衡量分辨细节能力的指标，根据笔者在业内对大量客户的回访，研究发现使用者在进行检测时盲目地增加放大倍数并没有起到让图像更清晰的作用。本文提出了微焦点X射线系统最佳分辨率的公式，并通过实验，验证了该公式的正确性，对今后应用及制造微焦点X射线系统起到了指导作用。

1 微焦点X射线数字成像系统最佳分辨率的数学模型推导

1.1 微焦点X射线源

目前微焦点X射线源有两种封装方式，封闭式和开放式，开放式微焦点X射线源的优点是采用可更换灯丝，透射激发X射线，可以做到1 μm以下的焦点，并可以大功率输出；缺点是安装复杂，采购成本比较高。封闭式微焦点X射线源的优点是安装简便，性价比高，焦点可做到10 μm以下。鉴于我国电子工业发展状况，大多数相关厂商都可以负担起封闭式微焦点X射线源的检测设备，故本文采用的是美国进口的封闭式X射线源，最大输出功率8 W，最大焦点尺寸d＝0.009 mm。

1.2 X射线探测器

根据市面上流通比较多的微焦点X射线检测设备探测器的调研，综合考虑使用厂商的采购能力，决定采用日本进口的图像增强器。该图像增强器输入屏尺寸100 mm，理想X射线源下分辨率R1＝7.7 lp/mm，X射线源焦点对图像增强器的影响有公式：

其中，R0为图像增强器在非理想射线源下的分辨率；

R1为图像增强器在理想源下的分辨率；

R2为X射线源到图像增强器输入面的分辨率。

1.3 放大倍数与系统分辨率关系曲线

最小分辨的物体尺寸投影到成像器输入屏后得到：

其中，M为放大倍数；d为焦点尺寸。

合并公式(1)(2)后，得：

将R1=7.7 lp/mm，d=0.009 mm带入公式(4)得到关系曲线如图1所示。

R0投影到系统上得到系统分辨率R：

图1 放大倍数与系统分辨率关系曲线

由图1可见，系统的分辨能力在放大倍数达到一定数值后，就不会随着放大倍数的增加而上升，局部放大后，见图2所示，当放大倍数M=53时，系统分辨率到达最大值56.087 lp/mm，随后系统分辨率随着放大倍数的上升而减小，精确到个位后，系统分辨率为56 lp/mm，放大倍数在35.52到106.93之间。

2 微焦点X射线数字成像系统最佳分辨率的数学模型实验验证

2.1 微焦点X射线数字成像系统构成

微焦点X射线数字成像系统由含铅的外壳、X射线源、成像器、机械运动系统、计算器处理系统构成。被测物体放置在载物平台上，通过机械运动系统调整X射线源与被测物体、X射线源与成像器之间的距离，从而改变放大倍数，在成像器接收到X射线后通过图像处理系统，在显示器上显示出来。系统构成见图3、图4。

图2 放大倍数与系统分辨率关系曲线（区间）

图3 系统内部结构图

图4 系统实物图

本文所用的检测系统，X射线源焦点为0.009 mm，所用的成像器为100 mm（4英寸）双视野图像增强器，搭配200万像素的CCD相机。

图5为放大倍数为107时，焦点尺寸d= 0.009 mm时，图像增强器JIMA卡X射线数字图像，从图上可分辨出10 μm的线对，根据分辨率与可识别缺欠尺寸关系公式：

将M=107代入公式(5)，得出Xmin=0.009，综合考虑FOD尺寸误差及系统噪声的干扰，所得结果与图像上观测到的尺寸近似相等。

图5 在M=107时，JIMA卡检测图片

3 结 论

本文提出了微焦点X射线数字成像系统的最佳分辨率，给出了放大倍数与系统分辨率的关系曲线，并根据实验图片，验证了公式的正确性。当系统放大倍数为36倍至107倍时，系统具有最佳的分辨率，本文中验证的系统最佳系统分辨能力为56 lp/mm。

本文所使用的微焦点X射线源因功率限制，所以在验证公式时，没有考虑射线图片质量的问题，只关注图片中线对的分辨能力，如果采用开放式微焦点X射线源，图像质量可以更佳。

[1] 李玮.高分辨率电子工业用数字化X射线检测系统[J].应用光学.2012，33(4)：654-659.

[2] 曾祥照.射线实时成像检测中的图像清晰度与分辨率[J].无损检测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

刘骏（1968－），男，陕西西安人，副教授，博士，X射线物理理论研究和微聚焦X射线数字成像研究与教学。

2016-12-03；

2017-01-07

杨龙（1987－），男，辽宁丹东人，工程师，本科，X射线数字成像检测系统性能研究及微焦点X射线数字成像行业标准制定。

刘军（1976-），男，河北秦皇岛人，工程师，本科，X射线数字成像检测多项国家标准起草与制定。