Interactive operation of a scanning television optical microscope

Abstract

The ways of increasing an operation speed of the formation of an illuminating raster in a scanning television optical microscope are analyzed. The raster is formed by a digital-to-analog method using a precise voltage-to-current converter. Vast functioning possibilities of the microscope provided by forming the raster of changeable size and changeable resolution as well as by moving the scanning raster of a reduced size to an arbitrary point on the cathode ray tube screen require that the time of deflection of the illuminating scanning beam to a point with specified coordinates and required accuracy be controlled. We propose a hardware solution for increasing the operation speed, which will significantly reduce the time of forming the scanning raster in discrete mode. To ensure the high accuracy of conversion of the input voltage into the current of an electronic beam deflector coil, a voltage-to-current converter is realized in the form of dc amplifier with strong negative current feedback. A negative feedback signal is formed on a precision resistor connected in series with an inductive load, that is, the coil of an electronic beam deflector. The accuracy of the iput-voltage-to-load-current transformation is determined by the amplification factor without the negative feedback operation. As a rule, the amplification factor exceeds 1000, and the transformation factor of the voltage-to-current converter is close to unity. Depending on the amplitude of the input signal, the amplifier stages of the voltage-to-current converter can operate either in a linear mode or in a saturation mode. The latter appears due to the break in the feedback loop caused by the large difference between the input signal amplitude and negative feedback signal amplitude. There are given analytical expressions for determining the settling time of the inductive load current with prescribed accuracy. An interactive mode of the scanning television optical microscope operation is proposed. The essence of the STOM interactive operation mode is that the instant when the code of the next coordinates of the illuminating raster element is delivered to the system is determined by the current settling time (obtained with the prescribed accuracy) and the duration of an illumination pulse. Two block diagrams have been proposed which, in the interactive operation mode, generate normalized pulses, whose duration is equal to the duratin of transient for the inductive load current settling. A block diagram of the scanning television optical microscope that takes into account the duration of the transient that corresponds to the settling time of the illuminating scanning beam in different STOM operation modes has been developed. Проаналізовано шляхи підвищення швидкодії формування освітлювального растра в сканувальному телевізійному оптичному мікроскопі. Растр формується цифро-аналоговим методом з використанням прецизійного перетворювача напруга-струм. Широкі функціональні можливості мікроскопа за рахунок формування растра змінних розмірів, змінної роздільної здатності та зміщення зменшеного растра в довільну точку екрана електронно-променевої трубки вимагають контролювати час виведення світного сканувального променя в точку зі заданими координатами та зі заданою точністю. Пропонується апаратний варіант збільшення швидкодії, який дасть змогу значно скоротити час формування сканувального растра в дискретному режимі. Для забезпечення високої точності перетворення вхідної напруги на струм котушок відхилювальної системи перетворювач напруга-струм виконано за схемою підсилювача постійного струму з глибоким від’ємним зворотним зв’язком за струмом. Сигнал від’ємного зворотного зв’язку формується на прецизійному резисторі, ввімкненому послідовно з індуктивним навантаженням. Індуктивним навантаженням є навої індуктивності відхилювальної системи. Точність перетворення вхідної напруги в струм навантаження визначається загальним коефіцієнтом підсилення без урахування дії від’ємного зворотного зв’язку. Як правило, коефіцієнт підсилення перевищує 1000, а коефіцієнт передачі перетворювача напруга-струм близький до одиниці. Залежно від амплітуди вхідного сигналу підсилювальні каскади перетворювача напруга-струм можуть працювати як в лінійному режимі, так і в режимі насичення. Останній режим виникає внаслідок розриву петлі зворотного зв’язку через велику різницю амплітуд вхідного сигналу і сигналу від’ємного зворотного зв’язку. Наведено аналітичні вирази, які дають змогу визначити час встановлення струму в індуктивному навантаженні зі заданою точністю. Запропоновано активний режим роботи сканувального телевізійного оптичного мікроскопа. Суть активного режиму роботи полягає в тому, що код наступної координати світного сканувального променя видається через час, який визначається часом перехідного процесу встановлення струму в індуктивному навантаженні зі заданою точністю та тривалістю імпульсу підсвічування. Запропоновано дві структурні, які в активному режимі роботи формують імпульси нормованої величини, тривалість яких дорівнює тривалості перехідного процесу встановлення струму в індуктивному навантаженні. Розроблено структурну схему сканувального телевізійного оптичного мікроскопа, яка враховує тривалість перехідного процесу встановлення світного сканувального променя за різних режимів роботи мікроскопа.