ПОРТАТИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ МИКРОСКОП

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к микроскопам и может быть использована для получения увеличенного изображения объектов с помощью компьютера.
Микроскопы являются оптическими инструментами, широко используемыми в науке и технике для визуализации объектов или их отдельных деталей, размеры которых являются слишком малыми, чтобы их можно было наблюдать невооруженным глазом. Обычно микроскопы представляют собой сочетание оптического блока, включающего последовательно установленные вдоль оптической оси объектив и окуляр, и штатив. Объектив предназначен для формирования увеличенного изображения объекта, обычно располагаемого на предметном столике перед объективом. Окуляр используют для разглядывания этого изображения непосредственно глазом, при этом каждый наблюдатель настраивает окуляр под индивидуальные особенности своего зрения для получения наиболее четкого изображения на сетчатке. Штатив микроскопа, как правило, содержит фокусировочный механизм для точного позиционирования объекта относительно объектива и модули подсветки объекта. Во многих моделях микроскопов используют револьверный механизм, обеспечивающий возможность использования нескольких объективов с различным увеличением для наблюдения мелких и мельчайших деталей объекта на одном лабораторном приборе.
Известны цифровые микроскопы, которые в качестве чувствительного элемента используют не глаз наблюдателя, а фотоэлектронный приемник изображения. В таких приборах отсутствует необходимость использовать в оптическом блоке окуляр, поскольку увеличенное объективом изображение может быть сформировано непосредственно на чувствительной приемной площадке фотоэлектронного приемника изображения, сигнал, с выхода которого может быть передан в компьютер для преобразования и отображения на экране дисплея. Цифровые микроскопы обладают рядом преимуществ перед обычными микроскопами, т.к. с их помощью можно преодолеть субъективизм наблюдателя, документировать получаемое изображение и использовать все преимущества цифровых сетей для передачи полученного изображения без потери качества в любую точку, оборудованную средствами приема и отображения.
Известен портативный цифровой микроскоп модели DS-300, производимый компанией Motic Instruments Inc. (www.motic.com). Данный портативный цифровой микроскоп включает штатив и опто-электронный модуль, установленный на штативе с возможностью перемещения в вертикальном направлении. Опто-электронный модуль включает корпус цилиндрической формы, внутри которого размещен объектив, выполненный с возможностью перемещения вдоль оси корпуса. На одном конце корпуса имеется открытое отверстие для прохождения света, а на другом установлен съемный фотоэлектронный приемник изображения, электрически соединенный с компьютером. Штатив данного портативного цифрового микроскопа включает основание и стойку. В основании расположены предметный столик и осветитель, электрическое питание которого обеспечивается
батарейками, а в стойке размещен фокусировочный механизм, обеспечивающий перемещение опто-электронного модуля относительно предметного столика.
Недостатком данного портативного цифрового микроскопа является необходимость использования дополнительного батарейного питания для работы осветителя, а также неразъемный характер соединения опто-электронного модуля и штатива, что делает невозможным мобильный характер применения опто-электронного модуля для микроскопических исследований в тех случаях, когда объект наблюдения невозможно поместить на предметный столик.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип является портативный цифровой микроскоп модели QX5, производимый компанией INTEL и описанный в патенте США №6636354, опубл 21.10.2003. Данный портативный цифровой микроскоп состоит из штатива и съемного опто-электронного модуля, в корпусе которого размещены расположенные последовательно вдоль оптической оси объектив и фотоэлектронный приемник изображения, а также электронная схема питания и управления, модуль верхнего осветителя и первая группа электрических контактов, причем штатив состоит из основания и стойки с держателем опто-электронного модуля и включает фокусировочный механизм, модуль нижнего осветителя и вторую группу электрических контактов. В опто-электронном модуле данного портативного цифрового микроскопа с целью расширения диапазона рабочих увеличений предложена и используется оптическая система, содержащая несколько объективов, размещенных на поворотном модуле с возможностью попеременной установки в рабочее положение относительно фотоэлектронного
приемника изображения. Необходимость включения в конструкцию опто-электронного модуля нескольких объективов, из которых одномоментно может быть использован только один, увеличивает габариты и вес портативного цифрового микроскопа. Кроме того, модуль нижнего осветителя размещен в штативе прототипа по вертикали между основанием штатива и держателем опто-электронного модуля, в результате чего габаритные размеры портативного цифрового микроскопа увеличиваются еще больше.
Традиционное и широко используемое на практике конструктивное решение, используемое для получения изображений в микроскопах, включая цифровые, состоит в использовании нескольких объективов с различными фокусными расстояниями, установленными, как правило, на поворотном револьверном механизме. Этот механизм обеспечивает возможность оперативного введения и выведения выбранного объектива в оптический тракт устройства. Фокусные расстояния объективов выбирают исходя из требуемых фиксированных значений увеличения, которые могут быть получены в таких микроскопах. Оптический тракт при этом проектируется исходя из условия сохранения неизменным значения расстояния от объекта до приемника изображения. На практике это условие выполнить довольно сложно, и при работе с подобными микроскопами, к числу которых относится и прототип, оператор обычно бывает вынужден после смены объектива подстраивать резкость изображения с помощью фокусировочного механизма, который, как правило, кинематически связан с предметным столиком. Использование в цифровых микроскопах нескольких объективов, установленных в поворотном револьверном механизме, не приводит к
очевидному выигрышу в удобстве использования прибора, а габариты и вес изделия очевидно увеличиваются. Использование нескольких объективов с фиксированными значениям фокусных расстояний ограничивает функциональные возможности цифрового микроскопа, т.к. в таком приборе возможно получение увеличенных изображений исследуемого объекта лишь с фиксированными значениями увеличений. Во многих практических случаях этого бывает недостаточно.
Таким образом, основным недостатком прототипа являются большие габаритные размеры и вес.
Кроме того, прототип обеспечивает наблюдение объектов только при фиксированных значениях увеличения. В ряде случаев условия эксперимента требуют выбора промежуточных значений увеличения или его плавного изменения в некотором диапазоне. Конструкция и функциональные особенности прототипа такой возможности не предоставляют.
Кроме того, конструкция поворотного модуля требует высокой точности изготовления для того, чтобы при замене объективов ось наблюдения не смещалась. Это усложняет и удорожает конструкцию прототипа.
Кроме того, модуль верхнего осветителя в прототипе расположен не симметрично относительно объектива. Это приводит к снижению качества получаемых изображений из-за неравномерной подсветки и появления теней.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является уменьшение габаритных размеров и веса портативного цифрового
микроскопа с одновременным улучшением его эксплуатационных характеристик и качества получаемого изображения.
Для решения поставленной задачи предлагается портативный цифровой микроскоп, который, как и прототип, состоит из штатива и съемного опто-электронного модуля, в корпусе которого расположены последовательно вдоль оптической оси объектив и фотоэлектронный приемник изображения, а также электронная схема питания и управления, модуль верхнего осветителя и первая группа электрических контактов, штатив которого состоит из основания и стойки с держателем опто-электронного модуля и включает фокусировочный механизм, модуль нижнего осветителя и вторую группу электрических контактов. В отличие от прототипа объектив выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, держатель опто-электронного модуля кинематически соединен с фокусировочным механизмом, а модуль нижнего осветителя расположен в основании штатива.
Кроме того, модуль верхнего осветителя может быть расположен коаксиально апертуре объектива.
Кроме того, модуль верхнего осветителя может быть размещен на корпусе объектива.
Предлагаемый портативный цифровой микроскоп имеет только один объектив, выполненный с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и не содержит поворотного револьверного механизма. Данное конструктивное решение обеспечивает уменьшение габаритных размеров и веса устройства. Улучшение эксплуатационных характеристик портативного цифрового микроскопа
достигается за счет расширения диапазона реализуемых увеличений, которые могут быть получены в результате изменения расстояния между объективом и фотоэлектронным приемником изображения с одновременным согласованным изменением положения опто-электронного модуля за счет обеспечения кинематического соединения с фокусировочным механизмом.
Расположение нижнего осветителя в основании штатива также упрощает конструкцию цифрового микроскопа, а коаксиальное расположение модуля верхнего осветителя относительно апертур объектива улучшает качество формируемого изображения за счет устранения теней.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 чертежей представлен общий вид портативного цифрового микроскопа, на фиг.2 изображен вид опто-электронного модуля портативного цифрового микроскопа в разрезе, а на фиг.3 - штатив.
Съемный опто-электронный модуль 1 заявляемого портативного цифрового микроскопа размещен на штативе 2 и соединен с компьютером с помощью кабеля 3. Электрическая связь между опто-электронным модулем 1 и компьютером может быть осуществлена, например, с помощью универсального последовательного интерфейса USB (Universal Serial Bus). Опто-электронный модуль 1 состоит из корпуса 4, внутри которого расположены объектив 5, фотоэлектронный приемник изображения 6, электронная схема питания и управления 7 с выходом 8 для подключения кабеля 3, модуль верхнего осветителя 9 и первая группа электрических контактов 10. Корпус 11 объектива 5 кинематически связан, например, по резьбовому соединению с регулировочным кольцом 12. Электронная
схема питания и управления 7 электрически соединена с модулем верхнего осветителя 9 и первой группой электрических контактов 10. Модуль верхнего осветителя 9 может быть расположен коаксиально апертуре объектива 5 и, в частности, может быть установлен непосредственно на его корпусе 11.
Штатив 2 заявляемого портативного цифрового микроскопа включает основание 13 и стойку с держателем 14, который снабжен необходимыми приспособлениями 15 для крепления, а при необходимости и отсоединения съемного опто-электронного модуля 1. Внутри основания 13 штатива 2 размещен модуль нижнего осветителя 16. В держателе 14 размещена вторая группа электрических контактов 17, электрически соединенная с модулем нижнего осветителя 16. Внутри корпуса стойки расположен фокусировочный механизм, обеспечивающий перемещение держателя 14 опто-электронного модуля 1 вдоль вертикальной оси с помощью рукоятки 18.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Перед началом работы оператору следует установить желаемое оптическое увеличение портативного цифрового микроскопа, расположив объектив 5 на необходимом расстоянии от фотоэлектронного приемника изображения 6. Формула для расчета указанного расстояния S' имеет вид S'=(M+1)F, где М - значение оптического увеличения, F - фокусное расстояние объектива 5. Для изменения расстояния S' служит регулировочное кольцо 12, вращение которого приводит к перемещению объектива 5 вдоль оптической оси по направлению к или от фотоэлектронного приемника изображения 6. Далее необходимо подключить съемный опто-электронный модуль 1 портативного цифрового микроскопа к
компьютеру с помощью кабеля 3, инициировать запуск программных средств управления портативным цифровым микроскопом и расположить исследуемый объект перед объективом 5. Программные средства управления портативным цифровым микроскопом могут обеспечить взаимодействие компьютера и электронной схемы питания и управления 7 таким образом, чтобы сигнал с выхода фотоэлектронного приемника изображения 6 поступал по кабелю 3 в компьютер, а оператор имел возможность наблюдать увеличенное изображение объекта на дисплее компьютера и управлять параметрами модуля верхнего осветителя 9 при работе портативного цифрового микроскопа в отраженном свете.
-1
-1
-1
Для получения наиболее резкого изображения расстояние S от объектива 5 до объекта следует выбирать из условия S+S'=F.
При желании плавно изменить оптическое увеличение портативного цифрового микроскопа оператору следует изменить расстояние S' путем перемещения объектива 5 в новое положение, вращая регулировочное кольцо 12. После этого следует вновь настроить резкость изображения, выбрав соответствующее расстояние S от объектива 5 до объекта.
При работе портативного цифрового микроскопа в проходящем свете, а также на больших увеличениях следует установить съемный опто-электронный модуль 1 на штатив 2 таким образом, чтобы обеспечить электрический контакт между первой группой электрических контактов 10 и второй группой электрических контактов 17. В этом случае с помощью программных средств управления портативным цифровым микроскопом посредством электронной схемы питания и управления 7 оператор может управлять параметрами модуля нижнего
осветителя 16. Для установки опто-электронного модуля 1 на штативе 2 следует разместить его в держателе 14 на приспособлениях 15. После того, как опто-электронный модуль 1 установлен на штативе 2, оператор, вращая рукоятку 18 фокусировочного механизма, может с высокой точностью установить расстояние S, необходимое для получения наиболее резкого изображения.
Таким образом, совокупность признаков заявляемой полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи, а именно уменьшает габаритные размеры и вес портативного цифрового микроскопа, а также улучшает его эксплуатационные характеристики и качество формируемого изображения.