Выбор увеличения телевизионного канала микроскопа

ВЫБОР УВЕЛИЧЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО КАНАЛА

МИКРОСКОПА М.А. Волкова, Г.Н. Грязин

Рассмотрены варианты выбора увеличения телевизионного канала микроскопа из соображений устранения ложных структур в изображении и из соображений уровня видения объекта. Показано, что в указанных случаях значения увеличения телевизионного канала разные

Введение

При проектировании ТВ канала микроскопа встречается ряд задач, одна из которых связана с отсутствием ложных структур в изображении, а вторая, если ТВ канал используется для каких либо измерений, например, диаметра микрообъектов, связана с необходимостью обеспечения требуемой точности измерения. Наша практика показывает, что выполнение требований для второй задачи обеспечивает выполнение требований для первой.

Основные результаты

Современные микроскопы обычно, кроме визуального канала, содержат канал для телевизионной камеры или канал для цифрового фотоаппарата, приемником в котором также является матричных ПЗС. Для согласования действия визуального канала с телевизионным и каналом цифрового фотоаппарата вводится дополнительная оптическая система, которую назывют адаптером. Адаптер является аналогом фотоокуляров, применявшихся в фотоканалах микроскопов, в которых использовалась пленочная фотокамера или фоторегистрация производилась на фотопластинку. Формат фотокадра и фотопластинки больше окулярного поля зрения визуального канала, поэтому увеличение фотоокуляров всегда было больше единицы (до 15-20 крат). Формат матричных ПЗС обычно меньше окулярного поля визуального канала, что приводит к увеличению адаптера меньше единицы.

На рис. 1 приведена принципиальная оптическая схема телевизионного канала микроскопа, где ф 1, ф2 и ф3 - микрообъектив, тубусная линза и сам адаптер, соответственно, f1, f2 - фокусные расстояния микрообъектива и тубусной линзы, d - расстояние

между ф1 и ф2, S и S' - передний и задний отрезки адаптера ф3, их отношение определяет линейное увеличение адаптера ßa..

Рис. 1. Принципиальная оптическая схема телевизионного канала микроскопа

При выборе увеличения адаптера ра обычно принимают во внимание необходимость обеспечения равенства линейного поля зрения в пространстве объектов для визуального и телевизионного каналов микроскопа. Отсюда получаем

ва=Д/Дп,

где Д - диагональ матрицы ПЗС, Дп - диаметр полевой диафрагмы окуляра. Величины Д и Дп принимают несколько значений, отчего, если следовать указанным требованиям, появляется необходимость иметь достаточно широкую номенклатуру адаптеров с разными значениями ра. Например, для матричных ПЗС используются форматы 1/4", 1/3", 1/2", 2/3", 1", которым соответствуют значения величин Д - 4 мм, 5,3 мм, 8 мм, 11мм, 16 мм. Аналогично для Дп значение величины изменяется от 8 мм до 23,3 мм [1]. Для пяти значений Д и пяти значений Дп потребуется 25 вариантов адаптеров, что наталкивает на мысль о создании панкратических адаптеров, изменив его увеличение в сторону уменьшения. Последнее не снимает ряд вопросов о выборе значения ра и его диапазона.

Исследования показывают, что выполнение требования равенства полей зрения в телевизионном и визуальном каналах часто приводит к проявлению ложных структур в изображении, муара. На рис. 2 приведены изображения объект-микрометра для случаев правильного выбора значения величины ра (а) и неудачного выбора (б). Для демонстрации искажений использовали прием, связанный с изменением размера телевизионного растра. Рис. 2 показывает влияние муара (искажение 1-го рода) на изображение, там же для более ясного понимания явления, помимо изображения самого тест-объекта, приведена осциллограмма светораспределения в его изображении. Сравнение осциллограмм (а)-(в) четко показывает влияние ложной структуры - муара, который проявляется на светораспределении в виде биений, под которыми принято понимать результат сложения двух гармонических колебаний, периоды которых и начальные фазы отличаются не на много друг от друга [2]. Изображение (а)-(в) отличаются друг от друга размером телевизионного растра: для (а) - 768x576 элементов, для (б) - 752x240 элементов и для (в) - 320x240 элементов. На осциллограмме рис.2а биение и муар отсутствуют, а на рис.2б и 2в имеются биения и муар. Амплитуда биения для изображения по рис.2в выше, чем на рис.2б. Существует ряд приемов, позволяющих избежать ложных структур - муара.

Если требуется сохранить одинаковость полей в визуальном и телевизионном каналах, то для выполнения критерия Найквиста следует до дискретизации произвести предварительную фильтрацию изображения [3], например, затягивая апертурную диафрагму конденсора осветительной части микроскопа, так как в соответствии с формулой Д. С. Рождественского [4]

Р = —,

А + Ак

где - апертура конденсора осветительной части микроскопа. Условие (2) показывает зависимость проявления муара от длины волны. Кроме того, могут быть использованы приемы адаптивной дискретизации изображения для различных участков поля зрения.

Во всяком случае, соблюдение критерия Найквиста требует, чтобы максимальная разрешающая способность оптической системы было в два раза выше шага матричных ПЗС. Тем не менее, на практике указанная частота ниже разрешающей способности оптической системы до 12 раз.

Вопросы обеспечения точности измерений рассмотрим на примере метода профессора М.М. Русинова оценки качества изображения по градиентной кривой. Суть способа заключается в сдвиге градиентной кривой на ширину шпалы «а» миры Фуко. Меняя значения величины сдвига, можно, не имея реальных шпальных мир, построить их изображения с последующим вычислением контраста в их изображении и построением кривой, определяющей передачу контраста в полосе частот в соответствии с ша-

гом указанных мир. Этот метод по сравнению с использованием дифракционных изображений точки (ФРТ) или линии (ФРЛ) с энергетической точки зрения более выгоден. Энергетическое преимущество позволяет в телеканале иметь более высокое отношение сигнал/шум и, следовательно, обеспечивает более высокие метрологические характеристики, кроме того, «точка» и «линия» на тест-объекте должны иметь такой размер, чтобы дифрагирующие на них пучки полностью заполняли апертуру испытуемой системы. Такой проблемы нет при использовании полуплоскости.

Рис 2. Изображения объект-микрометра при различных значениях телевизионного растра: а - 768х576х24Ь(РОВ24), б - 768х240х24Ь(Р0В24), в - 320х240х24Ь(Р0В),

объектив 4,7х0,11

Известно использование метода оценки по пограничной кривой качества изображения в оптико-электронном приборе [5], а также по изображению щели конечной ширины [6]. В последней работе подробно рассмотрены вопросы учета влияния шумов фотоприемника (линейного ПЗС) и конечности разрядности представления сигнала в цифровой форме на точность измерения. В качестве тест-объекта в [6] использовалась щель конечной ширины, что потребовало также рассмотреть вопрос о выборе ее ширины с учетом увеличения вспомогательного микрообъектива. Эти обстоятельства позволяют в настоящей работе не касаться указанных вопросов.

Исследование системы проводилось на установке, представленной на рис. 3. Установка включала в себя осветительное устройство (источник света - лампа накаливания), испытуемый объектив и дополнительный микроскоп для передачи изображения края полуплоскости (нож спектральной щели) в плоскость матрицы телекамеры УКС-743.

Рис. 3. Схема измерения. ИС - источник света, К - конденсор, О - объект, ПИ - плоскость изображения объекта, М - вспомогательный микроскоп,

ТК - телекамера

При выборе характеристик дополнительного микроскопа - его увеличения и передней апертуры Ав - следует руководствоваться тем, чтобы его участие в схеме не отразилось на результатах измерения. Для реализации этого условия воспользуемся таблицами Джонса [7], согласно которым для уверенного восприятия структуры изображения телевизионного канала на минимальный элемент указанной структуры должно приходиться 12-15 телевизионных линий или пикселов. В этом случае минимальным элементом структуры является расстояние между двумя дифракционными максимумами ФРЛ Ар, величина которого в нашем случае определяется как одна оптическая единица, равная —/2 А'. В итоге для вычисления значения задней апертуры измерительной установки А' имеем:

А =—,

303

где — - длина волны, 5 - ширина телевизионной линии или размер пиксела.

Общее увеличение в всей установки определяется по формуле в=вивв, где ви -увеличение испытуемой системы. Одновременно для в справедлива формула в=А/А', где А - передняя апертура испытуемой системы, откуда при —=600нм, 5=6мкм получим в=300А. Это условие удовлетворяет аналогичному из [6], но оно более жестко. Например, если у испытуемой системы увеличение ви =5 и передняя апертура А=0,1, то увеличение вспомогательной системы вв=6. Из (3) при 5=0,006 мм и —=0,0006 мм Аи'=0,0033, откуда Аи=0,02. На самом деле реальные апертуры испытуемой системы в несколько раз больше.

На рис. 4а представлено телевизионное изображение полуплоскости, а на рис. 4б -кривые светораспределения в этом изображении. Кривая 1 является результатом прямого фотометрирования, а кривая 2 - результатом сглаживания шумовой компоненты

кривой 1. На рис.4в приведены две сглаженные градиентные кривые 1 и 2, сдвинутые друг относительно друга на величину ширины шпалы а, а также приведена кривая 3, определяемая разностью кривых 1 и 2 и дающая изображение шпалы шириной а. На рис.4г приведена кривая светораспределения в изображениях шпальной миры для предельной пространственной частоты. Предельная пространственная частота Ы=1/Ъ (Ъ=2А - шаг миры) определяется автоматически по суммарному светораспределению в изображении двух ФРЛ при задании значения величины провала в этом светораспределе-нии. После определения предельной пространственной частоты весь частотный интервал делится на несколько интервалов, для которых можно вычислить светораспределе-ние изображения шпальной миры, имеющей шаг в соответствии с пространственной частотой этого интервала, а именно 1/Ъ, 1/2Ъ, 1/3Ъ и т.д. до нулевой частоты (10 точек). Имея серию таких кривых, можно вычислить контраст К и построить МПФ испытуемой системы. Для вычисления К справедлива формула

К = - £тш)/

1Ш

а)

003 004

в)

ош

1 г ( 1

_ _

1

1

0.02 б)

0.04

0А9

Рис. 4. а - телевизионное изображение полуплоскости; б - кривые светораспределения в этом изображении; в - сглаженные градиентные кривые 1 и 2, сдвинутые друг относительно друга на величину ширины шпалы а, и их разность 3; г - кривая светораспределения в изображениях шпальной миры для предельной пространственной частоты

Заключение

Проведенный в работе анализ показывает, что, помимо предварительной фильтрации до дискретизации изображения, эффективен путь решения задачи, связанный с использованием возможности электронным способом менять число элементов разложения в матрице, т.е. влиять не на значение р', определяющее разрешающую способность оптической системы, а на шаг матрицы Ах.

Резюмируя, отметим, что выбор линейного увеличения телеканала определяется

решаемой задачей и при этом значение линейного увеличения может колебаться в широких пределах.

Литература

1. Панов В.А., Андреев Л.И. Оптика микроскопов. Л.: Машиностроение, 1976. 430 с.

2. Горелик Г.С. Колебания и волны. М.-Л.: ГИТТЛ, 1950. 551 с.

3. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М.: Мир, 1982. 790 с.

4. Рождественский Д.С. Избранные труды. М.-Л.: Наука, 1964. 430 с.

5. Захарнев А.П., Иванов П.П., Муравьева Г.И. и др. Установка для измерения передаточных функций оптико-электронных приборов с цифровой обработкой данных. // ОМП. 1978. №5. С.25-27.

6. Великотный М.А., Петрас С.В. Принципиальные аспекты измерения оптической передаточной функции с помощью дискретного самосканирующего фотоприемника. // ОЖ. 1994. №9. С.50-53.

7. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978.