Цифровой микроскоп со сверхразрешением

Полезная модель относится к оптической технике, в частности, к микроскопии и может быть использована при получении цифровых изображений микрообъектов со сверхразрешением методом Фурье-птихографии. В основе этого метода лежит использование поочередного освещения помещенного на предметный столик микроскопа объекта под разными углами и фиксации этих изображений фотоприемником. Затем полученные изображения с низким разрешением объединяют по специальному алгоритму в один высококачественный снимок. В результате, например, работая с микрообъективом с малой числовой апертурой и имея соответствующее поле зрения, можно получить изображение объекта с разрешением, соответствующим микрообъективу с высокой числовой апертурой, без изменения поля зрения.
Известен цифровой микроскоп с лазерной системой подсветки объекта наблюдения (Патент США, US 10228550, опубл. 12.03.2019 «Laser-based Fourier ptychographic imaging systems and methods»). Данное устройство реализует метод Фурье-птихографии при получении цифровых изображений со сверхвысоким пространственным разрешением и включает лазерную систему подсветки объекта наблюдения, микрообъектив, матричный фотоприемник, контроллер и дисплей для отображения результата наблюдения, причем лазерная система подсветки объекта наблюдения выполнена в виде лазерного источника, оптического сканера и совокупности зеркал, совместно обеспечивающих возможность освещения объекта наблюдения коллимированным излучением под разными углами относительно оптической оси микрообъектива.
Недостатком этого устройства является сложность механического управления лазерным лучом с обеспечением высокой точности его ориентации, а также наличие спекл-структуры в световом поле лазерного излучения, являющейся источником шумов при обработке изображений.
Известен цифровой микроскоп с изображающей системой, основанный на использовании метода мультиплексной Фурье-птихографии (Международная заявка WO 2016/0890331, опубл. 09.06.2016 «Multiplexed Fourier ptychography imaging systems and methods»), включающий систему подсветки объекта наблюдения, микрообъектив, матричный фотоприемник, контроллер и дисплей для отображения результата наблюдения. В данном устройстве осветитель объекта выполнен в виде матрицы светодиодов, а цифровые изображения объекта получают путем последовательного освещения объекта наблюдения излучением нескольких светодиодов, образующих уникальные световые паттерны. Контроллер цифрового микроскопа обеспечивает управление светодиодами в матрице и обрабатывает получаемые с выхода фотодетектора цифровые изображения. Таким образом, получают первый набор изображений с низким разрешением, относящийся к режиму подсветки наблюдаемого объекта несколькими паттернами. Далее формируют второй набор изображений с низким разрешением путем математической обработки первого набора с целью соотнесения каждого изображения с низким разрешением с индивидуальным светодиодом в матрице. Изображение со сверхразрешением получают в результате математической обработки изображений второго набора методом Фурье-птихографии. Данный микроскоп реализует такой сложный алгоритм с целью сокращения времени получения цифрового изображения объекта с высоким пространственным
разрешением, однако, компромисс достигается за счет получения результирующих цифровых изображений с непрогнозируемым качеством, т.к. для достижения максимального качества каждый объект наблюдения требует, вообще говоря, индивидуального набора паттернов, который заранее неизвестен.
Качество изображения со сверхразрешением определяется рядом предъявляемых к осветителю технических требований: высокая точность позиционирования каждого из светодиодов в матрице, идентичность их спектральных и энергетических характеристик, достаточная мощность светового потока, достигающего фотоприемника и др.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели и выбранным за прототип является цифровой микроскоп со сверхразрешением, описанный в статье (Jiasong Sun, Chao Zuo, Jialin Zhang, Yao Fan & Qian Chen «High-speed Fourier ptychographic microscopy based on programmable annular illuminations» Scientific Reports. 2018. V. 8(7669). P. 1-12). Прототип включает матричный фотоприемник, микрообъектив, осветитель и программно-аппаратный модуль для реализации метода Фурье-птихографии. Осветитель прототипа выполнен в виде матрицы одинаковых светодиодов с коллимирующими микролинзами. Светодиоды в матрице ориентированы соосно друг другу и расположены в узлах прямоугольной координатной сетки. Осветитель дополнительно включает линзу, расположенную между матрицей светодиодов и микрообъективом.
Цифровые изображения со сверхразрешением в прототипе получают методом Фурье-птихографии путем последовательной регистрации ряда изображений с низким пространственным разрешением при освещении наблюдаемого объекта коллимированными световыми пучками, излучаемыми
разными светодиодами матрицы, причем освещение объекта каждым светодиодом осуществляют под углом близким к апертурному углу микрообъектива, с последующим синтезом цифрового изображения со сверхразрешением путем математической обработки и преобразования Фурье-спектров изображений с низким пространственным разрешением. Качество цифрового изображения со сверхразрешением в прототипе определяется точностью сведения световых пучков светодиодов на наблюдаемом объекте после прохождения дополнительной линзы, расположенной между матрицей светодиодов и микрообъективом, совпадением их спектральных и энергетических характеристик, а также величиной разброса пространственных параметров волновых фронтов их пучков. Выбор угла сведения световых пучков близким к апертурному углу микрообъектива обеспечивает регистрацию набора изображений низкого разрешения близко к границе режима «светлого поля», что является компромиссом между степенью повышения пространственного разрешения микроскопа и качеством изображений низкого разрешения, обусловленных соотношением сигнал-шум и определяющих устойчивость и сходимость метода Фурье-птихографии.
Недостатком прототипа является низкое качество изображения со сверхразрешением, обусловленное разбросом углов, под которыми наблюдаемый объект освещают пучки светодиодов матрицы, и разбросом пространственных параметров волновых фронтов этих пучков. Первый фактор обусловлен особенностью расположения светодиодов матрицы в узлах прямоугольной координатной сетки и наличием осевой симметрии дополнительной линзы, обеспечивающей сведение освещающих наблюдаемый объект световых пучков. Эта особенность делает принципиально невозможным точное равенство углов, под
которыми разные светодиоды матрицы освещают наблюдаемый объект. Второй фактор связан с наличием самой дополнительной линзы, точнее с ее неустранимыми аберрациями, которые вносят различные искажения в волновые фронты световых пучков от разных светодиодов матрицы. Оба отмеченных фактора существенно влияют на результат обработки и преобразования Фурье-спектров изображений с низким пространственным разрешением и в конечном итоге определяют основной недостаток прототипа. Кроме того, наличие дополнительной линзы в прототипе усложняет его конструкцию и повышает стоимость устройства, т.к. требования к качеству обработки данного оптического компонента должны быть весьма высокими.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение качества цифровых изображений при обеспечении максимального разрешения микроскопа и упрощении его конструкции.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в оптимизации структуры осветителя цифрового микроскопа и устранении факторов, снижающих качество цифровых изображений максимального разрешения в прототипе. В частности, светодиоды в осветителе заявляемого устройства расположены по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга, что соответствует осевой симметрии, обеспечивающей сведение освещающих наблюдаемый объект световых пучков под одинаковыми углами. Кроме того, волновые фронты световых пучков от разных светодиодов осветителя не испытывают дополнительных фазовых искажений, т.к. в заявляемой полезной модели отсутствует дополнительная линза. Отсутствие указанной линзы дополнительно упрощает конструкцию микроскопа.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в цифровом микроскопе со сверхразрешением, включающем светодиодный осветитель исследуемого объекта, содержащий, по меньшей мере, три светодиода, микрообъектив, фотоприемник изображения и компьютер, включающий средства управления светодиодным осветителем, а также средства обработки и отображения цифрового изображения, расстояния между каждым светодиодом осветителя и двумя ближайшими к нему светодиодами равны, светодиоды в осветителе расположены на одинаковых расстояниях от центра входного зрачка микрообъектива и каждый из них снабжен коллиматорной линзой, установленной таким образом, что ее оптическая ось пересекает оптическую ось микрообъектива в его переднем фокусе под углом равным апертурному углу микрообъектива.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 изображен вид светодиодного осветителя со стороны светодиодов.
Цифровой микроскоп со сверхразрешением состоит из светодиодного осветителя, содержащего несколько (не менее трех) светодиодов 1, каждый из которых снабжен коллиматорной линзой 2. Светодиоды 1 в осветителе расположены по окружности, центр которой расположен на оптической оси системы, на одинаковых расстояниях от центра входного зрачка микрообъектива 4. Расстояния между каждым светодиодом 1 и двумя соседними к нему светодиодами равны S, а коллиматорные линзы 2 на светодиодах 1 установлены таким образом, что оптическая ось 5 каждой из них пересекает оптическую ось 6 микрообъектива 4 в фокусе 3 микрообъектива 4 под углом α=arctg(R/L) равным апертурному углу
микрообъектива 4, где L - расстояние от каждого светодиода 1 до фокуса микроообъектива 4, a R - расстояние от каждого светодиода 1 в осветителе до оптической оси микрообъектива 4. Фотоприемник изображения 7 и светодиодный осветитель электрически соединены с компьютером 8, включающим средства управления светодиодным осветителем, а также средства обработки и отображения цифрового изображения.
Устройство работает следующим образом. Компьютер 8 с помощью средств управления светодиодным осветителем обеспечивает возможность включения и выключения светодиодов 1 в светодиодном осветителе. Излучение каждого светодиода 1 благодаря наличию коллиматорной линзы 2 параллельным пучком освещает установленный в передней фокальной плоскости микрообъектива 4 наблюдаемый объект, изображение которого регистрируют фотоприемником изображения 7. При последовательном включении светодиодов 1 изображение наблюдаемого объекта также последовательно регистрируют фотоприемником изображения 7. В силу осевой симметрии расположения всех светодиодов 1 относительно входного зрачка микрообъектива 4 фотоприемником изображения 7 в заявляемой полезной модели, в отличие от прототипа, регистрируют изображения наблюдаемого объекта с низким разрешением при его освещении под одним и тем же углом с разных направлений, что является необходимым условием для обеспечения точности обработки и формирования синтезированного цифрового изображения с достижением максимального разрешения заявляемого микроскопа методом Фурье-птихографии. Условие равенства каждого угла между оптической осью 5 каждой коллиматорной линзы 2, установленной на каждом светодиоде 1 и оптической осью 6 микрообъектива 4 апертурному углу микрообъектива 4
обеспечивает повышение качества цифровых изображений высокого разрешения за счет реализации наблюдения объекта в режиме «светлого поля», при котором вероятность появления шумов на изображениях низкого разрешения значительно уменьшается, т.к. регистрируемый световой поток от светодиодов 1 значительно превышает порог чувствительности фотоприемника изображения 7. Работа заявляемой полезной модели завершается получением высококачественного цифрового изображения сверхвысокого разрешения из набора изображений с низким разрешением в компьютере 8 средствами обработки и отображения цифрового изображения.