Инновационный проект создания нового поколения микроскопов с оптико-цифровым каналом

ИННОВАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ СОЗДАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ МИКРОСКОПОВ С ОПТИКО-ЦИФРОВЫМ КАНАЛОМ Н.Р. Белашенков, И.П. Гуров, А.И. Лопатин, В.О. Никифоров

Представлены результаты проекта по созданию нового поколения цифровых микроскопов с расширенными функциональными возможностями, в том числе цифрового микроскопа с улучшенной цветопередачей, обеспечиваемой методом цифрового синтеза цветных изображений, и технологического цифрового микроскопа широкого применения.

Введение

Методы микроскопии являются одними из наиболее важных для развития биомедицины и высоких технологий нового поколения [1]. Однако традиционные микроскопы с визуальным каналом наблюдения в настоящее время не удовлетворяют возрастающим потребностям неразрушающего контроля микрообъектов вследствие высокой трудоемкости наблюдений, субъективности результатов, отсутствия документируемости, невозможности применения современных математических методов анализа, классификации, распознавания и обработки изображений и т.д. Использование цифровых видеосистем в микроскопии обеспечивает высокую гибкость при создании модельного ряда серийных образцов с широким диапазоном функциональных возможностей.

Преимущества цифровой микроскопии достигаются в результате нового подхода к принципу построения микроскопов, состоящего в использовании оптико-цифрового канала. Последнее означает, что цифровое преобразование оптического сигнала является неотъемлемой частью оптического канала и необходимо для формирования высококачественного изображения.

Создание цифровых микроскопов требует решения ряда актуальных научно-технических задач [2], таких как разработка элементов и узлов оптико-цифрового канала, развитие эффективных методов формирования, преобразования и визуализации микроизображений для обеспечения гибкости характеристик цифровых микроскопов и получения документированных объективных результатов, что соответствует современным потребностям рынка.

При проведении работ в рамках совместного инновационного проекта СПбГУ ИТМО и ОАО «JIOMO» выполнены исследования, проведена эскизная конструкторская разработка, созданы и апробированы макетные образцы цифровых микроскопов с новыми функциональными возможностями: цифрового микроскопа с улучшенной цветопередачей изображения объектов за счет использования спектрально селективных осветителей и монохромной видеокамеры и технологического цифрового микроскопа широкого применения.

Цифровой микроскоп с улучшенной цветопередачей

Адекватность цветопередачи является основной проблемой при работе с изображениями, выводимыми на видеомонитор. При использовании цветных видеосистем в оптической микроскопии пользователи постоянно сталкиваются с проблемой точной цветопередачи. Существующие технологии создания спектральных микрофильтров, напыляемых на светочувствительные элементы видеоматрицы, не позволяют обеспечить спектральную фильтрацию излучения с необходимой точностью. Поэтому для решения проблемы в профессиональных видеокамерах применяют трехматричную схему, т.е. используют три одинаковые черно-белые светочувствительные матрицы, каждая из которых регистрирует изображение в одном

из трех основных цветов (красный, зеленый, синий), после чего цветное изображение синтезируется из трех «монохроматических». Недостатками такого решения являются массо-габаритные показатели, сложность конструкции, высокая цена.

Альтернативный подход к решению проблемы цветопередачи заключается в использовании одной черно-белой матрицы и трехцветного (красный, зеленый, синий) источника освещения.

Объект наблюдения освещается последовательно импульсами основных цветов (синхронно с регистрацией видеокадров) с получением последовательности «монохроматических» изображений, из которых затем синтезируется цветное изображение с использованием цифровых преобразований. Такой способ освещения приводит к уменьшению частоты формирования цветных видеокадров примерно в три раза, однако количество точек в изображении (что для микроскопа более важно) будет втрое больше, поскольку, как известно, количество элементов в цветной матрице того же размера в 3-4 раза меньше, чем в монохромной. Предложенный подход позволяет создать видеосистему для микроскопов с повышенным разрешением, корректной цветопередачей, простой конструкцией и низкой ценой.

Дополнительным преимуществом микроскопа с оптико-цифровым каналом является значительно более широкая область спектральной чувствительности видеоматриц по сравнению со спектральным диапазоном чувствительности глаза. Расширение спектрального диапазона работы микроскопа требует новых подходов к созданию оптических систем освещения и отображения.

Для построения трехцветного осветителя целесообразно использовать три «белых» светодиода, выделяя оптическими методами необходимые участки спектра. Сделать это можно, например, с использованием дихроичных зеркал.

Разработанная оптическая схема трехцветного осветителя представлена на рис. 1.

СД1

Рис 1. Схема осветителя видеомикроскопа с улучшенной цветопередачей

Для экспериментов был использован микроскоп МИКМЕД-4 производства ОАО «ЛОМО», имеющий тринокулярную насадку со встроенным адаптером. Основные элементы оптической схемы микроскопа представлены на рис. 2.

s ' ^

Рис. 2. Основные элементы оптической схемы микроскопа

Для регистрации изображений использованы бескорпусные видеокамеры производства фирмы ЭВС. В использованных видеокамерах активными элементами являются идентичные КМОП-видеоматрицы фирмы Omni Vision с напыленными фильтрами (в цветной матрице) и без фильтров (в черно-белой).

Макет цифрового микроскопа с улучшенной цветопередачей был собран на штативе микроскопа проходящего света с ЖК дисплеем с диагональю экрана 6,4" (163 мм) и с матрицей фотоприемника с размерами пиксела 5,0 мкм х 5,0 мкм. В макете использовались штатные микрообъективы, в плоскости изображения которых была установлена матрица фотоприемника.

В цифровом микроскопе использовано разработанное специализированное программное обеспечение. Основная программа позволяет принимать изображения от видеокамеры по каналу USB, отображать его на дисплее, масштабировать, изменять основные характеристики изображения (яркость, контраст, насыщенность и т.п.), записывать и считывать данные. Кроме этого, программа обеспечивает управление параметрами работы видеокамеры, установку значений времени экспозиции, коэффициента усиления, соотношения цветов, а также включение, либо выключение режима автоматического выбора оптимальных значений параметров (эти значения выбирает микропроцессор, управляющий видеоматрицей).

При работе с черно-белой матрицей и трехцветным осветителем дополнительный программный модуль позволяет в ручном режиме управления осветителем последовательно регистрировать черно-белые изображения в трех основных цветах и затем синтезировать из них цветное изображение.

Для работы с трехцветным осветителем в динамическом режиме была проведена модернизация черно-белой видеокамеры и драйвера для синхронизации работы осветителя и камеры и идентификации кадров по цвету при их записи. В разработанном варианте информация о цвете записывается в первую строку данных видеокадра.

Управление цветовой температурой излучения, формируемого на выходе осветителя, осуществляется таким образом, что его интегральная мощность при изменении оттенка белого света остается постоянной.

При экспериментальных исследованиях осветителя получены кривые спектральных характеристик для различных участков спектра [3]. Продемонстрирована возможность управления цветовой температурой белого света в диапазоне 2000-8000 °К.

На рис. 3 показаны примеры изображения биоткани. Из рисунков видно существенное различие в качестве изображений при различных способах освещения-наблюдения.

а)

Рис.3. Изображения, полученные цветной видеокамерой через объектив 10х с обычным освещением

Качество цветопередачи оценивалось на основе экспертных оценок, для получения которых приглашались опытные врачи и специалисты Военно-медицинской академии, научно-исследовательской лаборатории «Оптические технологии» Санкт-Петербургского медицинского университета им. акад. И.П. Павлова и других организаций. Специалисты подтвердили, что изображения, формируемые с использованием разработанного метода (см. рис. 3, в), более соответствуют визуальному восприятию образцов биотканей по сравнению с двумя другими методами освещения-наблюдения.

Таким образом, экспериментально подтверждена перспективность создания цифровых микроскопов с улучшенной цветопередачей на основе предложенного метода и разработанных технических решений.

Разработанная модель цифрового микроскопа с улучшенной цветопередачей является перспективной для многих отраслей, в которых при анализе микрообъектов основной характеристикой диагностики является цвет объектов, например, в области медицины, биологии, криминалистики и т.д.

Разработка модельного ряда цифровых технологических микроскопов

Работы по созданию модельного ряда цифровых технологических микроскопов проведены с целью разработки принципов построения микроскопов без визуального канала (далее - микровизоров) и создания макетных образцов микровизоров для последующего серийного выпуска.

Система наблюдения и регистрации изображения исследуемого объекта цифрового микроскопа включает в себя объектив, видеоадаптер, матрицу фотоприемника и жидкокристаллический дисплей (10... 15 оптических и оптико-электронных компонентов).

Объективными недостатками традиционного конструкторского решения модуля визуального канала микроскопа являются:

• высокая утомляемость наблюдателя при длительной работе на микроскопе;

• сложность конструкции, объединяющей в одном модуле системы наблюдения и регистрации изображения исследуемого объекта;

• необходимость компромисса при решении вопросов аберрационной коррекции узлов, являющихся общими для систем наблюдения и регистрации изображения.

Построение системы наблюдения и регистрации изображения в цифровом микроскопе с матричным фотоприемником и жидкокристаллическим дисплеем устраняет указанные недостатки.

В технологическом микроскопе в качестве системы смены увеличения целесообразно использовать набор серийных микрообъективов с оптической длиной тубуса "бесконечность". В качестве фотоприемника для макетных образцов микровизоров были выбраны модели аналоговых и цифровых цветных светочувствительных матриц. Для отображения микроизображений использованы жидкокристаллические дисплеи, совместимые по формату с выбранными светочувствительными матрицами. Исходя из габаритных характеристик дисплеев и матриц фотоприемников, можно определить значения электронного увеличения микровизора, приведенные в табл. 1.

Таблица 1. Значение увеличения при различных вариантах выбора

видеокамеры и дисплея

Увеличение микровизора с ЖК дисплеем

Тип матрицы РА050ХБ1 Р0064УТ4

фотоприемника с диагональю 127 мм

1СХ259АК (1/3") 21 -

с диагональю 6,0 мм

1СХ259АК (1/4") 28 -

с диагональю 4,5 мм

Матрица (1/2") - 20,4

с диагональю 8,0 мм - 40,8

в двух режимах

электронного увеличения

Заметим, что микрообъектив проецирует изображение объекта в бесконечность, поэтому необходима еще одна оптическая система, называемая проективом, которая проецирует изображение объекта после микрообъектива на матрицу фотоприемника. При проведении проекта выполнены расчеты характеристик проективов с учетом параметров используемых микрообъективов с различной степенью увеличения. При

использовании микрообъективов увеличением от 2,5 до 100 крат увеличение оптической системы «микрообъектив / проектов» составляет от 1 до 40. Разрешающая способность оптической системы «микрообъектив / проектов» по сравнению с разрешающей способностью микрообъектива несколько ухудшается, однако при этом увеличивается глубина резкости.

В результате проведенных расчетов установлено, что для получения наиболее высокой разрешающей способности цифровых микроскопов аберрационная коррекция оптической системы должна быть планапохроматической, требуется использовать камеры с минимально возможными размерами пикселов и обеспечить максимально возможное оптическое и электронное увеличение.

На основании проведенных расчетов выполнена конструкторская разработка и созданы макетные образцы микровизоров.

Общий вид макета микровизора показан на рис. 4.

Рис. 4. Общий вид макета микровизора

Светодиодный осветитель отраженного света 5 установлен на оси поворотного механизма 9, жестко закрепленного на направляющей 14 фокусировочного механизма. Механизм поворота осветителя обеспечивает возможность его установки в двух фиксированных положениях для работы в прямом и инвертированном режиме. Поворот осветителя до фиксированного положения осуществляется с помощью рукоятки 6.

В корпусе осветителя размещены светодиод с эллиптическим коллектором и светоделительная пластинка. По оси светоделительной пластинки сверху и снизу в корпусе осветителя имеются два отверстия с объективной резьбой ОБ 3/4"х1/36". В одно из отверстий устанавливается сменный объектив 8, в другое отверстие -проекционный объектив, на корпусе которого жестко закреплена цветная телевизионная камера 4 без корпуса.

При прямом освещении сменный объектив устанавливается в нижнее положение, а проекционный объектив с камерой - в верхнее. В инвертированном варианте освещения сменный объектив устанавливается в верхнее положение, а проекционный объектив с камерой - в нижнее.

Фокусировочный механизм, расположенный в корпусе 13 (см. рис. 4) штатива 11, обеспечивает вертикальное перемещение осветителя. Грубое перемещение осуществляется рукоятками 10 большего диаметра, точное перемещение - рукоятками 12 меньшего диаметра. Рукоятки расположены на одной оси и выведены с обеих сторон корпуса. Общий диапазон грубой фокусировки составляет не менее 60 мм, при этом за один оборот рукоятки 10 направляющая фокусировочного механизма перемещается на 6,3 мм.

На одном штативе микроскопа отраженного света последовательно были собраны два макета микровизора:

модель 1-е ЖК дисплеем с диагональю экрана 5" (127 мм) и с матрицей (аналоговая видеосистема) с размерами пиксела 6,5x6,25 мкм;

модель 2-е ЖК дисплеем с диагональю экрана 5" (127 мм) и с матрицей (аналоговая видеосистема) с размерами пиксела 4,9x4,7 мкм.

На макетах были произведены измерения линейного увеличения и разрешающей способности микровизора в плоскости объекта. В результате проведенных исследований установлено, что технические характеристики микровизоров как видеосистем, регистрирующих изображение объектов исследования, не уступают аналогичным системам микроскопов, а по некоторым характеристикам превосходят их.

Модельный ряд микровизоров целесообразно использовать в следующих областях:

- модель 1 - для анализа рельефных "грубых" объектов, например, для задач фрактографии, порошковой металлургии, для объектов в области деятельности МЧС и т.д., а также для оборудования учебных классов на кафедрах университетов, например, по дисциплинам материаловедения, для наблюдения и изучения учебных препаратов одновременно широкой аудиторией студентов с возможностью записи изображения для дальнейшей индивидуальной компьютерной обработки, визуализации и документирования отображаемой информации;

- модель 2-е повышенными требованиями, связанными с выбором цифровых матриц и дисплеев с высоким разрешением, предназначены для анализа более тонких объектов, например, для объектов микроэлектронной или металлургической промышленности.

В результате проекта отработаны методики расчета и оптимизации оптических параметров микровизоров для решения широкого круга задач потребителей и выполнены разработки модельного ряда микровизоров.

Заключение

Анализ требований потребителей показал, что микровизоры успешно решают задачи классической микроскопии, а в ряде случаев имеют заметные преимущества. Потребители отметили целый ряд достоинств микровизоров: комфортность наблюдения объектов, простоту в работе, компактность, эргономичность, малый вес, универсальность и многое другое. Отмечено удобство работы со светодиодными осветителями - их надежность, компактность, безопасность и комфортность.

Особенно следует отметить наличие прямого изображения в микровизорах, что очень удобно потребителям. В классической микроскопии в визуальном канале изображение объекта перевернуто, требуется наличие специальных оптических насадок или систем для получения прямого изображения - это сложные, трудоемкие, дорогостоящие системы.

Ввиду необходимости расширения модельного ряда микровизоров требуется комплектация моделей при различных методах освещения и контрастирования [4, 5] в связи с многообразием объектов исследования. Требуется создание моделей с отраженным, проходящим и смешанным освещением. Расширение функциональных возможностей микровизоров обеспечивается введением дополнительных методов контрастирования объектов: косового освещения, поляризованного света, дифференциально-интерференционного и фазового контрастов, темного поля и люминесценции.

Микровизор может служить эффективным средством для оборудования учебных классов, для наблюдения учебных препаратов одновременно широкой аудиторией с возможностью документирования отображаемой информации. Потребители подтвердили, что универсальность микровизоров определяет их перспективность с точки зрения рынка изделий в области микроскопии, включающего все основные отрасли народного хозяйства и медицину.

Литература

1. Slayter Е.М, Slayter H.S. Light and electron microscopy. Cambridge Univ. Press, 1992.

2. Проектирование оптических систем /Под ред. Р. Шеннона. М.: Мир, 1983.

3. Белашенков Н.Р., Гуров И.П., Лопатин А.И., Мельников A.B., Никифоров В.О. Осветительная система для микроскопа с регулируемой цветовой температурой излучения //Известия вузов. Приборостроение (представлена к опубликованию).

4. Васильев Б.И. Оптика поляризационных приборов. М.: Машиностроение, 1969.

5. Франсон М. Фазово-контрастный и интерференционный микроскопы. М.: Физматлит, 1960.