Видеомикроскоп и способ регистрации изображения с его помощью

Видеомикроскоп содержит источник излучения, оптическую систему доставки его излучения до оптической поверхности предметного столика, оптическую систему формирования изображения и электронный приемник изображения, а также блок управления и обработки изображения, электрически соединенный с электронным приемником изображения. В видеомикроскоп введен по крайней мере один тестовый предмет, управляемый спектральный селектор, размещенный между источником излучения и оптической системой доставки излучения и электрически соединенный с блоком управления и обработки изображения, а оптическая система доставки излучения включает светоделитель и фотоприемник, оптически сопряженный с выходом селектора через светоделитель и электрически соединенный с блоком управления и обработки изображения. При регистрации изображения получают массивы цифровых данных изображения исследуемого и тестового предметов и формируют массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета путем деления каждого значения данных массива цифровых данных изображения исследуемого предмета на соответствующее значение данных массива цифровых данных изображения тестового предмета. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к оптической технике, в частности к микроскопам и способам регистрации изображения с их помощью.

В последние годы стремительный прогресс цифровых технологий, в частности, в области производства компактных, надежных, обладающих высоким пространственным разрешением и не слишком дорогих электронных приемников изображения, привел к появлению новых возможностей в микроскопии, а именно к созданию видеомикроскопов. Хорошо известно, что применение электронных приемников изображения в качестве чувствительных элементов для регистрации изображения предметов позволяет проводить объективные измерения пространственных характеристик этих предметов и открывает возможность их наблюдения одновременно большим количеством людей путем вывода видеоизображения на дисплей в реальном времени. Эта особенность видеомикроскопов кардинальным образом отличает их от традиционных приборов для микроскопии, содержащих визуальный канал наблюдения за предметом, в определенный момент времени непосредственно доступный лишь одному наблюдателю. Кроме этого, в видеомикроскопе изображение объекта, зарегистрированное электронным приемником, может быть преобразовано в массив цифровых данных, включая потоковое видео, и сохранено в памяти компьютера для последующей обработки и использования. Эти преимущества микроскопов, содержащих электронные приемники в качестве элементов для регистрации изображения, дают основания полагать, что данный класс приборов с течением времени может существенным образом потеснить традиционные микроскопы с визуальным каналом наблюдения за предметами.

Использование видеомикроскопов открывает широкие дополнительные возможности для способов их применения в научных исследованиях, которые ранее были либо трудноосуществимы при использовании традиционных микроскопов с визуальным каналом наблюдения, либо вообще недоступны. В частности, к числу таких способов можно отнести проведение точных спектроскопических исследований микрообъектов, особенно в тех спектральных диапазонах, которые лежат вне области чувствительности человеческого глаза.

Решение новых и не характерных для видеомикроскопов задач требует улучшения тех их функциональных параметров, которые в традиционных микроскопах были не столь существенны. В данном случае речь пойдет о пространственной однородности засветки поля предмета, а также об однородности спектрального состава излучения осветителя.

Известен видеомикроскоп (патент США №6452625, опубл. 17.09.2002), включающий предметный столик и штатив, внутри которого размещены осветитель, оптическая система, электронный приемник изображения, блок управления и обработки изображения, электрически соединенный с электронным приемником изображения, и дисплей, электрически соединенный с блоком управления и обработки изображения, причем осветитель установлен таким образом, чтобы излучаемый им свет освещал предметный столик, проходил через оптическую систему и попадал на электронный приемник изображения, а электронный приемник изображения расположен так, что его приемная площадка через оптическую систему оптически сопряжена с оптической поверхностью предметного столика. В данном микроскопе оптическая система представляет собой компонент из набора сменных объективов с различным увеличением и выполнена с возможностью ее выведения из оптического тракта. Основным недостатком данного видеомикроскопа является малое поле зрение при использовании оптической системы с большим увеличением. При увеличении поля зрения резко снижается качество регистрируемого изображения из-за возрастания пространственной неоднородности засветки поля предмета. Кроме того, данный видеомикроскоп не снабжен какими-либо средствами контроля и управления однородностью спектрального состава излучения осветителя, что не позволяет использовать его для измерения спектральных характеристик малоразмерных предметов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранным за прототип является видеомикроскоп, описанный в патенте США №6690466 от 02.08.2001, включающий предметный столик, осветитель, содержащий несколько источников излучения и оптическую систему доставки излучения этих источников до оптической поверхности предметного столика, оптическую систему формирования изображения, электронный приемник изображения, расположенный так, что его приемная площадка через оптическую систему формирования изображения оптически сопряжена с оптической поверхностью предметного столика, а также блок управления и обработки изображения, электрически соединенный с электронным приемником изображения и источниками излучения. В качестве осветителя в данном видеомикроскопе использована спектральная проекционная система, а источниками излучения являются светодиоды, способные излучать свет в различных спектральных диапазонах.

В прототипе реализован способ регистрации изображения, состоящий в том, что исследуемый предмет размещают на оптической поверхности предметного столика видеомикроскопа, освещают исследуемый предмет излучением осветителя, формируют изображение исследуемого предмета на приемной площадке электронного приемника изображения, преобразуют электрические сигналы с выхода электронного приемника изображения в массив цифровых данных изображения исследуемого предмета. В результате применения оригинального осветителя и системы управления мощностью источников излучения в данном видеомикроскопе реализована возможность наблюдения за предметом с большим увеличением в заданных спектральных диапазонах. Однако система доставки излучения этих источников до оптической поверхности предметного столика обладает принципиальным недостатком. Она является сложной и не обеспечивает пространственной однородности засветки поля предмета. Наличие нескольких источников излучения провоцирует дополнительные проблемы, связанные с пространственной однородностью спектрального состава излучения осветителя на оптической поверхности предметного столика.

Недостатком прототипа является низкая точность измерений спектральных компонент функции оптического отклика (коэффициента пропускания и/или коэффициента отражения) исследуемого предмета в широком поле зрения с высоким пространственным разрешением, что обуславливает низкие потребительские качества прототипа как устройства, а также существенно сужает функциональные возможности регистрации изображения с его помощью.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение потребительских качеств видеомикроскопа.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, состоящего в повышении точности измерений спектральных компонент функции оптического отклика (коэффициента пропускания и/или коэффициента отражения) исследуемого предмета в широком поле зрения с высоким пространственным разрешением.

Данный технический результат достигается тем, что в заявляемом видеомикроскопе, включающем предметный столик, осветитель, содержащий источник излучения и оптическую систему доставки излучения этого источника до оптической поверхности предметного столика, оптическую систему формирования изображения, электронный приемник изображения, расположенный так, что его приемная площадка через оптическую систему формирования изображения оптически сопряжена с оптической поверхностью предметного столика, а также блок управления и обработки изображения, электрически соединенный с электронным приемником изображения, имеется по крайней мере один тестовый предмет, осветитель содержит управляемый спектральный селектор, размещенный между источником излучения и системой доставки излучения и электрически соединенный с блоком управления и обработки изображения, а оптическая система доставки излучения включает светоделитель и фотоприемник, оптически сопряженный с выходом управляемого спектрального селектора через светоделитель и электрически соединенный с блоком управления и обработки изображения.

Кроме того, в заявляемом видеомикроскопе тестовый предмет может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного материала с нанесенными на ее поверхность непрозрачными маркерами.

Кроме того, в заявляемом видеомикроскопе тестовый предмет может быть выполнен в виде пластины из белого светорассеивающего материала.

Технический результат достигается также и тем, что в заявляемом способе регистрации изображения с помощью заявляемого видеомикроскопа предварительно на оптической поверхности предметного столика видеомикроскопа размещают тестовый предмет, освещают тестовый предмет излучением осветителя, формируют изображение тестового предмета на приемной площадке электронного приемника изображения, преобразуют электрические сигналы с выхода электронного приемника изображения в массив цифровых данных изображения тестового предмета, затем на оптической поверхности предметного столика видеомикроскопа размещают исследуемый предмет, освещают исследуемый предмет излучением осветителя, формируют изображение исследуемого предмета на приемной площадке электронного приемника изображения, преобразуют электрические сигналы с выхода электронного приемника изображения в массив цифровых данных изображения исследуемого предмета, после чего формируют массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета путем деления каждого значения данных массива цифровых данных изображения исследуемого предмета на соответствующее значение данных массива цифровых данных изображения тестового предмета.

Кроме того, в заявляемом способе регистрации изображения с помощью заявляемого видеомикроскопа исследуемый предмет освещают монохроматическим излучением, изменяют длину волны излучения осветителя в пределах спектрального диапазона регистрации изображения исследуемого предмета, а массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета формируют для каждого значения длины волны излучения осветителя.

Кроме того, в заявляемом способе регистрации изображения с помощью заявляемого видеомикроскопа исследуемый предмет освещают монохроматическим излучением, изменяют длину волны излучения осветителя в пределах спектрального диапазона регистрации изображения исследуемого предмета, регистрируют мощность излучения осветителя на каждой длине волны излучения осветителя, изменяют ширину спектра излучения осветителя таким образом, чтобы отклонения мощности излучения осветителя на каждой длине волны излучения осветителя не превышали 50% от ее максимального значения, а массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета формируют для каждого значения длины волны излучения осветителя.

Как известно, точность выполнения спектрометрических исследований с высоким пространственным разрешением во многом определяется однородностью засветки поля предмета и равномерностью спектрального распределения излучения осветителя. Задачу обеспечения высоких параметров пространственной и спектральной однородности распределения излучения подсветки можно решать двумя способами. Во-первых, можно применять (как это реализовано в прототипе) сложные, дорогостоящие и недостаточно надежные в эксплуатации системы гомогенизации светового пучка осветителя, не имея гарантии того, что во время измерений эти параметры должным образом обеспечены. Для контроля однородности засветки поля предмета в этом случае устройство регистрации изображения должно быть снабжено дополнительно еще и средствами измерения освещенности поля предмета (в прототипе они отсутствуют), что в еще большей степени удорожает конструкцию видеомикроскопа и усложняет способ его применения. Альтернативный путь, предложенный в настоящем изобретении, состоит в том, что применяют стандартный осветитель с широкополосным источником излучения и систему доставки его излучения к предметному полю, а видеомикроскоп снабжают дополнительно тестовым предметом, управляемым спектральным селектором, размещенным между источником излучения и системой доставки излучения, а также фотоприемником для контроля выходной мощности излучения подсветки на выходе управляемого спектрального селектора.

Сущность изобретения раскрывается чертежами, на которых приведена схема заявляемого видеомикроскопа (фиг.1) и вариант исполнения тестового предмета (фиг.2). На фиг.1 показаны: 1 - предметный столик; 2 - осветитель; 3 - источник излучения; 4 - оптическая система доставки излучения; 5 - оптическая система формирования изображения; 6 - электронный приемник изображения; 7 - блок управления и обработки изображения; 8 - тестовый предмет; 9 - управляемый спектральный селектор; 10 - светоделитель; 11 - фототоприемник. На фиг.2. изображен тестовый предмет 8 в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного материала с нанесенными на ее поверхность непрозрачными маркерами 12.

Заявляемое изобретение работает следующим образом. Прежде всего на оптической поверхности предметного столика 1 видеомикроскопа размещают тестовый предмет 8, выполненный, например, в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного материала с нанесенными на ее поверхность непрозрачными маркерами 12. Затем освещают тестовый предмет 8 излучением осветителя 2, которое доставляют к оптической поверхности предметного столика 1 с помощью оптической системы доставки излучения 4. Далее формируют изображение тестового предмета 8 на приемной площадке электронного приемника изображения 6 с помощью оптической системы формирования изображения 5 и преобразуют электрические сигналы с выхода электронного приемника изображения 6 в массив цифровых данных изображения тестового предмета 8. Тем самым получают объективную и достоверную информацию об энергетической освещенности оптической поверхности предметного столика и поля предмета. Непрозрачные маркеры 12 обеспечивают точную пространственную привязку зарегистрированного изображения. Затем на оптической поверхности предметного столика 1 размещают исследуемый предмет, освещают его излучением осветителя 2, формируют изображение исследуемого предмета на приемной площадке электронного приемника изображения 6, преобразуют электрические сигналы с выхода электронного приемника изображения 6 в массив цифровых данных изображения исследуемого предмета, после чего формируют массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета (для случая, изображенного на фиг.1, функцией оптического отклика является коэффициент отражения) путем деления каждого значения данных массива цифровых данных изображения исследуемого предмета на соответствующее значение данных массива цифровых данных изображения тестового предмета. В результате выполнения вышеуказанных операций полученная функция оптического отклика исследуемого предмета не зависит от пространственной неравномерности освещенности поля предмета и точность ее измерения повышается.

В отличие от прототипа, осветитель которого содержит набор узкополосных управляемых светодиодных источников, в заявляемом изобретении предлагается использовать стандартный широкополосный источник излучения 3, например, в виде галогеновой лампы. Поэтому для выполнения спектрометрических исследований в состав осветителя 2 должен быть включен управляемый спектральный селектор 9. Регистрация изображения исследуемого предмета в различных спектральных диапазонах осуществляется вышеописанным способом. При этом исследуемый предмет освещают монохроматическим излучением, длина волны и ширина спектра которого устанавливается с помощью блока управления и обработки изображения 7, электрически соединенного с управляемым спектральным селектором 9. Далее изменяют длину волны излучения осветителя 2 в пределах спектрального диапазона регистрации изображения исследуемого предмета, а массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета формируют для каждого значения длины волны излучения осветителя 2.

Поскольку в заявляемом изобретении предложено использовать стандартный широкополосный источник излучения 3, мощность излучения которого в различных спектральных диапазонах неодинакова, для контроля мощности излучения осветителя 2 и компенсации погрешностей измерения функции оптического отклика исследуемого предмета из-за неравномерности спектральной характеристики источника излучения 3 в заявляемом видеомикроскопе в состав оптической системы доставки излучения 4 введен фотоприемник 11, оптически сопряженный с выходом управляемого спектрального селектора 9 через светоделитель 10. Этот фотоприемник 11 электрически соединен с блоком управления и обработки изображения 7. С его помощью при выполнении спектрометрических исследований осуществляют измерение выходной мощности излучения осветителя 2, направляемого на оптическую поверхность предметного столика 1. При необходимости (в случаях отклонения мощности излучения осветителя 2 на каждой длине волны излучения осветителя более чем на 50% от ее максимального значения) блок управления и обработки изображения 7 вырабатывает управляющие сигналы для управляемого спектрального селектора 9, который адекватным образом изменяет ширину спектра излучения осветителя 2.

Таким образом, на основании вышеизложенного совокупность заявляемых признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно повышение точности измерения спектральных компонент функции оптического отклика (коэффициента пропускания и/или коэффициента отражения) исследуемого предмета в широком поле зрения с высоким пространственным разрешением.

1. Видеомикроскоп, включающий предметный столик, осветитель, содержащий источник излучения и оптическую систему доставки излучения этого источника до оптической поверхности предметного столика, оптическую систему формирования изображения, электронный приемник изображения, расположенный так, что его приемная площадка через оптическую систему формирования изображения оптически сопряжена с оптической поверхностью предметного столика, а также блок управления и обработки изображения, электрически соединенный с электронным приемником изображения, отличающийся тем, что видеомикроскоп включает по крайней мере один тестовый предмет, осветитель содержит управляемый спектральный селектор, размещенный между источником излучения и системой доставки излучения и электрически соединенный с блоком управления и обработки изображения, а оптическая система доставки излучения включает светоделитель и фотоприемник, оптически сопряженный с выходом управляемого спектрального селектора через светоделитель и электрически соединенный с блоком управления и обработки изображения.

2. Видеомикроскоп по п.1, отличающийся тем, что тестовый предмет выполнен в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного материала с нанесенными на ее поверхность непрозрачными маркерами.

3. Видеомикроскоп по п.1, отличающийся тем, что тестовый предмет выполнен в виде пластины из белого светорассеивающего материала.

4. Способ регистрации изображения с помощью видеомикроскопа, состоящий в том, что исследуемый предмет размещают на оптической поверхности предметного столика видеомикроскопа, освещают исследуемый предмет излучением осветителя, формируют изображение исследуемого предмета на приемной площадке электронного приемника изображения, преобразуют электрические сигналы с выхода электронного приемника изображения в массив цифровых данных изображения исследуемого предмета, отличающийся тем, что на оптической поверхности предметного столика видеомикроскопа размещают тестовый предмет, освещают тестовый предмет излучением осветителя, формируют изображение тестового предмета на приемной площадке электронного приемника изображения, преобразуют электрические сигналы с выхода электронного приемника изображения в массив цифровых данных изображения тестового предмета, формируют массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета путем деления каждого значения данных массива цифровых данных изображения исследуемого предмета на соответствующее значение данных массива цифровых данных изображения тестового предмета.

5. Способ регистрации изображения с помощью видеомикроскопа по п.4, отличающийся тем, что освещают исследуемый предмет монохроматическим излучением, изменяют длину волны излучения осветителя в пределах спектрального диапазона регистрации изображения исследуемого предмета, а массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета формируют для каждого значения длины волны излучения осветителя.

6. Способ регистрации изображения с помощью видеомикроскопа по п.4, отличающийся тем, что освещают исследуемый предмет монохроматическим излучением, изменяют длину волны излучения осветителя в пределах спектрального диапазона регистрации изображения исследуемого предмета, регистрируют мощность излучения осветителя на каждой длине волны излучения осветителя, изменяют ширину спектра излучения осветителя таким образом, чтобы отклонения мощности излучения осветителя на каждой длине волны излучения осветителя не превышали 50% от ее максимального значения, а массив цифровых данных функции оптического отклика исследуемого предмета формируют для каждого значения длины волны излучения осветителя.