Модернизация микровизоров проходящего и отраженного света
УДК 681.723 МОДЕРНИЗАЦИЯ МИКРОВИЗОРОВ ПРОХОДЯЩЕГО И ОТРАЖЕННОГО СВЕТА
© 2011 г. Т. Ф. Калинина; А. И. Лопатин, канд. физ.-мат. наук; О. М. Струкова
ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург E-mail: tatyaKalinina@yandex.ru
Представлены результаты модернизации цифровых микроскопов ОАО “ЛОМО” – микровизоров проходящего и отраженного света. Приведены результаты расчетного и экспериментального определения частотно-контрастных характеристик серийных и перспективных моделей микровизоров.
Ключевые слова: цифровой микроскоп, микровизор, уровень восприятия изображения, число Джонсона, частота Найквиста, частотно-контрастная характеристика микровизора.
Коды OCIS: 100.2960, 110.0180
Поступила в редакцию 31.05.2010
В настоящее время сотрудниками фирм ОАО “ЛОМО” и ООО “ЛОМО–ФОТОНИКА” ведется работа по модернизации серийно выпускаемых моделей микровизоров проходящего и отраженного света μVizo-103 [1] и μVizo-МЕТ.
Внешний вид приборов не изменился и представлен на рис. 1. В табл. 1 приведены технические характеристики микровизоров как выпускаемых серийно, так и новых моделей, готовящихся к выпуску.
В новых микровизорах, как и в серийных, в качестве приемника излучения используется CMOS-матрица с диагональю 1/2′′ и TFT LCD дисплей, но матрица имеет более высокое разрешение 2048×1536 пкс вместо 1280×1024 пкс, и дисплей – 1024×768 пкс вместо 640×480 пкс, сохранены режимы цифрового масштаба: 1× и 2×, введен вспомогательный режим 4×.
Для нецветных металлов и материалов и неокрашенных биологических объектов предусмотрен режим “черно-белого” изображения, при котором изображение мелких элементов объекта не имеет артефактной цветной окантовки (рис. 2).
В новых микровизорах режимы работы “Контрастность” и “Резкость” являются более действенными для повышения качества изображения. Они позволяют существенно улучшить резкость и четкость границ, контраст и, как результат, разрешение изображения в режиме реального времени (рис. 3).
Сравнение изображений, “контрастированных” с помощью режимов “Контрастность” и “Резкость”, по разрешающей способности R, мкм и контрасту K(N) производилось наблюдением и обработкой изображений штрихов
(а) (б)
Рис. 1. Внешний вид микровизоров. а – микровизор проходящего света (модель μVizo-103), б – микровизор отраженного света (модель μVizo-МЕТ).
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
91
92 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
Таблица 1. Технические характеристики микровизоров
Характеристики
Микровизоры μVizo-МЕТ
Серийная модель
Модернизированная модель
Микровизоры μVizo-103
Серийная модель
Модернизированная модель
Объективы
5/0,12; 10/0,20; 20/0,35;50/0,60; 100/0,75
Цифровой масштаб 1× цифровой масштаб 2× цифровой масштаб 4×
50, 100, 200, 500, 1000 100, 200, 400, 1000, 2000
—
50, 100, 200, 500, 1000 100, 200, 400, 1000, 2000 200, 400, 800, 2000, 4000
Методы исследования
Светлое поле. Темное поле. Поляризованный свет. Дифференциальный интерференционный контраст
Наибольшее поле на объекте
2,6×1,9 мм; диагональ 3,2 мм
5/0,10; 20/0,45;63/0,85; 100/1,25ми
63, 250, 800, 1250 125, 500, 1600, 2500
—
63, 250, 800, 1250 125, 500, 1600, 2500 250, 1000, 3200, 5000
Светлое поле. Темное поле.
2,0×1,5 мм; диагональ 2,5 мм
Видеосистема: матрица, монитор
CMOS, 1/2", 1,3 Мпкс VGA, 6,4″, 640×480 пкс
CMOS, 1/2", 3,2 Мпкс VGA, 6,5″, 1024×768 пкс
CMOS, 1/2", 1,3 Мпкс VGA, 6,4″, 640×480 пкс
CMOS, 1/2", 3,2 Мпкс VGA, 6,4″, 1024×768 пкс
Регулируемые параметры в режиме реального времени и функциональные
режимы
“Яркость”; “Контрастность”; “Резкость”; “Множитель”; “Фон”; “Фильтр”; “Масштаб”; “Стоп кадр”; “Оттенок”; “Подсчет количества элементов изображения”; “Указка”; “Определение линейных размеров и площадей”
“Насыщенность”; “Черно-белое
изображение”; Определение угловых
—
размеров; Создание “Альбомов” пользователя; Наложение на изображение
“меток” в виде перекрестия, шкал,
масштабного отрезка и др.
“Насыщенность”,
“Черно-белое изображение”;
—
Определение угловых размеров; Создание
“Альбомов” пользователя
Автоматические настройки
Баланс белого, заданный уровень яркости изображения на мониторе
Специализированные задачи
Анализ микроструктуры металлов и сплавов — методом сравнения с изображениями
эталонных шкал по ГОСТ 5639 и др.
“Формула крови”
Сохранение данных
Карта памяти стандарта SD
Встроенная карта памяти
Встроенная карта памяти
——
(“Внутренний диск”), 8 Гб
(“Внутренний диск”), 8 Гб
Внешний выход
USB 2.0 VGA, 640×480 пкс
USB 2.0 VGA, 1024×768 пкс; 2048×1536 пкс;
USB 2.0 VGA, 640×480 пкс
USB 2.0
VGA, 1024×768 пкс, 2048×1536 пкс
Источник света
Светодиод белого свечения, мощность 5 Вт
(а) (б)
Рис. 2. Фрагменты изображений миры с периодами 2,2; 1,8; 1,6 и 1,4 мкм, полученные на новом микровизоре проходящего света с объективом 10×/0,25 при значениях параметров: цифровой масштаб 2×, “Контрастность” K= 0, “Резкость” Р = 0: а – с фильтром “RGB”, б – в режиме черно-белого изображения.
(а) (б)
(в) (г)
Рис. 4. а, б – изображение растительной клетки, полученное с объективом 10×/0,25 при цифровом масштабе 2×; в, г – фрагмент изображения костного мозга, полученного с объективом 100×/1,25, при цифровом масштабе 2×; а, в – изображения получены на серийном микровизоре, б, г – на новом микровизоре.
(а) (б) (в)
Значения параметров настройки “Контрастность” K и “Резкость” Р
K = 5, Р = 0
K = 0, Р = 10
K = 5, Р = 10
(г) (д) (е)
K = 0,15
R = 2,2 мкм; N`=1/R`= 74 лин/мм K = 0,40
K = 0,69
K = 0,07
R = 1,8 мкм; N`= 91 лин/мм K = 0,25
K = 0,45
K = 0,03
R = 1,6 мкм; N` = 102 лин/мм K = 0,12
K = 0,22
Рис. 3. Фрагменты изображений миры с периодами от 2,2 до 1,4 мкм, полученные на новом микровизоре проходящего света с объективом 10×/0,25 в режиме черно-белого изображения при цифровом масштабе 2×. а – при значениях параметров “Контрастность” K = 5, “Резкость” Р = 0, б – K = 0, Р = 10,
в – K = 5, Р = 10, г, д, е – графики изменения уровня сигнала для изображений а, б, в (по оси X – № пик-
села, по оси Y – уровень сигнала I, значение контраста на частоте N рассчитано по формуле K(N) =
= Imax – Imin/Imax + Imin).
миры на мониторе микровизора в центре поля зрения в режиме цифрового масштаба 2× – “пиксел-в-пиксел” [2]. В качестве объекта использовали аттестованные штриховые миры с периодом: 11,0; 5,5; 3,7; 2,8 и 2,2; 1,8; 1,6; 1,4 мкм.
Режим “Насыщенность”, введенный в дополнение к режиму “Оттенок”, принципиально иначе решает проблему приблизить по цветопередаче изображение в микровизоре к изображе-
нию, наблюдаемому в классическом микроскопе (рис. 4). Режим “Насыщенность” позволяет изменять степень чистоты – сочности цвета, выявлять тонкие цветовые нюансы изображения. Параметр “Насыщенность” изменяется в диапазоне ±50 единиц. При положительных значениях − цвета более насыщенные, приближающиеся к монохроматическим, при отрицательных значениях − цвета более тусклые, слабые – “вымытые”.
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
93
Введение встроенной карты памяти расширяет возможности микровизора и позволяет пользователю создавать собственные “Альбомы” с архивными или эталонными изображениями.
В модели отраженного света введена возможность проведения “входного контроля” металлов и сплавов методом сравнения с эталонными шкалами.
Сравниваемые микровизоры имеют одни и те же оптические системы освещения и проекции изображения на матрицу, но различаются видеосистемами. Видеосистема с более высоким разрешением позволяет в большей степени использовать как возможности оптической системы микровизора, так и программные возможности “контрастирования” изображения. Расчетные и измеренные значения разрешающей способности приведены в табл. 2, 3.
В табл. 2 значения предельных передаваемых частот N выбраны и определены как предельные, исходя из условия обеспечения динамически устойчивого разрешения, при котором Rм` атр ≥ 3αматр или число Джонсона n0 ≥ 3, а значение контраста Kос(N) не менее 0,16–0,3 [2]. В серийных моделях на малых и средних увеличениях при n0 = 3 расчетные значения контраста Kос(N) = 0,3–0,4, то есть числовая апертура оптической системы полностью не используется и при переходе на видеосистему с большим разрешением следует ожидать увеличения разрешения именно для этих увеличений.
На больших увеличениях во всех моделях оптическая система и видеосистема сбалансированы и работают на контрасте, предельно возможном для видеосистем.
Таблица 2. Расчетные данные разрешающей способности для микровизоров проходящего света μVizo-103 с объективами
Определяемые характеристики
5×/0,10 А`* = 0,031 Rоб = 3,3 мкм
10×/0,25
20×/0,45
63×/0,85
А` = 0,041
А` = 0,037
А`= 0,022
Rоб = 1,3 мкм Rоб = 0,7 мкм Rоб = 0,4 мкм
100×/1,25 ми А` = 0,020
Rоб = 0,3 мкм
для серийных и новых видеосистем с размерами пикселов αматр.– αэкр., мкм
5,2–203 3,2–129 5,2–203 3,2–129 5,2–203 3,2–129 5,2–203 3,2–129 5,2–203 3,2–129
Линейное увеличение до плоскости матрицы, Vос
–3,23
–6,12
–12,27
–38,50
–61,37
Линейное увеличение до плоскости крана, V
–129
–245
–491
–1540
–2455
Разрешающая способность 5,0 4,0 2,7 1,8 1,3 1,0 в плоскости объекта, R, мкм
0,6
0,40
в плоскости матрицы, R`матр = RVос, мкм
в плоскости монитора R`экр= RV, мкм
16,0 13,0 16,7 10,8 15,6 11,6 640 520 668 432 624 464
22,2 888
24,4 888
Предельная передаваемая частота N = 1/R`матр, лин/мм
63 77 60 92 64 86
45
41
Значения контраста Kос (N)
0,3 0,2 0,4 0,2 0,3 0,2
0,2
0,2
Число Джонсона n0= R`/α 3,0 4,1 3,2 3,4 3,0 3,6 4,3 6,9 4,7 7,6
Уровень восприятия
Определение
Распознавание
*А` − выходная числовая апертура оптической системы микровизора при смене объективов; А` = Аоб/Vос Rоб – расчетные данные разрешающей способности объективов; Rоб = 0,61⋅0,546/Аоб.
94 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
Таблица 3.
Экспериментальные данные разрешающей способности для микровизоров проходящего света μVizo-103 с объективами
Определяемые характеристики
5×/0,10 А` = 0,031 Rоб = 3,3 мкм
10×/0,25 А` = 0,041 Rоб = 1,33 мкм
20×/0,45 А` = 0,037 Rоб = 0,74 мкм
5,2–203
для серийных и новых видеосистем с размерами пикселов αматр.–αэкр., мкм
3,2–129 5,2–203 3,2–129 5–203
3,2–129
Линейное увеличение до плоскости матрицы, Vос
до плоскости экрана, “V”
–3,23 –129
–6,12 –245
–12,27 –491
Разрешающая способность в плоскости объекта, R, мкм
5,5 3,7 2,8 1,8 1,4 *
© 2011 г. Т. Ф. Калинина; А. И. Лопатин, канд. физ.-мат. наук; О. М. Струкова
ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург E-mail: tatyaKalinina@yandex.ru
Представлены результаты модернизации цифровых микроскопов ОАО “ЛОМО” – микровизоров проходящего и отраженного света. Приведены результаты расчетного и экспериментального определения частотно-контрастных характеристик серийных и перспективных моделей микровизоров.
Ключевые слова: цифровой микроскоп, микровизор, уровень восприятия изображения, число Джонсона, частота Найквиста, частотно-контрастная характеристика микровизора.
Коды OCIS: 100.2960, 110.0180
Поступила в редакцию 31.05.2010
В настоящее время сотрудниками фирм ОАО “ЛОМО” и ООО “ЛОМО–ФОТОНИКА” ведется работа по модернизации серийно выпускаемых моделей микровизоров проходящего и отраженного света μVizo-103 [1] и μVizo-МЕТ.
Внешний вид приборов не изменился и представлен на рис. 1. В табл. 1 приведены технические характеристики микровизоров как выпускаемых серийно, так и новых моделей, готовящихся к выпуску.
В новых микровизорах, как и в серийных, в качестве приемника излучения используется CMOS-матрица с диагональю 1/2′′ и TFT LCD дисплей, но матрица имеет более высокое разрешение 2048×1536 пкс вместо 1280×1024 пкс, и дисплей – 1024×768 пкс вместо 640×480 пкс, сохранены режимы цифрового масштаба: 1× и 2×, введен вспомогательный режим 4×.
Для нецветных металлов и материалов и неокрашенных биологических объектов предусмотрен режим “черно-белого” изображения, при котором изображение мелких элементов объекта не имеет артефактной цветной окантовки (рис. 2).
В новых микровизорах режимы работы “Контрастность” и “Резкость” являются более действенными для повышения качества изображения. Они позволяют существенно улучшить резкость и четкость границ, контраст и, как результат, разрешение изображения в режиме реального времени (рис. 3).
Сравнение изображений, “контрастированных” с помощью режимов “Контрастность” и “Резкость”, по разрешающей способности R, мкм и контрасту K(N) производилось наблюдением и обработкой изображений штрихов
(а) (б)
Рис. 1. Внешний вид микровизоров. а – микровизор проходящего света (модель μVizo-103), б – микровизор отраженного света (модель μVizo-МЕТ).
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
91
92 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
Таблица 1. Технические характеристики микровизоров
Характеристики
Микровизоры μVizo-МЕТ
Серийная модель
Модернизированная модель
Микровизоры μVizo-103
Серийная модель
Модернизированная модель
Объективы
5/0,12; 10/0,20; 20/0,35;50/0,60; 100/0,75
Цифровой масштаб 1× цифровой масштаб 2× цифровой масштаб 4×
50, 100, 200, 500, 1000 100, 200, 400, 1000, 2000
—
50, 100, 200, 500, 1000 100, 200, 400, 1000, 2000 200, 400, 800, 2000, 4000
Методы исследования
Светлое поле. Темное поле. Поляризованный свет. Дифференциальный интерференционный контраст
Наибольшее поле на объекте
2,6×1,9 мм; диагональ 3,2 мм
5/0,10; 20/0,45;63/0,85; 100/1,25ми
63, 250, 800, 1250 125, 500, 1600, 2500
—
63, 250, 800, 1250 125, 500, 1600, 2500 250, 1000, 3200, 5000
Светлое поле. Темное поле.
2,0×1,5 мм; диагональ 2,5 мм
Видеосистема: матрица, монитор
CMOS, 1/2", 1,3 Мпкс VGA, 6,4″, 640×480 пкс
CMOS, 1/2", 3,2 Мпкс VGA, 6,5″, 1024×768 пкс
CMOS, 1/2", 1,3 Мпкс VGA, 6,4″, 640×480 пкс
CMOS, 1/2", 3,2 Мпкс VGA, 6,4″, 1024×768 пкс
Регулируемые параметры в режиме реального времени и функциональные
режимы
“Яркость”; “Контрастность”; “Резкость”; “Множитель”; “Фон”; “Фильтр”; “Масштаб”; “Стоп кадр”; “Оттенок”; “Подсчет количества элементов изображения”; “Указка”; “Определение линейных размеров и площадей”
“Насыщенность”; “Черно-белое
изображение”; Определение угловых
—
размеров; Создание “Альбомов” пользователя; Наложение на изображение
“меток” в виде перекрестия, шкал,
масштабного отрезка и др.
“Насыщенность”,
“Черно-белое изображение”;
—
Определение угловых размеров; Создание
“Альбомов” пользователя
Автоматические настройки
Баланс белого, заданный уровень яркости изображения на мониторе
Специализированные задачи
Анализ микроструктуры металлов и сплавов — методом сравнения с изображениями
эталонных шкал по ГОСТ 5639 и др.
“Формула крови”
Сохранение данных
Карта памяти стандарта SD
Встроенная карта памяти
Встроенная карта памяти
——
(“Внутренний диск”), 8 Гб
(“Внутренний диск”), 8 Гб
Внешний выход
USB 2.0 VGA, 640×480 пкс
USB 2.0 VGA, 1024×768 пкс; 2048×1536 пкс;
USB 2.0 VGA, 640×480 пкс
USB 2.0
VGA, 1024×768 пкс, 2048×1536 пкс
Источник света
Светодиод белого свечения, мощность 5 Вт
(а) (б)
Рис. 2. Фрагменты изображений миры с периодами 2,2; 1,8; 1,6 и 1,4 мкм, полученные на новом микровизоре проходящего света с объективом 10×/0,25 при значениях параметров: цифровой масштаб 2×, “Контрастность” K= 0, “Резкость” Р = 0: а – с фильтром “RGB”, б – в режиме черно-белого изображения.
(а) (б)
(в) (г)
Рис. 4. а, б – изображение растительной клетки, полученное с объективом 10×/0,25 при цифровом масштабе 2×; в, г – фрагмент изображения костного мозга, полученного с объективом 100×/1,25, при цифровом масштабе 2×; а, в – изображения получены на серийном микровизоре, б, г – на новом микровизоре.
(а) (б) (в)
Значения параметров настройки “Контрастность” K и “Резкость” Р
K = 5, Р = 0
K = 0, Р = 10
K = 5, Р = 10
(г) (д) (е)
K = 0,15
R = 2,2 мкм; N`=1/R`= 74 лин/мм K = 0,40
K = 0,69
K = 0,07
R = 1,8 мкм; N`= 91 лин/мм K = 0,25
K = 0,45
K = 0,03
R = 1,6 мкм; N` = 102 лин/мм K = 0,12
K = 0,22
Рис. 3. Фрагменты изображений миры с периодами от 2,2 до 1,4 мкм, полученные на новом микровизоре проходящего света с объективом 10×/0,25 в режиме черно-белого изображения при цифровом масштабе 2×. а – при значениях параметров “Контрастность” K = 5, “Резкость” Р = 0, б – K = 0, Р = 10,
в – K = 5, Р = 10, г, д, е – графики изменения уровня сигнала для изображений а, б, в (по оси X – № пик-
села, по оси Y – уровень сигнала I, значение контраста на частоте N рассчитано по формуле K(N) =
= Imax – Imin/Imax + Imin).
миры на мониторе микровизора в центре поля зрения в режиме цифрового масштаба 2× – “пиксел-в-пиксел” [2]. В качестве объекта использовали аттестованные штриховые миры с периодом: 11,0; 5,5; 3,7; 2,8 и 2,2; 1,8; 1,6; 1,4 мкм.
Режим “Насыщенность”, введенный в дополнение к режиму “Оттенок”, принципиально иначе решает проблему приблизить по цветопередаче изображение в микровизоре к изображе-
нию, наблюдаемому в классическом микроскопе (рис. 4). Режим “Насыщенность” позволяет изменять степень чистоты – сочности цвета, выявлять тонкие цветовые нюансы изображения. Параметр “Насыщенность” изменяется в диапазоне ±50 единиц. При положительных значениях − цвета более насыщенные, приближающиеся к монохроматическим, при отрицательных значениях − цвета более тусклые, слабые – “вымытые”.
“Оптический журнал”, 78, 1, 2011
93
Введение встроенной карты памяти расширяет возможности микровизора и позволяет пользователю создавать собственные “Альбомы” с архивными или эталонными изображениями.
В модели отраженного света введена возможность проведения “входного контроля” металлов и сплавов методом сравнения с эталонными шкалами.
Сравниваемые микровизоры имеют одни и те же оптические системы освещения и проекции изображения на матрицу, но различаются видеосистемами. Видеосистема с более высоким разрешением позволяет в большей степени использовать как возможности оптической системы микровизора, так и программные возможности “контрастирования” изображения. Расчетные и измеренные значения разрешающей способности приведены в табл. 2, 3.
В табл. 2 значения предельных передаваемых частот N выбраны и определены как предельные, исходя из условия обеспечения динамически устойчивого разрешения, при котором Rм` атр ≥ 3αматр или число Джонсона n0 ≥ 3, а значение контраста Kос(N) не менее 0,16–0,3 [2]. В серийных моделях на малых и средних увеличениях при n0 = 3 расчетные значения контраста Kос(N) = 0,3–0,4, то есть числовая апертура оптической системы полностью не используется и при переходе на видеосистему с большим разрешением следует ожидать увеличения разрешения именно для этих увеличений.
На больших увеличениях во всех моделях оптическая система и видеосистема сбалансированы и работают на контрасте, предельно возможном для видеосистем.
Таблица 2. Расчетные данные разрешающей способности для микровизоров проходящего света μVizo-103 с объективами
Определяемые характеристики
5×/0,10 А`* = 0,031 Rоб = 3,3 мкм
10×/0,25
20×/0,45
63×/0,85
А` = 0,041
А` = 0,037
А`= 0,022
Rоб = 1,3 мкм Rоб = 0,7 мкм Rоб = 0,4 мкм
100×/1,25 ми А` = 0,020
Rоб = 0,3 мкм
для серийных и новых видеосистем с размерами пикселов αматр.– αэкр., мкм
5,2–203 3,2–129 5,2–203 3,2–129 5,2–203 3,2–129 5,2–203 3,2–129 5,2–203 3,2–129
Линейное увеличение до плоскости матрицы, Vос
–3,23
–6,12
–12,27
–38,50
–61,37
Линейное увеличение до плоскости крана, V
–129
–245
–491
–1540
–2455
Разрешающая способность 5,0 4,0 2,7 1,8 1,3 1,0 в плоскости объекта, R, мкм
0,6
0,40
в плоскости матрицы, R`матр = RVос, мкм
в плоскости монитора R`экр= RV, мкм
16,0 13,0 16,7 10,8 15,6 11,6 640 520 668 432 624 464
22,2 888
24,4 888
Предельная передаваемая частота N = 1/R`матр, лин/мм
63 77 60 92 64 86
45
41
Значения контраста Kос (N)
0,3 0,2 0,4 0,2 0,3 0,2
0,2
0,2
Число Джонсона n0= R`/α 3,0 4,1 3,2 3,4 3,0 3,6 4,3 6,9 4,7 7,6
Уровень восприятия
Определение
Распознавание
*А` − выходная числовая апертура оптической системы микровизора при смене объективов; А` = Аоб/Vос Rоб – расчетные данные разрешающей способности объективов; Rоб = 0,61⋅0,546/Аоб.
94 “Оптический журнал”, 78, 1, 2011
Таблица 3.
Экспериментальные данные разрешающей способности для микровизоров проходящего света μVizo-103 с объективами
Определяемые характеристики
5×/0,10 А` = 0,031 Rоб = 3,3 мкм
10×/0,25 А` = 0,041 Rоб = 1,33 мкм
20×/0,45 А` = 0,037 Rоб = 0,74 мкм
5,2–203
для серийных и новых видеосистем с размерами пикселов αматр.–αэкр., мкм
3,2–129 5,2–203 3,2–129 5–203
3,2–129
Линейное увеличение до плоскости матрицы, Vос
до плоскости экрана, “V”
–3,23 –129
–6,12 –245
–12,27 –491
Разрешающая способность в плоскости объекта, R, мкм
5,5 3,7 2,8 1,8 1,4 *