Цифровые микроскопы, микроскопные комплексы и МикроСкринеры^™ проекта Labor-microscopes^®

В проекте Labor-microscopes^® объединились юридические организации и физические лица, обладающие знаниями и идеями либо имеющие производственную базу или инвестирующие материальные средства. Целью такого объединения стало налаживание производства микроскопов и других оптических приборов для удовлетворения нужд отечественного потребительского рынка. В настоящее время в проекте участвуют целый ряд оптических и оптико-механических предприятий, использующих научный и практический потенциал, а также новейшие разработки российских ученых и инженеров посредством привлечения к сотрудничеству специалистов ведущих профильных академических и образовательных вузов. Постепенно расширяется география предприятий - участников проекта.

Для построения системы современного светового микроскопа характерен принцип агрегатного проектирования.

При этом используется набор стандартных оптико-механических узлов, из которых собирается функционально наиболее полно отвечающий заданным свойствам прибор. К таким узлам можно отнести осветительные системы, проекционные системы, наблюдательные системы.

В последнее время все более широкое распространение получают системы цифровой визуализации с последующей обработкой и архивированием полученных изображений. Сегодня на рынке представлено ограниченное количество предложений по системам визуализации изображений и фотографирования с микроскопа. Системы можно разделить на несколько видов в зависимости от используемого приемника и согласующей оптической схемы:

• Видео (или цифровой) окуляр. Такое конструктивное решение позволяет получить удобное и компактное устройство, которое можно использовать вместо штатного окуляра микроскопа. Имеется также монитор.
• На основе цифровых фотоаппаратов, т. н. «мыльниц». В этом случае требуется наличие дополнительного оптико-механического адаптера, согласующего аберрационно (собственные аберрации объектива фотоаппарата недопустимо велики для микроскопирования) и габаритно оптические системы микроскопа и фотоаппарата. Имеется также монитор.
• На основе зеркального цифрового фотоаппарата, точнее, т. н. Body (без объектива). Имеет очевидные преимущества по простоте и надежности перед остальными системами, поскольку изображение на приемник передается непосредственно с объектива микроскопа как есть, без участия какой-либо дополнительной оптики. Оптическое качество такой системы зависит только от характеристик штатного объектива микроскопа. Имеется также монитор.
• На основе интегрированной в микроскоп системы визуализации, состоящей из цифровой камеры и монитора в виде единого конструктивного модуля, закрепленного на штативе микроскопа. Существует достаточно радикальная версия такой системы, в которой вообще отсутствует возможность наблюдения через окуляры.

Специалисты проекта Labor-microscopes^® реализовали оригинальную концепцию построения световых микроскопов с системами визуализации - цифровых микроскопов и микроскопных комплексов на основе любого из видов микроскопов (биомедицинских, металлографических, поляризационных и стереоскопических), дополненных оптико-цифровыми приспособлениями. В качестве приемников оптического изображения могут использоваться цифровые камеры и цифровые фотоаппараты, а в качестве систем отображения и обработки информации - персональные настольные и переносные компьютеры. Кроме того, нами разработаны и запущены в производство приборы типа МикроСкринер^™, реализующие современную концепцию мобильного автономного цифрового микроскопного комплекса, в котором сохранена функция традиционного наблюдения через окуляр; его можно использовать без перенастроек, как обычный микроскоп.

Компоновка световых микроскопов с системами визуализации

Структурная схема светового микроскопа с системой визуализации вне зависимости от спектра решаемых задач и его класса принципиально решается как набор модулей: оптико-механического, электронного и модуля, служащего для обработки данных. Базисную роль играет оптико-механический модуль, отвечающий за корректность выполнения функции формирования изображения для дальнейшей работы с ним других модулей. Оптико-механический модуль может состоять из одной или нескольких систем формирования изображения. В случае микроскопа с системой визуализации изображение объекта проецируется в окулярную плоскость и плоскость приемника. При этом, очевидно, должно быть обеспечено подобие изображения в канале системы визуализации изображению, наблюдаемому через окуляр. Это означает, что наблюдатель имеет возможность исследований одного и того же фрагмента исследуемого объекта в окуляры и системой визуализации в пределах одинакового линейного поля. Требование одинаковых масштабов, как правило, не предъявляется. Для световых микроскопов используется двухступенчатая система визуализации.

Первая ступень, оптическая проекционная, формирует изображение объекта на приемнике. В качестве приемника оптического изображения обычно используются ПЗС, КМОП и др. структуры. Задача состоит в выборе приемника, точнее, определении его оптимального размера и размера единичного пикселя («элементарной» структуры приемника). Необходимо выполнить основные требования, обеспечивающие корреляцию при наблюдении изображений в окуляры и с помощью системы визуализации.

Вторая ступень, электронная, состоит из приемника и монитора. Здесь тоже необходимо определиться с приемником, который является связующим звеном между обеими ступенями. Но основная задача - в выборе монитора. Ограничения, связанные с техническими параметрами мониторов и приемников, определяют необходимость согласованности и оптимальности в корреляции всех параметров системы. При всем многообразии различных сочетаний размеров мониторов и приемников характеристики и потребительские свойства световых микроскопов с системой визуализации могут очень существенно различаться. Именно поэтому качество изображения одного и того же объекта при наблюдении в окуляры может быть удовлетворительным, а с помощью системы визуализации - нет.

Ограничения для систем визуализации световых микроскопов

Имеются условия и ограничения, определяющие подходы к разработке световых микроскопов с системами визуализации. Многие виды исследований, привычные для наблюдения через окуляры, не могут быть реализованы при наблюдении с помощью системы визуализации. Это касается исследований специфических объектов, таких как фазовые, анизотропные, флуоресцент-ные. Характерные особенности приемников изображения и мониторов, например ячеистая структура и другие, являются серьезными ограничителями и обусловливают невозможность полноценной замены «окулярного зрения» электронными системами визуализации. Рассмотрим этот вопрос более подробно на примере обычного ПЗС, часто используемого в качестве при-емника оптического излучения.

Эти и другие факторы являются источником и обусловливают возникновение т. н. шумов. Другой ограничительной особенностью ПЗС являются его спектральные характеристики, обусловленные квантовым выходом, - количеством фотоэлектронов на один фотон падающего излучения. Спектральная характеристика определяется мультипликативно двумя факторами - прохождением света через электродную структуру и фотогенерацией, вызванной поглощением света непосредственно в полупроводнике (внутренний квантовый выход). При исследовании на обычном световом микроскопе через окуляры наблюдатель работает в спектральном диапазоне 400-700 нм, при этом спектральная чувствительность глаза различна для разных длин волн.

Система визуализации на основе цифрового приемника не может полноценно заменить глаз наблюдателя при работе в синей и фиолетовой областях спектра (поликристаллический кремний, из которого сделаны электроды, практически непрозрачен в области длин волн до 450 нм). Вместе с тем она существенно более информативна для ближней красной области спектра, поскольку область ее чувствительности простирается почти до 1000 нм. Это обстоятельство обусловливает невозможность полной корреляции результатов исследований при наблюдении через окуляры и с помощью системы визуализации.

Таким образом, сама по себе система визуализации светового микроскопа не может в полной мере обеспечить функциональные возможности традиционного наблюдения через окуляр и может служить лишь удобным инструментом по обслуживанию формальных примитивных задач. Поэтому при решении большинства задач по практическому микроскопированию оптимальным представляется использование светового микроскопа с наблюдением через окуляры, дополненного системой визуализации. Возможно использование системы микроскопа типа МикроСкринер.

МикроСкринеры

МикроСкринеры - новейший продукт цифровой микроскопии, высокотехническое изделие, объединяющее классную оптическую систему микроскопа, современную электронную технику и сложную компьютерную технологию обработки изображения. Как результат – автономный прибор для наблюдения, исследования в реальном времени и документирования изображений с высокой степенью достоверности.

Это обеспечивается наличием наряду с цифровыми средствами визуализации традиционных оптических устройств, помогающих адекватно интерпретировать информацию о полученных изображениях. Инновационная концепция, предложенная несколько лет назад российскими учеными, уже принята на вооружение и полностью гармонирует с современной концепцией качества изображения на микроскопе и принципами теоретически обоснованного инженерного решения по построению системы визуализации микроизображений.

Наличие традиционного визуального канала наблюдения отвечает потребностям исследователей, поскольку позволяет избежать формализации исследований, сделать процесс работы с микроскопом творческим и достоверным, когда, как говорится, доверяй «цифре», но проверяй. Кроме того, традиционный визуальный канал обеспечивает некоторые методики исследований (контрастирования) на микроскопе, не доступные «цифре».

В качестве же электронных систем визуализации изображений используются специально разработанные сложные адаптеры, сопрягающие оптику микроскопа с высокоразрешающим приемником и специальным монитором. Все это сбалансировано и качественно, потому что является единым конструкторским решением, выполненным квалифицированными разработчиками.