Микроскопы Labor-Microscopes
Разработка и производство микроскопов
онлайн заказ   подобрать микроскоп
 (812) 933-25-78
labomed@list.ru
Немного о нас

Концепция микроскопа для работы под водой

Сегодня мы хотели бы рассказать об одной из наших исследовательских работ, которая пока не связана с конкретными этапами проектирования и изготовления. Речь идёт о концепции создания необычного микроскопа, который предназначен для работы под водой. В 2012 году инженерами нашего проекта Labor-Microscopes была предложена пионерская идея создания такого прибора. Тогда, на одной из конференций мы «озвучили» эту идею, с тех пор «наблюдаем», кто и как её развивает и наполняет практическим содержанием. Однако, до настоящего времени в рамках предложенной концепции зарубежные и отечественные компании не предложили никаких конкретных разработок и приборов. То есть, идею «подхватили» сразу несколько научных и исследовательских организаций, в частности в Америке и Канаде (тамошним учёным и инженерам были выделены бюджетные деньги на разработку и построение подводного микроскопа, о чём появились сообщения в открытой печати). Первые публикации «на тему» появились в 2015-2016 годах; авторы отчитывались о своём первом опыте построения подводного микроскопа и «рассуждали» о перспективах таких систем.

Соответствующие статьи стали достоянием общественности:

Jules S. Jaffe «Underwater Optical Imaging: The Past, the Present, and the Prospects» IEEE Journal of Oceanic Engineering ( Volume: 40 , Issue: 3 , July 2015 ) Page(s): 683 – 700 ISSN Information: INSPEC Accession Number: 15289484 DOI: 10.1109/JOE.2014.2350751 (PDF, ~ 2200Kb)

Mullen, A. D. et al. «Underwater microscopy for in situ studies of benthic ecosystems.» Nat. Commun. 7:12093 doi: 10.1038/ncomms12093 (2016). (PDF, ~ 1650Kb)

Однако нам кажется, что результаты указанных исследований и разработок недостаточно полно охватывают «суть вопроса», а предлагаемые приборы нельзя характеризовать как полноценные подводные микроскопы. И вот почему. В микроскопии самым главным параметром оптической системы микроскопа является его разрешающая способность. Именно этот параметр определяет «мощность» микроскопа, эффективность его работы. Известно, что значения разрешающей способности в микроскопии выражаются в микрометрах или даже долях микрометра. Так, в нашем концептуальном предложении 2012 года мы предлагали идею создания подводного микроскопа, разрешающая способность которого составляет 1 микрометр, с последующим «развитием» до 0.3 - 0.5 мкм. В «двух словах»:

Концепция разработки микроскопа для проведения исследований в водной среде предлагается в условиях, когда требуется изучение живых и неживых, статических или движущихся микроскопических объектов в среде их естественного расположения. Задачей микроскопа должна быть работа в условиях погружения в воду. Подводный микроскоп использует методы и технологии, аналогичные обычным, основанным на теории дифракции. Достижимое разрешение до 0,3-0,5 микрометра. Оптическая система подводного микроскопа должна позволять изучать микроскопические объекты в толще воды (на разных глубинах). В случае подводного микроскопа единственным способом получения изображений является использование цифрового приемника. Оптическая и механическая конструкция объектива для подводного микроскопа должна быть адаптирована к условиям погружения в толщу воды, в том числе на значительную глубину.

К сожалению, предложенные технические решения, описания которых можно найти в доступных источниках – не соответствуют предложенной нами концепции, в частности, такой параметр как разрешающая способность далёк от требуемых значений, а «микроскопом» предлагается управлять водолазу в «ручном режиме». Это, конечно, никуда не годится. Объяснений здесь может быть только два – либо «серьёзные» такие работы зарубежные коллеги «немного засекретили», либо просто «время не пришло». В любом случае, мы «потихонечку» тоже «кое-что разрабатываем» в этой тематике. Нам никто не давал государственного финансирования по разработке такого вида техники, и даже не предлагал. Однако мы в инициативном порядке ведём некоторые работы по созданию современного оптико-информационного комплекса для подводных МИКРОСКОПИЧЕСКИХ исследований. Как продолжение темы:

Для исследования микроскопических объектов в водной среде можно использовать принцип построения оптического изображения как в стандартном световом микроскопе, когда обеспечивается построение конгруэнтного изображения объекта. В обычной микроскопии объектив и окуляр используются в качестве проекционной системы и в качестве системы наблюдения совместно с глазом человека. Однако в случае построения микроскопа для подводных исследований использование объективов и окуляров микроскопов, комплектующих стандартный световой микроскоп в большинстве случаев микроскопических исследований - невозможно. Действительно, если на глубине 5-10 метров под водой человек ещё может находиться в относительно комфортных для себя условиях, без специального водолазного оборудования, то ниже - нет. Использование специального водолазного оборудование делает практически невозможным визуализацию изображения после микроскопа с помощью глаза исследователя (даже если бы стандартный микроскоп мог позволять получать такое изображение).

Есть смысл некоторого разделения на «разновидности» и классификации для подводных микроскопов. Одной из разновидностей подводного микроскопа может стать микроскоп, предназначенный для работы на глубинах 5-10 метров. В этом случае микроскоп может обеспечивать исследования, как с участием человека (водолаза), так и автономно. Другой разновидностью (более интересной и востребованной для научных исследований) может стать микроскоп, позволяющий проводить исследования на значительных глубинах, от 100-200 метров и ниже, включая исследования на глубине несколько километров от поверхности воды.

Существуют принципиальные отличия в способах исследования образцов под микроскопом при его работе «в воздухе» (когда он установлен на лабораторном столе в помещении, где обеспечены некоторые параметры температуры, влажности, атмосферного давления и другие) и в воде, особенно когда микроскоп погружён в толщу воды на значительную глубину. В этих условиях основными факторами, определяющими принцип проектирования микроскопа, являются водная среда, параметры давления воды на глубине, спектральных характеристики световых волн, рассеяния и переменной плотности воды. Оптическая система подводного микроскопа должна позволять изучать микроскопические объекты в толще воды (на разных глубинах). В случае подводного микроскопа единственным способом регистрации изображений, полученных после проекционной системы (объектив) является использование цифрового приемника. При этом, необходимо учитывать параметры используемого приёмника, такие, например, как спектральная чувствительность, размер единичного пиксела, передача контраста и другие. Конечно, параметры цифрового приёмника существенно отличаются от параметров человеческого глаза (при стандартном микроскопировании).

В конце июня на европейской конференции по биомедицинской оптике мы делали доклад о некоторых промежуточных результатах нашей работы по детализации требований к микроскопу в целом, критериях и подходах к проектированию его отдельных узлов и принадлежностей; также «порассуждали» о технологических аспектах изготовления оптических, механических деталей, особенностях сборочных и юстировочных операций.

Concept and optical design of the underwater microscope. Dmitry N. Frolov, PhD; Olga A. Vinogradova, PhD; Alexey D. Frolov, Alexey G. Tabachkov, PhD Project Labor-Microscopes, St.-Petersburg, Russia (PDF, ~ 460Kb)

Реально сегодня мы имеем общее представление об устройстве требуемого подводного микроскопа. Главные узлы, такие как оптика для «мелководного» и «глубоководного» микроскопического анализа (в основном, объективы и осветительные системы) нами разработаны. В качестве примера приведём оптико-механический дизайн объектива, способного работать на глубине более 100 метров. Его отличительные особенности – не склеенные линзы, толстые оправы, массивный корпус. Предложенная нами инновационная технология крепления линз в оправы – с помощью 3D принтера в сочетании с указанными особенностями оптико-механического дизайна позволяют считать, что такая «оптика» выдержит нагрузки не только связанные с давлением толщи воды, но и с перепадами температур, характерными для больших глубин.

Расчётная числовая апертура этого объектива составляет NA=1.1 в водной среде, что обеспечивает достижение разрешающей способности на микроскопе порядка 0.25 – 0.30 микрометров.

В общем виде проведено «эскизное макетирование» и выполнен дизайн-проект такого подводного оптико- информационного устройства, которое можно назвать подводным микроскопом.

Приведённые выше рассуждения, возможно, являются первой попыткой наполнить содержанием сформулированную ранее концепцию микроскопа, предназначенного для прижизненных подводных исследований различных микроскопических объектов, когда требуется достижение значений разрешающей способности менее 1 микрометра. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования показали принципиальную возможность создания такого микроскопа. Основным его компонентом является проекционная система в виде объектива, числовая апертура которого составляет значение не менее 0.5-0.55; оптический дизайн такого объектива должен учитывать дисперсионные свойства воды, а его аберрационная коррекция должна соответствовать принятым в микроскопии критериям качества изображения. В концепции системы визуализации, пожалуй, единственно приемлемым решением является использование цифрового приёмника изображения, однако, оптика должна позволять работать с относительно широкоформатными приёмниками. Система освещения, применяемая в классической микроскопии, может быть существенно изменена и упрощена без очевидной потери качественных параметров, таких как числовая апертура и контраст освещения. При механическом дизайне представляется целесообразным применение оригинального метода, обеспечивающего надёжное крепление линз в оправы.

Если удастся выполнить все перечисленные условия и новации, можно получить реальные микроскопы, представляющие собой некоторые оптико-информационные системы, гармонично сочетающие в себе некоторые компоненты, оборудование, программное обеспечение, элементы системотехники, искусственного интеллекта и другие. Такие оптико-информационные системы могут обеспечить возможность для исследования микроскопических объектов живой и неживой природы, которые не могут быть извлечены из среды их естественного обитания, а именно, в толще воды на различных глубинах.

Однако, «не всё так однозначно и просто». После получения изображения на цифровом приёмнике, хорошо бы не только обеспечить сохранение информации на локальном носителе – но получать изображения в режиме реального времени «на земле», при необходимости внося оперативные корректировки в процесс микроскопирования. К сожалению, передача изображений по каналам WIFI и Блютуз невозможна под водой. Кроме того, необходима разработка специализированного ПО как для управления приёмником оптического изображения, так и обработкой изображений, включая «прямые или косвенные» физические методы контрастирования, интегрирования и дифференцирования изображений по фрагментам, реконструкции и других операций с изображениями.

Не говоря о том, что нужно разработать «системотехнику» управления таким подводным оптико-информационным устройством, задание его местоположения, обеспечение фокусирования на исследуемый объект и многое другое. Это отдельные очень важные задачи.

В нашем проекте нет специалистов требуемой квалификации для выполнения этих указанных и некоторых других видов проектировочных и внедренческих работ. Поэтому мы решили обратиться к посетителям нашего сайта, нашим клиентам и «просто интересующимся людям» - если есть какие-то «идеи по этой теме», поделитесь, дело хорошее, интересное. Как говорится, «идеи ваши, бензин наш». Ну а если серьёзно, требуется помощь профессионалов. Мы пока «не заявлялись» с таким проектом, но можно было бы хороший бизнес-план составить, финансирование получить, выполнить добротную и качественную разработку, построить образец. Чтобы наши зарубежные коллеги очередной раз порадовались нашим успехам, а отечественному «народному хозяйству» – польза прибыла.