Разработка объективных методов контроля качества изображения в микроскопе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Волкова, Мария Анатольевна

• Волкова, Мария Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волкова, Мария Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Методы контроля качества изображения в микроскопе

1.1 Критерии качества изображения

1.2 Цеховые приборы контроля

1.3 Метод изофотометрии

1.4 Роль источников света в установках для контроля качества изображения

ВЫВОДЫ

Глава 2. Использование светодиодов в осветительных устройствах оптических приборов

2.1 Сравнительный анализ характеристик светодиодов и традиционных источников света

2.2 Особенности использования светодиодов в осветительных устройствах микроскопов

2.3 Оптические схемы осветительных устройств со светодиодом для микроскопов

ВЫВОДЫ

Глава 3. Разработка объективных методов контроля качества изображения в микроскопе по цифровому изображению тест объекта

3.1 Сравнение методов оценки качества изображения по ФРТ и ФРЛ

3.2 Метод пограничной кривой

3.3 Контроль качества изображения в микроскопе

3.4 Анализ качества изображения по пограничной кривой

3.5 Состав прибора для контроля качества изображения

3.6 Выбор линейного увеличения адаптера телеканала микроскопа

3.7 Методика оценки влияния на качество изображения в видеотракте компонентов ПК

3.8 Обоснование выбора цифрового фотоаппарата и организация съемки ВЫВОДЫ

Глава 4. Результаты практического использования предложенных методов

4.1 Цеховая оценка качества изображения в микроскопе

4.2 Виды тест - объектов

4.3 Отображение результатов измерений

4.4 Контроль бинокуляра по методу пограничной кривой

4.5 Светодиодные осветители

4.6 Светодиодный осветитель для калибровки спектров исследуемых объектов

4.7 Управление спектром излучения ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка объективных методов контроля качества изображения в микроскопе»

Современные методы микроскопии все чаще используют как основной не только канал для визуального наблюдения, но также канал с цифровой регистрацией изображения с помощью видеокамеры. Использование вычислительной техники позволяет создавать системы автоматического или полуавтоматического анализа изображения, при этом работа может вестись в цифровом формате. Широкое развитие цифровые системы получили как в прикладных, так и исследовательских задачах медицины, биологии, материаловедения и др. [1].

Использование в микроскопии энергосберегающих источников света -свето диодов [2], пришедших на смену ламп накаливания, требует обоснования также и с оптической точки зрения. Светодиоды имеют спектральную характеристику, отличную от стандартных источников типа А, В, С и Д [3] и, следовательно, если микроскоп будет использован для измерительных целей, например, фотометрирования цветного изображения, то должны создаваться либо новые методики измерений, либо спектр светодиода должен быть трансформирован под указанные типы источников. Эти задачи требуют количественной оценки в результате анализа цифрового изображения объекта при высокой достоверности получаемого результата.

Цифровое изображение дискретно, что определяет необходимость обращать особое внимание на возможные проявления ложных структур в изображении (в том числе в его цветовой компоненте) от муара до удвоения пространственной частоты, и это в свою очередь усложняет проявление ложных структур в зависимости от длины волны [4].

Оценить качество изображения объекта можно, например, на основе корреляционного или статистического анализа или используя критерии качества изображения характеризующие его отклонение от идеального, такие как число Штреля. Известно [5], что при значении числа Штреля, равном 0,8, изображение максимально близко к идеальному и его отклонения от идеального описываются дифракционными эффектами, которые могут быть выражены через функцию рассеяния точки (ФРТ), функцию рассеяния линии (ФРЛ), разрешающую способность, функцию размытия края, отклонения графика хода передаточной функции - частотно-контрастной характеристики (ПФ-ЧКХ) от идеального. Если телекамера цветная, необходимо осуществлять контроль правильности цветопередачи. Цветопередача требует учета действия не только оптической системы и телекамеры, но и дисплея, а также принтера или фото-принтера. При этом требуется решать задачу адекватности изображения в указанных каналах.

Оценка качества изображения системы может быть осуществлена по простейшим тест - объектам, шпальной мире (мире Фуко) или радиальной мире, а также по естественным тест - объектам (например, для медицины и микробиологии диатомовая водоросль, является периодической структурой). Оценка качества цветопередачи может осуществляться также по цветным тест-объектам, используемым в цветном телевидении или полиграфии [3,6].

Современный уровень микроскопии по степени разрешения достиг дифракционного предела. Например, для микрообъективов, для которых значение числа Штреля равно 0,8, предполагается отсутствие необходимости дальнейшей коррекции их аберраций, тем не менее, все чаще появляются комплекты микрообъективов со значением числа Штреля более чем 0,9 для всех точек поля [7]. Одной из тенденций коррекции хроматических аберраций оптической схеме микроскопа является независимая коррекция хроматизма увеличения объектива и окуляра (ХРУ=0). Значение волновой аберрации для всех точек поля микрообъектива план-апохромата не превышает 0,05 А. Следует отметить, что точность вычисления волновой аберрации при вычислении ЧКХ и ФРТ не превышает также указанного значения. Такая высокая степень коррекции аберраций естественно требует высокоточных методов контроля качества изображения, даваемых отдельными узлами микроскопа или всего микроскопа.

На практике все обстоит гораздо проще, превалируют визуальные методы контроля качества изображения, такие как контроль качества изображения микрообъектива с использованием транспаранта, носящий условное название "звездное небо". Этот метод, с одной стороны, носит субъективный характер, а с другой стороны, требует высокой квалификации оператора. Используется также метод контроля качества изображения по дифракционным изображениям точки, при котором реальное изображение точки сравнивается с изображениями точки оптической системы обладающей, например, сферической аберрацией или комой, децентрировкой или каким-либо иным дефектом. Метод также субъективный и не носит количественного характера. Наибольшее развитие количественные методы оценки качества изображения получили в фотографических системах и астрономических приборах. Для них развиты методы измерения ЧКХ, ФРТ, выпускаются промышленные установки для измерения указанных характеристик.

В настоящее время имеются достаточно быстродействующие с большим объемом памяти персональные компьютеры (ПК), позволяющие решать указанные задачи и тем самым исключить фактор субъективности в измерениях. Использование ПК позволяет достаточно просто выполнять операцию преобразования Фурье и операцию свертки. Следует отметить, что ЧКХ есть модуль оптической передаточной функции (ОПФ) системы, который в свою очередь определяется Фурье - образом ФРТ оптической системы. Эта последовательность операций приводит к тому, что ОПФ определяется нормированной автокорреляционной функцией зрачка исследуемой оптической системы, что в конечном итоге определяет операцию свертки, которая вычисляется с использованием преобразований Фурье сворачиваемой функции. Другой способ определения ЧКХ связан с методом профессора М.М. Русинова [8], основанным на манипуляции пограничной кривой. Этот метод более прост, так как требует работы с изображением края полуплоскости, позволяющим получать изображение шпальной миры искусственным образом. Наличие этих и других способов оценки качества изображения создает предпосылки осуществления количественных методов оценки, качества изображения микрооптики и создания промышленных установок для реализации этой оценки.

Исходя из изложенного, целью настоящей работы является -исследование и разработка объективных методов количественной оценки качества изображения в микроскопе и создание комплекса автоматизированного рабочего места (АРМ) для реализации этих методов в микроскопии.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и приложений.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Волкова, Мария Анатольевна

ВЫВОДЫ

- реализация как цеховой, так и лабораторной методики контроля проста, требует в качестве тест-объекта, объект-микрометра отраженного света и компьютезированного цифрового канала.

- методика может быть использована для контроля параллельности осей бинокуляра и перпендикулярности предметного стола оптической оси микроскопа.

- показана простота реализации светодиодного освещения в микроскопе и возможность создания светодиодных осветителей с управляемым спектральным составом освещающего пучка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обоснована и экспериментально доказана возможность использования метода комплексной оценки качества изображения в микроскопе, в том числе с экрана монитора по изображению края полуплоскости.

2. Исследованы особенности использования светодиодов в качестве источника света в осветительном устройстве микроскопа, указаны недостатки их использования и предложены методы их устранения.

3. Разработаны новые методики оценки качества изображения в микроскопе для использования в лабораторных и цеховых условиях.

4. Разработаны и реализованы принципы построения стенда для контроля качества изображения в микроскопе по типу автоматизированного рабочего места (АРМ).

5. Методики прошли практическую проверку при исследовании качества изображения в микровизорах проходящего и отраженного света, комплекта микрообъективов металлографического микроскопа «МЕТАМ ЛВ», качества изображения в микроспектрофотометре для диапазона длин волн от 365 [нм] до 960 [нм].

6. Результаты исследований по использованию светодиодов в микроскопии легли в основу серийного осветителя «ОИ-32СД» и широкого использования светодиодов с 2009г. в серийных моделях микроскопов ОАО «ЛОМО» и вновь разрабатываемых - микротвердомер «ПМТ-7» и исследовательский биологический микроскоп «БИОЛАМ - И1».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Волкова, Мария Анатольевна, 2010 год

1. Компьютеры в оптических исследованиях / под редакцией Б. Фридена.- М.: Мир, 1983.-485 с.

2. Коган JI.M. Светодиоды нового поколения для светосигнальных и осветительных приборов. — М., Выпуск 7-8 (34-35)2001. — 35с.

3. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники. 4.2.- М.: Энергоиздат, 1989. 431с.

4. Игнатьев Н.К. Дискретизация и ее приложения. М.: Связь, 1980.- 263 с.

5. Вычислительная оптика. Справочник. JL: Машиностроение, 1984.- 423 с.

6. Кузнецов Ю.В. Новый способ растрирования // Курсив. 2005. №3. http://www.kursiv.ru.

7. Панов В. А., Андреев JT.H. Оптика микроскопов. Л. : Машиностроение, 1976. - 430 с.

8. Русинов М.М. Техническая оптика. -M.-JL: Машгиз, 1961. 328 с.

9. Михель К. Основы теории микроскопа / Под ред. Г.Г. Слюсарева. -М.: Гостехиздат, 1955. 276 с.

10. Мандельштам Л.И. Полное собрание трудов. АН СССР, 1948. Т.1. -465 с.

11. Нужин B.C., Нужин A.B., Солк C.B. Измерение функций передачи модуляции объективов с помощью матричных ПЗС-фотоприемников // Оптический журнал. 2008. Т.75. №2. - С.55-57.

12. Imatest LLC. Сайт www.imatest.com.

13. Проектирование оптических систем / Под редакцией Р.Шеннона, Дж.Вайанта. М.: Мир, 1983. - 430 с.

14. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978. - 397 с.

15. Гудмен Дж. Статистическая оптика. М.: Мир, 1988. - 327 с.

16. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. — М.: Искусство, 1978. 543

17. Натаровский С.Н. Теория и методы проектирования растровых осветительных устройств для микроскопии и ряда приложений: дис. на соиск. учен. степ, д-ра техн. наук. СПбГУ ИТМО. 2006. 271 с.

18. Гехт Э. Свойства симметрии в картинах дифракции Фраунгофера // УФН. Т. 111. — Вып. 2. — С.355-364.

19. Кособурд Т.П., Степанов Н.С. Особенности дифракции при косом падении света на транспарант // Оптика и спектроскопия. 1936. Т. 66. -Вып. З.-С. 588-592.

20. Вознесенский Н.Б., Родионов С.А., Домненко В.М., Иванова Т.В. Математическая модель дифракции в оптических системах с высокими числовыми апертурами // Оптический журнал. 1997. Т. 64. №3. - С.48-52.

21. Горбунков М., Судаков В.П., Таценко Т.Ю. Расчет распределения энергии в дифракционном изображении точки оптической системой с большой апертурой// ОМП. 1979. №8. - С. 56-57

22. Mouraschkinsky Diffraktion pattern in a case of two close pointlightsourse // Phil. Mag. 1923. Vol. 46, № 29

23. Hopkins H.H. Wave Theory of Aberration. Oxford, 1950.

24. Hopkins H.H. On the concept of partial coherence in Optics // Proc. Roy. Soc. 1951. A208, 262.

25. Hopkins H.H. On the diffraction theory of optikal images // Proc. Roy. Soc. 1953. A217, 408.

26. ГОСТ 20825-75 Объективы съемочные. Метод измерения дисторсии.

27. ГОСТ 20826-75 Объективы съемочные. Метод измерения продольной сферической аберрации.

28. ГОСТ 20827-75 Объективы съемочные. Метод измерения хроматической аберрации положения.

29. ГОСТ 20829-90 Объективы съемочные. Метод измерения распределения освещенности по полю изображения.

30. ГОСТ 23698-79 Объективы съемочные. Метод измерения хроматической аберрации увеличения.

31. ГОСТ 23699-79 Объективы съемочные. Метод измерения кривизны изображения и астигматизма.

32. ГОСТ 23700-79 Объективы съемочные. Метод измерения поперечной аберрации

33. ГОСТ 24604-81 Объективы. Метод определения коэффициента пропускания

34. ГОСТ 13.1.703-91 Репрография. Микрография. Тест-объекты для контроля качества изображения в системах вывода информации из ЭВМ на микроформу.

35. Зверев В.А., Болдырев Н.И., Сокольский М.Н. Фотоэлектрический фотометр для измерения концентрации энергии в пятне рассеяния // ОМП. 1977. № 5. - С.27-29.

36. Зверев В.А., Кирилловский В. К., Сокольский M. Н. Исследование качества изображения оптических систем методом изофотометрической фоторегистрации // ОМП. 1976. №8. - С.14-17.

37. Кирилловский В.К. Применение телевидения при контроле и аттестации оптических.систем. Учебное пособие. Л. ЛИТМО. 1983. - С.56.

38. Кирилловский В. К., Крынин Л. И. Оценка качества изображения по функции рассеяния линии // ОМП. 1980. № 6. - С.1.

39. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. — Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1984.-231 с.

40. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1966. - 855 с.

41. Волкова М.А, Дубовиков А.Л, Златина C.B. Светодиоды в микроскопии // Вестник конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сборник научных трудов. 2004. Т.1. - С. 128-132.

42. Волкова М.А, Златина С.В, Коган JI.M, Натаровский С.Н, Немкова О.Н, Папченко Б.П, Селезнева Т.Ф, Скобелева Н.Б, Фролов Д.Н. Перспективы использования светодиодов в осветительных устройствах микроскопов // Оптический журнал. 2005. Т72. №2. - С.29-34.

43. Волкова М.А, Жукоцкий А.В., Калинина О.Д., Натаровский С.Н., Папченко Б.П., Якубова Н.И. Оптические схемы осветительных устройств со светодиодом для микроскопов // Оптический журнал. 2006. №5. - С.28-35.

44. Захаржевский О.А., Коваленко О.Ю., Савкина А.В. Богатырев С.Д. Разработка базы данных для светотехнических расчетов // Тезисы докладов V-ой международной светотехнической конференции «Свет и прогресс» — Санкт-Петербург, 2003. С.46-48.

45. Справочная книга по светотехнике. М.: Энергоатомиздат, 1983.

46. US Patent №4 852.985, 1989. Illuminating device for microscopes Olympus Optical Co., Ltd, Tokyo, Japan.

47. Чуриловский B.H. Теория оптических приборов. M.-JL: Машиностроение, 1966. - 564 с.

48. Волков В., Коган JI. Телевизионные системы с использованием светодиодных осветителей // Электронные компоненты. 2002. №2.

49. Кривовяз JT.M., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. М.-Машиностроение, 1974. - 333 с.

50. Скворцов Г.Е. и др. Микроскопы. Л.: Машиностроение, 1975. - С.639.

51. Лебедев О.А., Сабинин В.Е., Солк С.В. Полимерная оптика для светоизлучающих диодов // Светотехника. 2001. №5. - С. 18-19.

52. Шепурев Э.И. Оптические свойства стеклообразных органических полимеров // ОМП. 1986. №1. - С.51-55.

53. Сабинин В.Е., Солк C.B. Проблемы проектирования и изготовления оптики из полимерных материалов // Оптический журнал. 2002. Т.69 — №1. — С.61-64.

54. Слюсарев Г.Г. Расчеты оптических систем. Л.: Машиностроение, 1979.-639 с.

55. Русинов М.М. Несферические поверхности в оптике. Расчет, изготовление и контроль. 2-ое изд. М.: Недра, 1973. - 294 с.

56. Русинов М.М. Техническая оптика. — Л.: Машиностроение, 1979. -487 с.

57. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. 2-ое изд. Л.: Машиностроение, 1969. - 669 с.

58. Косяченко Л.А и др. Источник оптического излучения с управляемым спектром. ОМП. 1983. №12. - С. 19-20.

59. Конструирование и технология изготовления космических приборов под ред. С.Р.Табалдыева, М.: Наука, 1988. - 216 с.

60. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970.- 104 с.

61. Эпштейн М.И. Измерения оптического излучения в электронике. -М.¡Энергия, 1975. 247 с.

62. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем. М. ¡Искусство, 1960. - 526 с.

63. Егорова О.В., Штейн Г.И. Сравнение осветительных систем люминесцентных микроскопов на основе светодиодов (led) и ртутной лампы (нво) // Оптический журнал. 2011. №1. - С.78-81.

64. Волкова М.А, Литвинович A.A., Мельников К.И., Натаровский С.Н. Контроль качества изображения в микроскопе // Оптический журнал. 2009. -№10. С.23-28.

65. Папаян Г.В., Агроскин Л.С., Ларина P.M. Оценка качества объективов микроскопов на основе телевизионно-компьютерного анализа картин Эри //ОМП. 1995. № 6. - С.21-26.

66. Захарнев А.П, Иванов П.П, Муравьева Г.И. и др. Установка для измерения передаточных функций оптико-электронных приборов с цифровой обработкой данных // ОМП. 1978. № 5. - С.25-27.

67. Великотный М.А, Петрас C.B. Принципиальные аспекты измерения оптической передаточной функции с помощью дискретного самосканирующего фотоприемника // Оптический журнал. 1994. № 9. -С.50-53.

68. Герловин Б. Я. Методика измерения ширины щелевых тест-объектов для контроля микрооптики // ОМП. 1979. №7. - С.41-44.

69. Грязин Г.Н. К расчету частотных характеристик приборов с зарядовой связью // Известия вузов. Приборостроение. 2001. Т.44. № 3. -С.22-24.

70. Иванов A.M., Криворучко А.Б., Раздольская Н.В., Гаврилова О.В., Заславский Д.В. Использование микровизоров «JIOMO» в микробиологии // Оптический журнал. 2011. -№1. С.82-85.

71. Горелик Г.С. Колебания и волны. ГИТТЛ. М-Л, 1950. -551 с.

72. Гудмен Д.Ж. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970. -364 с.

73. ХеммингР.В. Численные методы. -М.: Наука, 1968. -400 с.

74. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика передачи и компьютерная обработка информации. М.: Радио и связь. 1991. - 192 с.

75. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М.: Мир, 1982. - 790 с.

76. Рождественский Д.С. Избранные труды. М.-Л., Наука, 1964. - 430 с.

77. Скобелева Н.Б., Сокольский М.Н., Левандовская Л.Е. Новый комплект линзовых объективов для люминесцентных микроскопов, работающих в диапазоне 250-1000 нм // Оптический журнал. 2011. №1. -С. 16-20.

78. Барченко-Емельянов В.И., Лобачева Е.В. Новые микроскопы «ЛОМО» // Оптический журнал. 2011. №1. - С.3-6.

79. Родионов С.А., Шехонин A.A. Влияние аберраций оптических осветительных систем на равномерность освещенности // ОМП. 1990. — №1. — С. 32-35.

80. ООО ЭВС телевизионные камеры и комплексные системы безопасности. Разработчик и производитель ТВ камер. Сайт www.evs.ru.

81. Калинина Т. Ф., Лопатин А. И., Струкова О.М. Модернизация микровизоров проходящего и отраженного света//Оптический журнал. 2011. №1. - С.22-25.

82. Волкова М.А. и др. Осветительное устройство. Патент РФ на полезную модель №6110, 2005г.

83. Волкова М.А. и др. Осветитель. Патент РФ на полезную модель №6111, 2005г.

84. Коган Л.М., Рассохин И.Т. Новые светодиодные осветители // 1-й международный семинар по применению светодиодов УФ диапазона в приборах и системах UV-2008. Тезисы докладов, Физико-Технический Институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 18-20 июня 2008. С.98-99.