Вдосконалення методів та засобів телевізійної сканувальної оптичної мікроскопії динамічних мікрооб’єктів (стр. 2 )

3. розроблено кадрові методи сканування з використанням зміни розмірів сканувального растра, регулюванням роздільної здатності сканувального растра та зупинкою формування сканувального растра після виявлення МО, які забезпечують значне розширення (більше 1000 разів) діапазону визначення швидкості руху МО зі збереженням заданої точності вимірювання;

4. розроблено методи сканування МО, які дозволяють проводити експрес-аналіз та дослідження окремих фрагментів МО у збільшеному масштабі без втрати роздільної здатності у кадровому режимі вимірювання, а також забезпечують спостереження рухомого МО в центральній частині екрана монітора;

5. розроблено варіанти структурних схем ТСОМ, які забезпечують можливість визначення параметрів динамічних МО: швидкості руху, прискорення руху, швидкості зміни розмірів тощо.

Практична цінність отриманих результатів підтверджена 4 актами впровадження та використання.

Результати дисертаційної роботи реалізовані та впроваджені в:

– Національному університеті «Львівська політехніка» при дослідженнях в рамках НДР: ДБ/МІКРОДИН “Скануюча телевізійно-оптична мікроскопія динамічних мікрооб’єктів”, ДБ/ФЛЮОР «Сканувальна телевізійно-оптична ультрафіолетова мікроскопія для дослідження біологічних мікрооб’єктів» та ДБ/МІКРОСКОПІЯ «Сканувальна телевізійно-оптична мікроскопія для кріобіології та кріомедицини» (впроваджені методи сканування та відповідні схеми ТСОМ для визначення швидкості руху різних динамічних МО у широкому діапазоні значень), а також в навчальному процесі підготовки фахівців для базового напрямку 0907 «Радіотехніка», дисципліни «Основи телебачення» і «Телевізійні системи та комплекси»;

– Науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті електронної вимірювальної та обчислювальної техніки НДКІ ЕЛВІТ (м. Львів) в рамках НДР ДБ/ДІАМОН «Вдосконалення та підвищення інформативності систем багатоспектрального моніторингу та діагностики складних об’єктів» (впроваджені принципи автоматичного супроводу рухомого об’єкта, які забезпечують його постійне перебування в полі зору системи багатоспектрального моніторингу та оцінювання похибки вимірювання швидкості руху об’єкта системою багатоспектрального моніторингу);

– Фізико-механічному інституті імені НАНУ (м. Львів) (результати дисертаційної роботи використані для вибору оптимальних параметрів оптичних систем формування мікрозображень спеклів поверхонь зразків металевих і композитних матеріалів у макетних зразках цифрових і оптико-цифрових кореляторів спекл-зображень).

Усі результати реалізації підтверджені відповідними актами про впровадження та використання.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно виконано основну частину теоретичних і експериментальних досліджень та комп'ютерного моделювання режимів сканування для визначення параметрів руху динамічних МО, а також запропоновано варіанти структурних схем і способів реалізації системи вимірювання на базі ТСОМ.

Зокрема, у публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачу належить: розробка методів і побудова алгоритмів функціонування ТСОМ, що забезпечують виявлення та утримання динамічного МО в полі зору мікроскопа [14]; графічні методи відображення результатів аналізу динаміки МО у телевізійній сканувальній оптичній мікроскопії з використанням засобів комп’ютерної підтримки [16]; аналіз математичної моделі рядкового однотактного методу сканування ТСОМ з точки зору точності визначення швидкості руху МО та її максимального значення для випадків неперервного та дискретного сканування [2]; побудова математичної моделі для дослідження рядкового двотактного методу сканування ТСОМ з точки зору точності визначення швидкості руху МО та її максимального значення для випадків неперервного та дискретного сканування [3, 18]; побудова математичної моделі для аналізу можливостей та обмежень кадрового методу визначення динамічних параметрів МО, оцінка основних похибок, що є характерними для цього методу, розробка методів і побудова алгоритмів розширення діапазону визначення динамічних параметрів МО кадровим методом [4, 6, 19]; аналіз можливостей різних варіантів структурних схем системи вимірювання на базі ТСОМ для визначення динамічних параметрів різних МО кадровим методом [5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 21, 22, 23, 24]. Окрім того, автором здійснено 5 одноосібних публікацій [1, 7, 15, 17, 20].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були представлені та обговорені на 8 міжнародних науково-технічних конференціях: VIII Міжнародна науково-технічна конференція «Experience of Designating and Application of CAD Systems in Microelectronics CADSM’2005» (Львів − Поляна, 2005); II Міжнародна науково-технічна конференція «Advanced Computer Systems and Networks: Design and Application ACSN'2005» (Львів, 2005); VIII Міжнародна науково-технічна конференція «Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science TCSET’2006» (Львів – Славсько, 2006); II Международная молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006» (Севастополь, 2006); III Международная молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2007» (Севастополь, 2007); IX Міжнародна науково-технічна конференція «Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science TCSET’2008» (Львів –Славсько, 2008); X Міжнародна науково-технічна конференція «Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science TCSET’2010» (Львів – Славсько, 2010); ХХХ Міжнародна науково-технічна конференція «Електроніка та нанотехнології» (Київ, 2010).

Публікації. Основні положення та результати дисертаційної роботи опубліковані в 24 наукових працях, а саме: 7 статей у фахових виданнях, включених до списку ВАК України (з них 2 написано одноосібно), 6 патентів України на корисну модель, а також 11 праць у матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із переліку умовних позначень, вступу, п’яти розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 200 сторінок. Робота містить 78 рисунків (з них 10 на 10 окремих сторінках) та 1 таблицю, а також включає 3 додатки на 21 сторінці та список літератури із 179 найменувань на 18 сторінках. Основний текст займає 161 сторінку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність завдання, що вирішується у дисертації та необхідність проведення досліджень. Сформульовано мету, напрямки досліджень, наукову новизну отриманих результатів та їх практичну цінність, що підтверджено актами впровадження. Подані відомості про публікації та апробацію роботи.

У першому розділі проведено огляд та аналіз літературних джерел, що дало можливість створити класифікацію мікроскопів, придатних для дослідження динамічних МО. Проаналізовано основні переваги та недоліки ТСОМ у порівнянні з іншими типами мікроскопів при дослідженні динамічних МО. Встановлено, що телевізійну сканувальну оптичну мікроскопію на основі ЕПТ надвисокої роздільної здатності при дослідженні динамічних МО можна порівнювати, в першу чергу, зі звичайною оптичною мікроскопією, телевізійною камерною мікроскопією, а також лазерною сканувальною мікроскопією. В деяких випадках для цих досліджень використовують також сканувальну електронну мікроскопію.

Виявлено основні типи динамічних МО, параметри яких можна визначати за допомогою ТСОМ: 1) швидкість руху; 2) прискорення руху; 3) траєкторія та напрямок руху; 4) швидкість зміни розмірів; 5) параметри коливального руху.

У другому розділі оцінено вплив параметрів люмінофора сканувальної ЕПТ на точність мікроскопа при визначенні динамічних параметрів МО, а також розроблено математичні моделі і проаналізовано можливості рядкового однотактного та рядкового двотактного методів визначення параметрів динамічних МО з лінійною траєкторією руху за допомогою ТСОМ.

Для ряду значень відносної швидкості сканування розрахований розподіл яскравості в рухомій світній плямі (центральне січення в напрямку сканування), який наведено на рис. 1 (тривалість розгорання люмінофора ЕПТ у порівнянні з тривалістю післясвічення є набагато меншою, тому її впливом на точність визначення динамічних параметрів МО можна нехтувати). Як можна бачити з рисунку, зміни закону розподілу є порівняно незначними для .

Рис. 1. Розрахований, з урахуванням інерційності згасання люмінофора, розподіл яскравості в рухомій світній плямі для ряду значень відносної швидкості сканування

На основі аналізу отриманих розподілів встановлено, що для забезпечення визначення великої швидкості руху МО, наприклад, повноформатним растром розміром 60×60 мм із задовільною точністю потрібно використовувати люмінофор із тривалістю післясвічення не більшою за 30 нс. Таким вимогам може відповідати, наприклад, люмінофор типу алюмоітрієвого перовскіту легованого церієм (YAP-YAlO3:Ce).

Для аналізу процесу сканування рядковим однотактним та двотактним методами використана модель, у якій сканувальний елемент (СЕ) та МО мають форму круга (рис. 2). Така модель є зручною для аналізу багатьох типів МО у мікробіології та медицині (наприклад, елементів крові).

Сканування відбувається за допомогою СЕ діаметром , який рухається неперервно з постійною швидкістю чи дискретно з певним кроком (залежно від принципу формування окремих координатних положень СЕ телевізійним чи цифровим методами), вздовж рядка розміром L починаючи від його лівого краю. Діаметр не перевищує роздільної здатності використовуваної ЕПТ. Процес формування рядка сканування відбувається один раз для однотактного та два рази для двотактного методу сканування. МО із діаметром , що рівний , рухається зі швидкістю () у напрямку сканування. Кожне місцеположення СЕ формується імпульсним підсвічуванням сканувального променя, при цьому тривалість імпульсу підсвічування відповідає тривалості післясвічення люмінофора ЕПТ. Кількість імпульсів підсвічування в одному рядку N визначається розміром сканувального рядка розгортки L та мінімальним розміром сканувальної плями , з метою усунення втрат інформації про МО повинна виконуватись умова .