Вдосконалення методів та засобів телевізійної сканувальної оптичної мікроскопії динамічних мікрооб’єктів (стр. 3 )

Рис. 2. Графічне представлення моделі процесу сканування при роботі ТСОМ на просвічування

В основу визначення швидкості руху МО рядковим однотактним методом покладено часовий принцип, згідно з яким вимірюється тривалість імпульсу сигналу t, сформованого фотоелектронним помножувачем (ФЕП) при проходженні СЕ через МО (ТСОМ працює на відбиття сигналу від МО) (рис. 3). Тривалість t визначається існуванням перекриття СЕ та МО і залежить від співвідношення швидкості сканування та власної швидкості МО. В більшості випадків є набагато більшою за .

Рис. 3. Сигнал від МО на виході ФЕП

На рисунку: t - тривалість імпульсу ФЕП; TПРР – тривалість прямого ходу рядкової розгортки; - відлік часу, що відповідає повному перекриттю СЕ та МО; UMAX, UMIN – максимальне та мінімальне значення сигналу від ФЕП, відповідно.

При цьому, сигнал ФЕП, , визначається, виходячи із площі взаємного перекриття СЕ та МО , де а – розмірний коефіцієнт пропорційності.

Швидкість руху МО у напрямку сканування запишеться у вигляді:

. (1)

Дана формула показує, що отримувана швидкість руху МО визначається швидкістю сканування та особливостями самого МО – його розміром та напрямком руху. Проте, необхідно зазначити, що вона не враховує розмірів СЕ, тобто роздільної здатності системи вимірювання R, тому стосується тільки точкового СЕ.

Формула (1) з врахуванням кінцевих розмірів СЕ матиме вигляд:

. (2)

При зустрічному русі МО та СЕ швидкості та додаються і формула (2) набуде вигляду .

Оцінено основні похибки визначення швидкості цим методом та встановлено, що найбільший вплив на точність визначення швидкості в режимі телевізійного сканування має похибка вимірювання тривалості імпульсу ФЕП:

, (3)

де – еталонна тривалість імпульсу ФЕП;

- тривалість імпульсу ФЕП, яка залежить від рівня компарування сигналу .

В результаті чисельного аналізу залежності похибки e від рівня компарування сигналу приймача при різній відносній швидкості руху МО у середовищі MATLAB побудовані відповідні графічні залежності (рис. 4).

e

WО =

0 0,2 0,4 0,6 0,8

qк

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Рис. 4. Залежність похибки визначення швидкості руху МО від рівня компарування сигналу ФЕП та відносної швидкості руху МО

У випадку дискретного сканування відносна похибка вимірювання тривалості імпульсу ФЕП обумовлена як рівнем компарування , так і періодом слідування імпульсів підсвічування СЕ T (рис. 5):

. (4)

Отже, похибка визначення швидкості, обумовлена особливостями вимірювання тривалості імпульсу ФЕП, залежить від рівня компарування сигналу ФЕП, а у випадку дискретного сканування – додатково від тактової частоти процесу дискретизації, і не залежить від відносної швидкості руху МО. Обмеження на максимальну визначувану швидкість накладається тільки умовою .

T=0,1

T=0,05

T=0,01

T=0

ed

qк

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Рис. 5. Залежність похибки визначення швидкості руху МО від рівня компарування сигналу ФЕП та періоду слідування імпульсів підсвічування СЕ

Рядковий двотактний метод визначення параметрів динамічних МО ТСОМ відрізняється від однотактного тим, що формування рядка сканування МО відбувається двічі і отримані при цьому два сигнали від ФЕП, що виникають при повному чи частковому суміщенні СЕ та МО, використовують з метою визначення розташування МО в рядку при першому та другому скануванні (рис. 6).

Двотактний метод сканування у мікроскопі, як і однотактний, придатний для дослідження тільки тих МО, траєкторія руху яких в межах поля зору мікроскопа відповідає прямолінійному руху. Такі МО нерідко зустрічаються у мікробіологічних та медичних дослідженнях (наприклад, еритроцити, які рухаються по капілярах, що при великому збільшенні мають вигляд прямолінійних ділянок), а також, при дослідженнях процесів руху частинок чи живих об’єктів в різних середовищах під дією напрямлених сил різного походження. До таких МО слід також віднести дрібні елементи деяких мікроелектричних та мікроелектрооптичних механізмів (наприклад, мікродзеркал).

Рис. 6. Рядковий двотактний метод визначення параметрів динамічних МО

Досліджувані типи МО часто можуть мати нерівномірно розподілену прозорість, довільну форму чи змінну швидкість руху. При цьому точність вимірювання тривалості імпульсів від ФЕП і, як наслідок, точність визначення швидкості руху таких МО рядковим однотактним методом зменшуватиметься. На двотактний метод не накладається обмеження у вигляді потреби точного вимірювання тривалості імпульсів від ФЕП, оскільки вимірюванню підлягає часовий проміжок між двома імпульсами відеосигналу, що формуються у результаті дворазового сканування МО. Це дозволяє задавати високий рівень сигналу спрацьовування схеми вимірювання з метою уникнення впливу шумів та неоднозначностей, оскільки в цьому випадку немає необхідності у точному визначенні початку та кінця кожного імпульсу.

Вираз для обчислення швидкості двотактним методом у випадку однакового напрямку руху МО та СЕ має вигляд:

. (5)

При зустрічному русі МО та СЕ формула для визначення швидкості руху МО має дещо інший вигляд: .

Встановлено, що найбільший вплив на точність визначення параметрів динамічних МО двотактним методом сканування має стабільність формування рядка сканування (зміщення, зменшення та збільшення). Зміщення рядка при першому скануванні відносно рядка при другому скануванні, що не перевищує 1%, спричиняє максимальну відносну похибку визначення швидкості руху МО до 21%. При зменшенні чи збільшенні розміру рядка сканування при першому та другому скануванні до %, відносна похибка визначення швидкості руху МО не перевищує значення 3%.

У третьому розділі розроблено математичну модель та проаналізовано можливості кадрового методу визначення параметрів динамічних МО, що можуть мати довільну траєкторію руху, за допомогою ТСОМ.