Вдосконалення методів та засобів телевізійної сканувальної оптичної мікроскопії динамічних мікрооб’єктів (стр. 1 )

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

Матієшин Юрій Миколайович

УДК 621.397.3

ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ТЕЛЕВІЗІЙНОЇ СКАНУВАЛЬНОЇ ОПТИЧНОЇ МІКРОСКОПІЇ ДИНАМІЧНИХ МІКРООБ’ЄКТІВ

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів-2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

старший науковий співробітник

Шклярський Володимир Іванович,

доцент кафедри радіоелектронних пристроїв та систем Національного університету “Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ійович,

професор кафедри звукотехніки і реєстрації інформації Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Максименко Олександр Парфенович,

старший науковий співробітник Львівського фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України.

Захист відбудеться "21" жовтня 2011 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 у Національному університеті „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 2, ауд. 218.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, в.

Автореферат розісланий "20" вересня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, доцент А. П. Бондарєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Особливе значення у розвитку мікроскопії має застосування телебачення та комп’ютерних засобів. Телевізійні методи, дозволили отримати електричний сигнал, що відповідає зображенню об’єкта. Використання цього сигналу для відтворення зображення на електронному моніторі суттєво підвищує зручність дослідження параметрів об’єктів. Для дослідження об’єктів застосовуються два основних типи телевізійних оптичних мікроскопів – камерні та сканувальні.

Під телевізійним сканувальним оптичним мікроскопом (ТСОМ) розуміють мікроскоп, у якому крім оптичних елементів використовуються засоби і методи, що є характерними для телебачення. Перш за все, це стосується поелементного передавання інформації про мікрооб’єкт (МО) та поелементного відтворення його зображення. Інформація про елемент (піксел) зображення – це дані про інтенсивність свічення цього елемента та, часто, його колір. Принцип послідовного у часі передавання інформації про елементи зображення включає застосування сканування, яке здійснюється, відповідно, у площині оптичного зображення (камерні мікроскопи) або у площині МО (сканувальні мікроскопи).

Детальний теоретичний аналіз сканувальних систем різного призначення і технічної реалізації виконано у роботах . Особливості формування сигналів у фотоелектронних сканувальних системах містяться у працях . Питанню введення інформації в ПК присв’ячені роботи А. І. Петренка. Сканувальні вимірювальні прилади детально розглянуті у монографії, виданій під керівництвом . Автоматичній обробці фотографічних зображень із застосуванням ПК присвячені роботи . Сканувальні пристрої, побудовані на основі електронно-променевих трубок (ЕПТ) надвисокої роздільної здатності, розглянуті в монографії, що видана під редакцією .

За кордоном роботи у напрямку сканувальних систем проводились фірмою Cosmic technologies corporation (США) у період 2000 – 2007 рр., в результаті чого було створено зразок сканувального оптичного мікроскопа для роботи у видимому діапазоні спектра. Однією з найбільш відомих фірм по створенню камерних мікроскопів є фірма CARL ZEISS (Німеччина). Проте, недоліком відомих мікроскопів є неможливість вимірювання швидкості руху динамічних МО у широкому діапазоні значень (камерні мікроскопи дозволяють вимірювати швидкість руху в межах 0,1 мкм/с – 50 мкм/с, а прискорення в межах 0,005 мкм/с2 – 0,05 мкм/с2).

Виконана робота розширить функціональні можливості та підвищить ефективність застосування ТСОМ на базі ЕПТ надвисокої роздільної здатності для дослідження динамічних МО, параметри яких змінюються у широких межах (швидкість руху МО – від 0,004 мкм/с до 2 мм/с; прискорення МО – від 0,005 мкм/с2 до 5 мкм/с2; швидкість зміни розмірів МО – від 0,01 до 2 номінальних розмірів МО за час вимірювання). Це дозволить використовувати ТСОМ у біології, медицині, органічній хімії, криміналістиці та інших галузях, де важливим є визначення параметрів динамічних МО.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Завдання, які вирішені у даній дисертаційній роботі, є складовою частиною наукових проектів, які здійснюються на кафедрі радіоелектронних пристроїв та систем і в науково-дослідному відділі радіотехнічних систем Національного університету “Львівська політехніка”.

Дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, проводилися згідно з планом науково-дослідних робіт Національного університету “Львівська політехніка” в рамках держбюджетних та госпдоговірних робіт: ДБ/МІКРОДИН “Скануюча телевізійно-оптична мікроскопія динамічних мікрооб’єктів” (номер держ. реєстрації 0105U000602), ДБ/ФЛЮОР “Сканувальна телевізійно-оптична ультрафіолетова мікроскопія для дослідження біологічних мікрооб’єктів” (номер держ. реєстрації 0107U000832), ДБ/МІКРОСКОПІЯ “Сканувальна телевізійно-оптична мікроскопія для кріобіології та кріомедицини” (номер держ. реєстрації 0109U001154), ДБ/ДІАМОН “Вдосконалення та підвищення інформативності систем багатоспектрального моніторингу та діагностики складних об’єктів” (номер держ. реєстрації 0109U001146), ДЗ/296-2008 “Скануючий оптичний мікроскоп для біомедицини та нанотехнологій” (номер держ. реєстрації 0108U007567, згідно з наказом Міністерства освіти і науки України від 22 травня 2008 р. № 451), де автор приймав участь як виконавець.

Метою дисертаційної роботи вдосконалення відомих та розробка нових методів та засобів дослідження параметрів динамічних МО за допомогою ТСОМ на основі використання принципу сканування світловим променем.

Для досягнення цієї мети в роботі поставлені та вирішені наступні завдання:

1.  Проведено аналіз стану питання визначення параметрів динамічних МО за допомогою мікроскопів.

2.  Виявлено параметри динамічних МО, які підлягають кількісній оцінці за допомогою ТСОМ.

3.  Виявлено чинники, що визначають метрологічні та експлуатаційні характеристики ТСОМ.

4.  Вдосконалено методи сканування досліджуваних МО для визначення їх динамічних параметрів за допомогою ТСОМ.

5.  Розроблено та обґрунтовано методи визначення параметрів динамічних МО за допомогою ТСОМ:

-  швидкості руху динамічних МО;

-  прискорення руху динамічних МО;

-  швидкості зміни розмірів динамічних МО;

-  параметрів коливального руху динамічних МО.

6.  Розроблено та досліджено принципи побудови засобів ТСОМ з урахуванням різних режимів роботи.

Об'єкт дослідження: процес визначення параметрів динамічних МО за допомогою ТСОМ на ЕПТ надвисокої роздільної здатності.

Предмет дослідження: методи визначення параметрів динамічних МО за допомогою ТСОМ.

Методи дослідження. При розв’язку поставлених завдань у теоретичних дослідженнях використовувалися основні положення і методи теорії радіотехнічних та телевізійних пристроїв та систем, теорії оптико-електронних приладів та систем, теорії похибок. Експериментальні дослідження проводились з використанням фізичних та математичних методів шляхом числового аналізу та комп’ютерного моделювання за допомогою прикладних пакетів Mathcad та MATLAB.

Наукова новизна отриманих результатів.

― вперше розроблено математичні моделі рядкового однотактного, рядкового двотактного та кадрового методів сканування, які враховують параметри сканувального елемента (СЕ) та МО, що дає можливість визначати параметри динамічних МО, на основі побудованих математичних моделей проаналізовано похибки визначення швидкості руху МО рядковим однотактним, рядковим двотактним та кадровим методами, що дає можливість оцінити точність системи вимірювання;

― розроблено методи визначення параметрів динамічних МО при застосуванні сканувальних растрів різних розмірів (повноформатний, зменшений, мінірастр, мікрорастр), що дозволяє скоротити час вимірювань внаслідок зменшення часу формування мінірастра та мікрорастра і, таким чином, розширити діапазон визначення параметрів руху МО при збереженні заданої точності вимірювань;

― удосконалено принцип побудови ТСОМ, придатного для визначення динамічних параметрів та характеристик МО: швидкості руху, прискорення руху, швидкості зміни розмірів, параметрів коливального руху, траєкторії руху;

― удосконалено кадровий метод сканування МО растром за рахунок зміни розмірів та місцеположення з метою спостереження МО в центральній частині екрана монітора та розширення діапазону визначення його динамічних параметрів;

― дістали подальший розвиток методи побудови вимірювальної системи на базі ТСОМ для розв’язку поставлених завдань, які стосуються визначення, аналізу та відображення основних параметрів різних динамічних МО.

Практичне значення отриманих результатів.

1. удосконалено рядковий однотактний метод сканування, що дозволяє розширити межі визначення швидкості руху МО з лінійною траєкторією. Встановлено, що у напрямку сканування визначувана швидкість руху досліджуваного МО обмежується величиною швидкості сканування, а при русі МО проти напрямку сканування цей метод дозволяє визначати швидкість руху, яка перевищує швидкість сканування в 1,5 рази;

2. удосконалено рядковий двотактний метод сканування для визначення швидкості руху МО з лінійною траєкторією, який не потребує відомостей про розміри та характер розподілу прозорості МО. Цей метод дозволяє визначати швидкість руху МО у напрямку сканування на рівні половини швидкості сканування, а в протилежному напрямку – на рівні швидкості сканування;