Теоретичні засади та методи побудови сканувальних телевізійних оптичних мікроскопів високої роздільної здатності

Abstract

Дисертація присвячена розробленню теоретичних засад та методів побудови сканувального телевізійного оптичного мікроскопа (СТОМ) з широкими функціональними можливостями на основі електронно-променевої трубки (ЕПТ) високої роздільної здатності. Розроблено цифро-аналоговий метод формування сканувального растра, який забезпечує формування на екрані ЕПТ растр змінних роздільної здатності, розмірів та зміщення. Удосконалено метод коректування амплітудно-частотної характеристики каналу формування відеосигналу, який полягає в компенсації частотних спотворень першого каскаду наступними каскадами. Розроблено метод визначення необхідної яскравості свічення ЕПТ для забезпечення заданої якості відображення досліджуваного об’єкта з урахуванням впливу шумів формувача повного відеосигналу, фотоелектронного помножувача і власних шумів трубки. Розвинуто метод формування стереоскопічного зображення, який полягає у створенні на екрані одної ЕПТ стереопари растрів та їх оптичному суміщенні на досліджуваному мікрооб’єкті. Оцінено вплив часу післясвічення ЕПТ на роздільну здатність СТОМ. Досліджено спектр та часові параметри випромінювання ЕПТ білого свічення з метою використання її для формування кольорового зображення. Запропоновано метод визначення нормованого сигналу на виході фотоелектронного помножувача при роботі СТОМ на відбиття залежно від форми досліджуваного мікрооб’єкта. Диссертация посвящена вопросам разработки теоретических основ и методов построения сканирующих телевизионных оптических микроскопов (СТОМ) с широкими функцональными возможностями на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) высокой разрешающей способности, как нового подкласса микроскопов с целью повышения их эффективности по техническим параметрам при исследовании микрообъектов, размеры которых превышают 0,1 мкм, в широком спектральном диапазоне освещения малой мощности. Научно-прикладная проблема, решению которой посвящена диссертационная работа, это решение противоречия для обеспечения высокой эффективности СТОМ высокой разрешающей способности между насущной потребностью обеспечения их необходимой чувствительностью и высокой разрешающей способностью при малой освещенности объекта – с одной стороны, и обеспечения этих требований в условиях, когда необходимо максимальное расширение полосы пропускания и увеличение амплитуды сигнала на выходе формирователя – с другой стороны. Разработана структурная схема СТОМ с точки зрения формирования электрического сигнала, основными узлами которой, подлежащие исследованию и оптимизации, являются блоки формирования сканирующего растра, фотоэлектронного умножителя, формирования видеосигнала, управления режимами работы микроскопа и связи с персональным компьютером. Предложена методика определения нормированного сигнала на выходе фотоэлектронного умножителя при работе СТОМ на отражение в зависимости от формы исследуемого микрообъекта и угла расположения умножителя. Разработан метод определения времени послесвечения белого люминофора, который используется в ЭЛТ для формирования цветного изображения исследуемого объекта. Показано относительное изменение размера сканирующего пятна от скорости сканирования. Оценено влияние времени послесвечения на разрешающую способность СТОМ. Исследован спектр и временные параметры излучения ЭЛТ высокой разрешающей способности с целью использования ее для формирования цветного изображения. Установлено, что наибольшую длительность послесвечения имеет красная составляющая люминофора. Проведенный анализ показывает, что для формирования цветного изображения необходимо использовать малокадровый режим работы СТОМ. Аналитически и экспериментально доказано отсутствие явления оконтуривания изображения микрообъектов в СТОМ, что подтверждает его преимущество в сравнении с камерным микроскопом. Усовершенствован цифро-аналоговый метод формирования сканирующего растра, сущность которого состоит в независимом формировании сигналов отклонения в телевизионном и дискретном режимах, независимом регулировании амплитуды сигнала и его смещении и подаче этого сигнала на прецизионный преобразователь напряжение-ток, что позволяет формировать ток в катушках отклонения и, соответственно, растр на экране ЭЛТ с погрешностью, которая не превышает 0,03%. Предложен метод формирования стереоскопического изображения исследуемого микрообъекта, сущность которого состоит в формировании стереопары растров на экране одной ЭЛТ и совмещении этих растров в плоскости объекта и соответствующего воспроизведения изображения на экране стереомонитора. Проанализированы пути формирования стереопары растров и оценены допустимые погрешности их формирования. Впервые предложено при формировании сканирующего растра использовать активный режим работы СТОМ, сущность которого состоит в аппаратном определении длительности определения переходного процесса установления сканирующего луча в точку с заданными координатами и точностью, что позволяет увеличить быстродействие СТОМ и упростить его программное обеспечение. Усовершенствован метод корректирования амплитудно-частотной характеристики канала формирования видеосигнала, сущность которого состоит в компенсации частотных искажений первого каскада последующими каскадами. Разработан метод определения необходимой яркости свечения ЭЛТ для обеспечения заданного качества изображения исследуемого объекта с учетом влияния шумов формирователя видеосигнала, фотоэлектронного умножителя и собственных шумов ЭЛТ. Разработан метод калибровки необходимой яркости свечения ЭЛТ за счет изменения начальных режимов работы ЭЛТ и чувствительности фотоэлектронного умножителя, который обеспечивает граничный режим работы микроскопа по чувствительности и разрешающей способности. Проведено оценку глубины резкости в СТОМ. Проанализировано влияние неточности наведения объектива на резкость на расфокусировку элемента изображения на экране монитора. Предложен метод трехмерного формирования изображения исследуемого микрообъекта, сущность которого состоит в изменении направления наблюдения, что вызывает изменение распределения света и тени, если объект трехмерный. Показано, что многоракурсное восприятие излучения, отраженного от поверхности исследуемого объекта можно эффективно использовать для трехмерной подачи объекта как в светотеневом варианте, так и в варианте с компьютерно-синтезированным изображением. Впервые предложено использовать два последовательных растра переменной разрешающей способности и переменных размеров для измерения динамических параметров движущихся микрообъектов, что позволяет значительно расширить диапазон измеряемых параметров. Создан лабораторный макет СТОМ, при помощи которого доказана практическая возможность СТОМ относительно коэффициента увеличения и разрешающей способности на примере формирования изображений различных тест-объектов. В совокупности, полученные научные результаты образуют теоретико-методологическую основу построения СТОМ высокой разрешающей способности. The Thesis is devoted to the posers of the construction and examination of the Scanning Television Optical Microscopes (STOM) based on the high resolution Cathode Ray Tube (CRT). The theoretical bases of the greater functionality STOM construction are developed. The digital-to-analog Method of scanning raster farming’s developed, that provides the formation on the CRT Screen the raster of the variable resolution, size and displacement. The video-signal formation amplitude-frequency characteristics adjusting Method is improved, which consists in the first cascade frequency distortion compensation by the following cascades. The CRT necessary bright ness glow determining Method is elaborated for the purpose of the researched object given display quality considering the noises influence of the full video signal sharper, the photo multiplier and the tube intrinsic noise. The stereoscopic image formation Method is developed, which is the creation on the single CRT screen the stereo pair of rasters and their optical combination on the investigated microobject. The CRT afterglow time effect on the STOM resolution is reviewed. The CRT white color radiation spectrum and time parameters are investigated for the purpose of their implementation for the color image formation. The Method of the normalized signal determination on the photoelectronic multiplier output during the STOM reflection work depending on the investigated microobject shape is offered.