Цифровые микроскопы – это микроскопы передающие изображение объекта в цифровом виде.
Используются в:
Цифровые микроскопы для микроэлектроники
В зависимости, от поставленных задач, цифровые микроскопы должны соответствовать определённым требованиям. Для микроэлектроники могут применяться инспекционные микроскопы MX63 с фото регистрацией и лупы с видеокамерой INSPEX 1080P. В первом случае, наведение на объект и последующая фокусировка осуществляется с помощью окуляров, либо проекционных устройств.
Оптика инспекционных микроскопов рассчитана на максимальное полезное оптическое увеличение, до 1500х, с разрешением 0.47-0.22мкм и широкий спектр освещения. Объективы пропускают волны от глубокого ультрафиолета (deep ultra violet - DUV) 248нм, до ближнего инфракрасного диапазона >720нм. Оптика, пропускающая УФ лучи изготавливается из стекла с низкой дисперсией, а за регистрацию УФ света отвечают специальные камеры, с активным охлаждением матрицы, большой выдержкой и светочувствительностью.
Помимо высокого разрешения, в микроэлектронике не менее важно бывает заглянуть под поверхностный слой, чтобы не разрушая целостность полупроводника рассмотреть структуру его слоёв. Для этого требуется инфракрасная (ИК) оптика, инфракрасный источник света до 1000-1500нм и камеры, без ИК фильтра, которая выдержит такое освещение. Также в последнее время всё чаще используются новые методы контрастирования, такие как: дифференциально-интерференционный контраст и смешанный контраст. С помощью этих методов можно различить больше микро деталей, не применяя дополнительные источники освещения.
Для определения позиционирования кристаллов используются не только инспекционные микроскопы, но и более многофункциональные измерительные цифровые микроскопы DSX1000, координатная сетка которых не требует предварительного выравнивания пластины, а в случае необходимости, с помощью такого микроскопа можно просматривать и фотошаблоны в проходящем или отражённом свете.
Относительно простые решения используются для определения качества пайки, нахождения нежелательных натёков припоя и трещин – цифровые лупы. Лупы, например Ion или Inspex 1080p хорошо подойдут при просмотре неповторяющихся структур, где нет возможности применить продвинутые алгоритмы машинного зрения для автоматизации просмотра и требуется максимально простое решение. Для более продвинутых исследований с автоматическими замерами можно использовать Omni Core и Inspex II.
Цифровые микроскопы для материаловедения
Объекты исследования в материаловедении могут быть самыми разнообразными, от огромных зеркал, до микроскопических гранул, не рассеивающих и не отражающих свет. В связи с этим, чтобы точно определить необходимое оборудование, нужно обозначить перечень предметов, которые будут просматриваться на микроскопе.
Наиболее универсальный вариант оптического прибора, такой как DSX1000, сочетает в себе:
- Телецентрическую оптику
- Светодиодный источник белого света
- Поляризатор и анализатор
- Разные режимы освещения
- Скоростную камеру высокого разрешения
- Большой наклоняемый штатив
- Моторизованный предметный столик
- Эпископическое освещение (отражённый свет)
- Несколько быстросменных методов контраста
- Высокоточный моторизованный привод фокусировки
- Легкую смену объективов
- Высокую точность и повторяемость результатов измерений
- Разностороннее продвинутое программное обеспечение
Телецентрическая оптика обеспечивает большую глубину резкости и рабочее расстояние, позволяя исследовать крупные образцы, получать достоверные результаты измерений без геометрических искажений, а большое рабочее расстояние делает возможным исследование крупны образцов. При исследования объектов на обычном микроскопе возникает эффект схождения (изменения видимого размера объекта в зависимости от уровня фокусировки и удаленности от центра поля зрения). Этот эффект затрудняет получение точных результатов измерений. Для устранения этого дефекта используют объективы, в которых главные лучи всех световых пучков параллельны оптической оси в пространстве предметов или в пространстве изображений.
Светодиодный источник белого света выгодно отличается от галогенных, газоразрядных и иных предшественников, своей долговечностью до десятков тысяч часов. При их использовании не требуется ждать достижения рабочей температуры для получения стабильного цветового баланса. При снижении яркости, в отличии от галогеновых ламп, они не изменяют цветность видимого изображения.
Галоген
LED
Поляризатор и анализатор и разные режимы освещения необходимы для поиска напряжений в стеклянных пластинах, центрах кристаллообразования в гелях и растворах, а также, устранения бликов и отражений.
Скоростная камера высокого разрешения необходима цифровым микроскоп для наведения на объект, своевременную и точную фокусировку, и получения максимально детализированных изображений. В лучших исследовательских микроскопах установлена лучшая оптика Супер План Апохромат, потенциал которой может раскрыть камера с разрешением не ниже 4К. На малых увеличениях, оптика передаёт очень много информации, а значит нужна камера с максимальным разрешением. Высокая скорость, не ниже 60 fps, широкий динамический диапазон и продвинутые матричные технологии, на подобии 3CMOS, необходимы для комфортной работы без смазов и артефактов на снимках.
Большой наклоняемый штатив и моторизованный предметный столик подходят для крупных и небольших объектов, которые необходимо изучать со всех сторон, не тратя время на поворачивание объекта. С его помощью производится и 3D сканирование образцов. Лучшие модели штативов наклоняются до ±90°. Сложной задача, при проектировке такой системы – добиться высокой точности позиционирования предметного столика, для решения которой устанавливаются сложные двигатели, работающие в трёх- четырёх скоростных режимах перемещения по X и Y координатам со специальными замедлителями, для плавной остановки образца. Не менее важно отслеживать все перемещения штатива и оставлять объект исследования в центре изображения.
Эуцентрическая оптическая схема сохраняет объект в центре изображения при наклоне или вращении столика, позволяя исследовать образец под разными ракурсами. Такая гибкость даёт оператору видеть объект не только сверху, и это упрощает выявление трудноразличимых дефектов или характерных особенностей образца.
Эпископическое освещение (падающий свет иногда называют отраженный свет) используются для наблюдения непрозрачных и прозрачных объектов. Под эпископическим осветителем понимается свет, падающий на исследуемую поверхность объекта и отражающийся от него. В прямых микроскопах, этот осветитель расположен сверху.
Несколько быстросменных методов контраста поддерживают и легко сменяют все исследовательские микроскопы, можно сказать, что это их отличительная черта.
Самый базовый метод контраста – светлое поле (BF – bright field)
Косое освещение (OBQ – oblique)
Тёмное поле (DF – dark field)
Смешанный контраст (MIX – DF+BF)
Поляризация (PO – polarization)
Дифференциально-интерференционный контраст (DIC – differential-interferential contrast)
Программное увеличение контраста
Легкую смену объективов предусматривают все крупные производители микроскопов. Это довольно серьёзная проблема, как сделать универсальную систему под макрообъективы с увеличением 0-50х с микрообъективами, масштабирующими изображение до 7000х. Это совершенно разные подходы к получению изображения. В макрообъективах ценится большое рабочее расстояние и широкое поле зрения, соответственно и сами объективы широкие. В микрообъективах особое значение придаётся разрешению и светосиле. Универсальное крепление разработала компания Olympus, сделав смену объективов таким же лёгким, как застёгивание молнии.
Высокую точность и повторяемость результатов измерений гарантирует программное обеспечение, настроенное на конкретную оптическую систему и учитывающую все особенности этой системы (аберрации, смещения, рабочие расстояния, глубину резкости и прочее). На современной микроскопе можно проводить измерения с точностью до 1% от измеряемой длины, то есть, даже выполнять измерения шероховатости, с помощью 3D построения профиля.
Разностороннее продвинутое программное обеспечение обязательно должно быть простым в обращении, интуитивно понятным. Можно сказать, что сейчас происходит унификация для идентичного пользовательского опыта на разных устройствах. Основные функции доступные в Olympus Stream: создание отчёта, выявление включений на окрашенной поверхности для определения источника загрязнения, сшивка нескольких маленьких изображений в одно большое, получение полнофокусного изображения и 3D модели объекта, автоматический подсчёт численности повторяющихся структур, диагностика контаминации, измерение толщины слоя, автоматическое определение контура и другие.
Измерительные цифровые микроскопы для метрологии
Любой видеоизмерительный микроскоп принципиально отличается от вышеназванных - методикой поверки. В большинстве своём, такие устройства поставляются на утяжелённых штативах и комплектуются большими предметными столиками с высокоточными энкодерами (считывателями перемещений).
Поверка точных профессиональных зарубежных микроскопов учитывает возможность неточного позиционирования образца, поэтому не обязательно при каждом измерении выравнивать координатную сетку и начало координат по объекту.
Методика поверки NLEC британских микроскопов Vision Engineering, таких как Swift и Hawk производится по двум осям, без использования дополнительных тисков и зажимных механизмов стола, это означает, что заявленная заводом-изготовителем погрешность, будет соблюдаться при любом сценарии использования. Зачастую, высокие значения точности достигаются именно за счёт использования дополнительных приспособлений, не используемых при рутинных измерениях.
Важнейшая составляющая таких видеомикроскопов – программное обеспечение. Классические решения с визиром могли лишь давать относительные координаты точки на образца в центре перекрестья на образце, современные системы могут даже построить CAD модель образца по 3-м осям с последующим импортов DXF и другие форматы САПР.
При выборе такого оборудования необходимо обращать внимание на устройства для уточнения фокусировки, как на STM7. Потому что именно правильное нахождение фокуса отвечает за конечную точность измерений. Глубина резкости любого макро объектива будет гораздо больше, чем у микро объектива, поэтому измерения на малых увеличениях всегда уступают по точности микро измерениям.
Формула точности микроскопов LVC400 выглядит так ТОЧНОСТЬ = 2.8 + (8.L/1000) мкм, где L измеряемая длина в мм. По оси Z: 3 + (10.L/1000) мкм.
Биологический и медицинский цифровой микроскоп
В биологии цифровые микроскопы позволяют получать изображение сопоставимое по качеству и информативности с конфокальными системами или 3D изображение, как на стереомикроскопах. Наиболее совершенные микроскопы, такие как BX63 достигают высокого качества снимков таким же способом, как и конфокальная микроскопия, с помощью растровой съёмки множества слоёв исследуемой клетки, отсекая паразитные засветки, с помощью сложных алгоритмов и деконволюции, устраняя размытие они объединяют полученные изображения в одно.
Обратите внимание на снимки сверху, это не конфокальный микроскоп, а цифровой. На снимке видно, как точно отрабатывают алгоритмы, отсекающие шумы в чёрной области и засветы на границах свечения флюорохрома.
С помощью компьютерной программы возможно проводить автоматизированный подсчёт численности клеток. Что очень полезно при анализа большого массива данных, например, при просмотре цитологических образцов, подсчёта лейкоцитарой формулы у людей с малокровием или повышенным содержанием тромбоцитов, не позволяющим использовать гематологические анализаторы. Обнаружение биологической клетки гораздо сложнее, чем обычной частицы, потому что клетка для программы выглядит, как замкнутый элипсоидный или круглый объект с плотным ядром и прозрачным содержимым внутри.
Для FISH анализа чрезвычайно важно снимать один и тот же участок препарата при использовании различных фильтров, накладывая их и диагностируя конкретный краситель в образце или нужный участок. Все представленные иллюстрации сделаны в программе CellSens на камеру DP74.
Сшивка нескольких изображений особенно востребована в слайд-сканнерах, потому что получить детализированные изображения стандартных мазков 15мм х 15мм можно только на объективах 20х и 40х, у которых очень узкое поле зрения. Благодаря сшивке можно сделать виртуальный слайд в исходном качестве изображения всего за минуту, а в дальнейшем работать с ним так же, как и с обычным препаратом, рассматривая подробнее области, вызывающие сомнения у специалистов.
Для правильного подсчёта клеток и удобства наблюдения, очень полезна функция создания полно фокусных изображений. При это производится несколько снимков на разном фокусном расстоянии, после чего всё, не оказавшееся в фокусе отсекается, а оставшееся объединяется в одно чёткое изображение.
В инвертированном моторизованном цифровом микроскопе IX83 автоматизация позволяет проводить автономные циклические исследования. Его штатив позволяет устанавливать специальные CO2 инкубаторы, автоматически поддерживающие температурный режим и газовый состав среды. Герметичность системы была бы невозможна при наличии механических ручек препаратоводителя. Мониторинг может производиться в нескольких режимах, в том числе интервально, включая освещение микроскопа и производя съёмку в течении недели, через заданные промежутки времени, без постоянного участия исследователя. Это очень востребованные функции при исследовании транспорта клетки или при регистрации других долго протекающих процессов. Такие биологические микроскопы оснащаются и системами, препятствующими дрейфу фокуса. Такая система состоит из лазерного дальномера и очень точного двигателя, который возвращает фокус в исходное положение.
Заключение
Цифровая микроскопия развивается, как и её составляющие: оптика, фото и видеосъёмка, вычислительная техника и программные продукты. Сейчас активно развивается телемедицина и ведущие специалисты могут консультировать в режиме реального времени на расстоянии тысячи километров. Удалённые технологии помогают использовать микроскопы в местах опасных для людей, например, в радиационных комнатах. Рутинные операции по проведению измерений всё больше берёт на себя техника и нет сомнений, что данная техника будет развиваться и дальше. Наши специалисты проконсультируют Вас и подберут цифровой микроскоп оптимально подходящий под Ваши задачи.
