СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРООБЪЕКТОВ Российский патент 2000 года по МПК G01N15/02 

Область техники
Изобретение относится к средствам для исследования и анализа частиц и материалов с помощью оптических средств, а точнее к системам, основанным на регистрации светового потока, рассеиваемого отдельными частицами, и может быть использовано в медицинских исследованиях, геофизике, механике, химии, порошковой металлургии, при контроле загрязнений окружающей среды и т.д.

Предшествующий уровень техники
Широко известны методы и приборы для изучения микрообъектов, основанные на регистрации светового потока, рассеиваемого отдельными частицами [С.П. Беляев и др. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей. М.: "Энергоиздат", 1981, с. 12-98]. В процессе измерений частицы пропускают через облучаемый от специального источника света измерительный объем и измеряют интенсивность светового потока, рассеянного каждой из них.

Основной особенностью методов и приборов, использующих этот принцип, является косвенный характер измерений. Неоднозначность зависимости непосредственно измеряемой величины (например, интенсивности рассеянного излучения) от параметра, подлежащего определению (например, размера микрообъекта), приводит к тому, что, практически, невозможно регламентировать погрешность измерений подобных устройств при исследовании микрообъектов с неизвестными заранее формами и оптическими свойствами.

Известны способы дисперсного анализа микрообъектов, включающие освещение и формирование изображений исследуемых объектов с последующим измерением размеров этих изображений [Патент США N 3390229, кл. 176-8, 1968; Патент США N 4207001, кл. G 01/15/02, 1980] . По полученным данным судят об истинных размерах самих объектов и их концентрации в объеме.

Однако при практической реализации упомянутых способов возникают трудности, связанные с тем, что лишь малая доля из общего количества частиц, движущихся в объеме, попадает точно в плоскость наводки (плоскость, оптически сопряженная с плоскостью регистратора изображений) оптической системы и регистрируется с неискаженными масштабом и контрастностью. Изображения большинства частиц оказываются расфокусированными, поэтому их размеры определяются с погрешностью, которая может достигать сотен процентов. Поскольку при расфокусировке более сильно искажаются изображения мелких объектов, величина рабочего объема прибора оказывается зависящей от размеров частиц. В результате погрешность в определении размеров микрообъектов приводит к погрешности измерения их концентрации, которая также может достигать сотен процентов.

Отмеченные выше недостатки частично устранены в способе дисперсионного анализа частиц [Авт. свид. СССР N 545174, кл. G 01 N 15/02, 1975]. Согласно этому способу микрообъекты, движущиеся в объеме, облучают частично когерентным излучением, формируют их изображения на экране регистратора и измеряют внутренние и внешние диаметры первых светлых дифракционных колец вокруг расфокусированных изображений микрообъектов. По полученным данным вычисляют истинные размеры частиц и рабочего объема (т.е. объема, в котором производится подсчет микрообъектов для определения их концентрации).

Однако этот способ довольно сложен в реализации и особенно трудно получить высокую точность измерений при автоматической обработке изображений. Контраст светлых дифракционных колец, а следовательно и амплитуда сигнала, полученного при их сканировании в процессе измерений, в несколько раз меньше амплитуды сигнала от темных участков изображений микрообъектов. Это затрудняет выделение сигналов колец на фоне шумов оптико-электронного тракта устройства, реализующего способ. Наличие шумов, обусловленных в том числе и сравнительно высокой когерентностью освещения, приводит к тому, что частицы, находящиеся на значительном удалении от плоскости наводки, могут регистрироваться несколько раз, либо не регистрироваться вовсе в зависимости от значения шумовой составляющей в сигнале в момент сканирования данного участка поля зрения прибора. В результате появляются погрешности в измерении размеров и концентрации микрообъектов.

Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения достоверности исследований путем повышения точности измерений.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе исследования микрообъектов, включающем облучение анализируемых микрообъектов частично когерентным излучением, формирование их изображений, считывание и последующий анализ сигналов от изображений микрообъектов, микрообъекты облучают пучком излучения, максимальный линейный размер объема когерентности которого в зоне облучения микрообъектов не превышает 30% от среднего расстояния между частицами в пространстве; измеряют геометрические параметры изображений микрообъектов на уровне сигнала от них, значение которого устанавливают в зависимости от когерентности облучения.

В процессе измерений геометрические параметры изображений микрообъектов измеряют на уровне сигнала U от них, значение которого устанавливают при калибровке либо определяют по зависимости:

где α,α_o - плоские апертурные углы системы формирования изображений и облучающего пучка в пространстве микрообъектов соответственно;
U₀ - амплитуда сигнала, полученного при считывании сфокусированных изображений исследуемых либо калибровочных (эталонных) микрообъектов.

Дополнительное повышение точности измерений может быть получено путем измерения параметров изображений только тех микрообъектов, амплитуда U сигнала от которых отличается от установленного уровня измерения на величину не менее среднеквадратичного значения шумов фотоприемника, содержащихся в упомянутом сигнале и/или дополнительным измерением геометрических параметров изображений микрообъектов по крайней мере еще на одном уровне сигнала от них, а в случае исследования микрообъектов в потоке их изображения проецируют на светочувствительный слой фотоприемника (например, линейку либо матрицу светочувствительных элементов) в режиме импульсного экспонирования, сканируют полученные изображения и измеряют параметры видеосигнала от них.

Для повышения статистической обеспеченности результатов исследований изменяют размеры объема пространства, в котором исследуют микрообъекты, путем одновременного изменения когерентности освещения и значения уровня измерения U геометрических параметров изображений.

Для повышения объективности исследований анализ микрообъектов проводят автоматически с помощью ЭВМ, для этого в процессе сканирования изображения микрообъектов заносят в память ЭВМ и измеряют их параметры, после чего изображения микрообъектов выводят на экран дисплея, группируя все изображения в одном или нескольких кадрах, затем визуально оценивают результаты автоматического анализа и выявляют дополнительные свойства микрообъектов, определение которых не предусмотрено программой ЭВМ.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что микрообъекты облучают пучком излучения, максимальный линейный размер объема когерентности которого в зоне облучения микрообъектов не превышает 30% от среднего расстояния между частицами в пространстве, измеряют геометрические параметры изображений микрообъектов на уровне сигнала от них, зависящем от когерентности освещения. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Сущность способа заключается в следующем.

В основе предлагаемого способа лежит использование особенностей структуры и свойств изображений микрообъектов в условиях частично когерентного освещения, а также особенностей распределения микрообъектов в пространстве.

Широко известна способность ансамбля микрообъектов, освещаемых световым пучком с высокой когерентностью, создавать в пространстве так называемые спекл-структуры - своеобразные распределения интенсивности излучения, рассеянного микрообъектами. Возникновение спеклов обусловлено интерференцией излучения, рассеянного отдельными частицами, которая приводит к образованию светлых и темных пятен, по форме нередко напоминающих сами рассеивающие объекты. При исследовании дисперсных сред по способу-прототипу аналогичная картина наблюдается в плоскости изображения уже при сравнительно невысоких концентрациях ~10³ - 10⁴ см^-3 частиц в объеме. Она приводит к образованию ложных изображений, возрастанию погрешностей измерений и ограничению возможностей способа по исследованию микрообъектов.

Предотвращение подобного явления в предлагаемом способе достигают тем, что микрообъекты облучают пучком излучения, объем когерентности которого подобран таким образом, что в процессе исследования микрообъектов в любой момент времени в нем с высокой степенью вероятности может находиться не более одной частицы. Тем самым создают условия, при которых в плоскости изображения интерферируют, практически, некогерентные волны, не создающие спеклов.

Под объемом когерентности светового пучка в зоне облучения микрообъектов здесь и в дальнейшем понимается объем пространства [Л.М. Сороко Основы голографии. М.: "Наука", 1971, с. 241 - 247; М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М.: "Наука", 1970, с. 541 - 545] вокруг плоскости наводки оптической системы формирования изображений микрообъектов, ограниченный поверхностью, на которой модуль комплексной степени когерентности волнового поля, создаваемого пучком излучения, достигает первого нуля. По аналогии с [Л.М. Сороко. Основы голографии. М. : "Наука", 1971, с. 247, а также М.Франсон. Оптика спеклов. М.: "Мир", 1980, с. 12], объем когерентности светового пучка V_к для оптической системы с радиальной симметрией (зрачок имеет форму круга) может быть найден из соотношения:
Vк = πrк²•δ = 1,49πλ³/α4o

, (2)
где r_к= 0,61λ/α_o - радиус площадки когерентности пучка излучения в сечении, перпендикулярном его оптической оси;
δ = 4λ/α2o - размер объема когерентности пучка излучения вдоль оптической оси;
λ - средняя длина волны в спектре излучения источника;
2α_o - угол, под которым источник излучения виден из точки наблюдения (в рассматриваемом случае - из точки плоскости наводки, соответствующей центру поля зрения системы формирования изображений микрообъектов). Если с целью концентрации излучения источника используют конденсор, либо иной элемент, повышающий облученность исследуемых микрообъектов, то 2α_o - апертурный угол конденсора со стороны облучаемых микрообъектов.

Максимальный линейный размер l_к такого объема составляет:

При выборе когерентности освещения учитывают, что распределение микрообъектов в пространстве подчиняется закону Пуассона [Радушкевич Л.В. Применение ультрамикроскопа к исследованию аэрозолей и закон флюктуации числа частиц, взвешенных в воздухе. "ЖЭТФ", 1935, ч. 5, вып. 7, с. 40] и вероятность найти в объеме частицы с расстоянием между ними менее 10 - 20% от "модального" (среднего) расстояния при данной концентрации микрообъектов в объеме не превышает единиц процентов. Таким образом, если микрообъекты облучать пучком излучения, максимальный линейный размер объема когерентности которого не превышает 10 - 20% от среднего расстояния между частицами в объеме, рассеянные ими пучки излучения не будут создавать в плоскости изображения спекл-структур, снижающих качество анализа изображения.

Многочисленные эксперименты показали, что при исследовании микрообъектов, движущихся в объеме, влияние спеклов, практически, не сказывается на качество изображений при l_к, не превышающем 30% от среднего расстояния между частицами в пространстве.

Однако предотвращение образования спеклов и устранение их влияния на качество изображений является необходимым, но не достаточным условием для обеспечения высокой точности определения геометрических параметров микрообъектов (например, размера, площади поверхности, объема, формы и т.д.), а также их концентрации в объеме. Выше отмечалось, что основной причиной возникновения погрешностей определения геометрических параметров и концентрации микрообъектов, находящихся в объеме, является искажение изображений из-за попадания основной массы частиц в процессе измерений не точно в плоскость наводки оптической системы. При этом характер и степень искажений изображений зависят от когерентности освещения и величины расфокусировки, а погрешность измерения геометрических параметров - от уровня сигнала от изображений, на котором осуществляется его анализ.

Повышение точности измерений по предлагаемому способу достигают благодаря использованию экспериментально установленного свойства изображений, согласно которому для любой когерентности освещения в сигнале, полученном при считывании изображений микрообъектов, имеется уровень (сигнала), при измерении на котором размеры изображений в широком диапазоне расфокусировок остаются неизменными. Значение этого уровня однозначно зависит от когерентности освещения. Поэтому для повышения достоверности исследования микрообъектов измерение геометрических параметров их изображений в предлагаемом способе устанавливают в зависимости от когерентности освещения частиц.

Суть способа поясняют рисунки, где на фиг. 1 приведены характерные эмпирические зависимости относительных размеров изображений микрообъектов от расстояния Δz между частицей и плоскостью наводки оптической системы при различной когерентности освещения и различных уровнях измерения.

Кривые, обозначенные цифрами 1; 2; 3, отображают относительное изменение размеров изображений частиц при расфокусировке на уровнях сигналов от них, равных соответственно:
U = 0,3U₀; U = 0,5U₀; U = 0,7U₀.

Пунктирной линией отмечены кривые, полученные при освещении, близком к некогерентному α_o> α (r_к < 0,8 мкм).

Штрихпунктиром отмечены кривые, полученные при частично когерентном освещении α_o≅ 0,3α (r_к = 15 мкм).

Сплошной линией отмечены кривые, полученные при освещении, близком к когерентному α_o≅ 0,015α (r_к = 300 мкм).

Горизонтальной и наклонной штриховкой обозначены области, в которых на соответствующих уровнях сигнала размеры изображений микрообъектов измеряются с погрешностью, превышающей единицы процентов.

d(Δz = 0) - диаметр сфокусированного изображения микрообъекта.

d(Δz) - диаметр расфокусированного изображения при расстоянии Δz между микрообъектом и плоскостью наводки оптической системы.

В качестве количественной характеристики когерентности освещения микрообъектов при фиксированной апертуре оптической системы формирования изображений принято значение радиуса r_к площадки когерентности пучка излучения в сечении, перпендикулярном его оптической оси (см. выражение (2)):
r_к= 0,61λ/α_o (4)
На фиг. 2. представлена эмпирическая зависимость значения оптимального уровня измерения U геометрических параметров изображений микрообъектов от когерентности освещения.

Пунктиром нанесена кривая, описываемая выражением (1).

Штриховкой отмечена область разброса U в диапазоне размеров микрообъектов от единиц до сотен микрон.

На фиг. 3 дана блок-схема устройства для осуществления способа исследования микрообъектов.

1 - импульсный источник света.

2 - оптическая система осветителя.

3 - устройство изменения когерентности светового пучка осветителя.

4 - оптическая система формирования изображений микрообъектов.

5 - передающая телевизионная камера.

6 - устройство обработки изображений.

7 - видеомонитор.

На фиг. 4 показано распределение по размерам монодисперсного латекса со средним паспортным диаметром частиц d_ср. = 6,9 мкм.

На фиг. 5 приведено распределение по размерам частиц тумана в струе перегретого пара.

Из кривых, приведенных на фиг. 1, видно, что максимальное расстояние между частицей и плоскостью наводки, при котором ее изображение может быть зарегистрировано, существенным образом зависит от когерентности освещения. Видно также, что изменение размеров изображений микрообъектов с расфокусировкой может иметь тенденцию к уменьшению, увеличению, иметь неоднозначный, либо даже осциллирующий характер в зависимости от когерентности источника излучения и уровня измерения. Т.е. неправильный выбор уровня измерения ведет к появлению погрешностей определения геометрических параметров микрообъектов.

Из фиг. 1 следует также, что каждому значению когерентности соответствует свой (оптимальный) уровень измерения U, при котором область значений Δz с допустимыми (например, 1-2%) изменениями размеров изображений, обусловленных расфокусировкой, имеет максимальную величину. Так для r_к < 0,8 мкм (освещение, близкое к некогерентному) значение оптимального уровня измерения U составляет ~0,3U₀ (U₀ - амплитуда сигнала от сфокусированного изображения частицы), для r_к = 15 мкм его значение близко к 0,5U₀, а для освещения, близкого к когерентному, значение U ≅ 0,75U_o.
Эмпирическая зависимость значения оптимального уровня измерения от когерентности освещения приведена на фиг. 2. Заштрихованная область отражает разброс экспериментальных данных для диапазона размеров частиц от единиц до сотен микрон и изменении tgα от 0,1 до 0,6. Пунктиром на фиг. 2 нанесена кривая, описываемая выражением (1), приведенным выше.

Может быть рекомендовано также построение калибровочной зависимости оптимального уровня измерения, например, от отношения α_o/α.
Калибровочная кривая, снятая на конкретном устройстве, реализующем способ, более точно отражает искомое значение U, т.к. автоматически учитывает все особенности конкретной оптической системы формирования изображений, а также устройств их считывания и обработки. С ее помощью может быть уточнено значение U, найденное из (1).

Далее, из кривых, приведенных на фиг. 1, следует, что при любом уровне измерения (включая оптимальный) вблизи границ рабочего объема всегда имеются области (отмечены штриховкой), в которых из-за потери контраста амплитуда сигнала от расфокусированного изображения микрообъекта становится близкой к величине уровня измерения. Из-за искажения изображений и наличия шумов оптико-электронного тракта устройства, реализующего способ, размеры частиц, попадающих в данные области, могут измеряться со значительной погрешностью.

Уменьшение амплитуды сигнала при расфокусировке изображений микрообъектов используют в предлагаемом способе для исключения названных выше областей из рабочего объема устройства, реализующего способ. С этой целью селекцию расфокусированных изображений и выделение границ рабочего объема вдоль оси оптической системы осуществляют путем измерения параметров изображений только тех микрообъектов, амплитуда сигнала от которых отличается от оптимального значения U на величину, не менее среднеквадратичного значения шумов фотоприемника, содержащихся в сигнале от изображений исследуемых микрообъектов. Благодаря этому на дальнейший анализ поступят сигналы от изображений только тех микрообъектов, которые на установленном уровне U измерены с достаточной точностью (например, с погрешностью не более ± 1 - 2%) и наличие шумов в сигнале, практически, не влияет на результаты измерений.

Подобный же результат точного ограничения протяженности рабочего объема вдоль оси оптической системы может быть достигнут и путем измерения размеров изображений микрообъектов на дополнительном уровне сигнала U₁, отличающемся от уровня U, найденного из выражений (1), на величину не менее среднеквадратичного значения шумов фотоприемника, содержащегося в сигнале от изображений микрообъектов. При этом, если размер изображения на U₁ больше нуля либо отличается от размера на U не более, чем на некоторую заданную величину (например, на 30%), считают, что микрообъект находится в пределах рабочего объема и с заданной точностью измерен на основном уровне U. Сигнал от такого микрообъекта учитывают при расчете концентрации частиц в объеме и построении функции их распределения по размерам. В противном случае (например, размер на U₁ составляет менее 30% от размера на уровне U либо равен нулю, что означает уменьшение амплитуды сигнала от расфокусированного изображения до значения, меньшего U₁) считают, что микрообъект находится за пределами рабочего объема, его исключают из анализа, селектируя тем самым расфокусированные изображения, которые могли быть измерены с погрешностью, большей допустимой.

Измерение размеров изображений микрообъектов дополнительно не на одном, а на нескольких уровнях позволяет получать информацию о внутренней структуре микрообъектов (например, о наличии внутренних участков, более интенсивно поглощающих излучение источника, о наличии включений и т.д.).

Измерять описанным выше способом можно параметры микрообъектов, относительно медленно движущиеся в объеме, когда за время регистрации микрочастицы ее изображение заметно не "размывается" вследствие перемещения в плоскости фотоприемника. Под временем регистрации изображения здесь понимается промежуток времени от появления частицы в поле зрения системы формирования изображений до завершения его считывания либо до выхода частицы из поля зрения. Для предотвращения искажения изображений, вызванных движением исследуемых микрообъектов, их изображения проецируют на фотоприемник в режиме импульсного экспонирования. Импульсный режим экспонирования светочувствительного слоя фотоприемника осуществляют, например, путем использования импульсного источника излучения и/или путем электрического стробирования чувствительности фотоприемника. В результате получают как бы "застывшие" изображения движущихся частиц, в которых отсутствуют искажения, обусловленные их движением в пространстве. При последующем сканировании изображений получают видеосигнал (видеоимпульсы), амплитудно-временные характеристики которого определяются освещенностью и геометрическими параметрами изображений микрообъектов. Измеряя длительность видеоимпульсов на уровне U, определяемом выражениями (1) (в которых U₀ - амплитуда видеоимпульсов, полученных при сканировании сфокусированных изображений частиц), определяют геометрические параметры исследуемых микрообъектов.

Кроме того, из зависимостей, приведенных на фиг. 1 и 2, следует еще одно важное свойство изображений микрообъектов при частично когерентном освещении. Оно заключается в том, что путем изменения когерентности освещения и выбора соответствующего данной когерентности уровня измерения, в соответствии с выражениями (1) можно в широких пределах изменять размеры рабочего объема устройства, реализующего предлагаемый способ. Благодаря этому появляется возможность обеспечения надежной статистики измерений при исследовании микрообъектов в широком диапазоне их концентраций без увеличения времени набора информации. При этом измерения осуществляются с сохранением высокой точности определения геометрических параметров микрообъектов.

Лучший вариант осуществления изобретения
Предлагаемый способ реализуют с помощью устройства (фиг. 3), которое содержит импульсный источник излучения 1, оптическую систему осветителя 2 с устройством 3 установки когерентности светового пучка осветителя, оптическую систему формирования изображений микрообъектов 4, передающую телевизионную камеру 5, устройство обработки изображений 6, подключенное к выходу телевизионной камеры, видеомонитор 7 для наблюдения исследуемых микрообъектов.

Оптическая система осветителя 2 включает систему линз, реализующих, например, любой из известных методов освещения микрообъектов (освещение по Келлеру, критическое освещение и т.д.).

Устройство изменения когерентности освещения 3 содержит полосовой светофильтр с полосой пропускания Δλ ≪ λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны в полосе пропускания светофильтра, а также апертурную диафрагму, обеспечивающую за счет изменения диаметра диафрагмы регулировку радиуса когерентности (см. выше) светового пучка осветителя в пределах:
0,3λ_ср/A < r_к< 100λ_ср/A, (5)
где A - апертура объектива системы формирования изображений микрообъектов.

Оптическая система формирования изображений микрообъектов 4 представляет собой микропроекционную оптическую систему, формирующую изображения частиц на светочувствительном элементе передающей телевизионной камеры 5, которая преобразует изображения микрообъектов в видеосигнал.

Устройство обработки изображений 6 включает блок преобразования видеосигнала в цифровую форму и ЭВМ для обработки изображений микрообъектов, представленных в цифровой форме, а также для формирования архива изображений. При этом архив организован таким образом, что изображения микрообъектов, попавших в поле зрения оптической системы за все время набора информации, сгруппированы в одном или нескольких кадрах в горизонтальные (либо вертикальные) ряды в последовательности их попадания в поле зрения прибора. Такая организация архива позволяет осуществить оперативный контроль результатов измерений и качества обработки изображений путем вывода на экран дисплея изображений всех микрообъектов, проанализированных прибором.

Работают по предлагаемому изобретению следующим образом. Вначале проводят калибровку устройства, реализующего способ.

Задачами калибровки являются:
1. Определение размеров рабочего объема устройства.

2. Определение значения U₀ - амплитуды сигнала от сфокусированных изображений микрообъектов.

3. Определение U - оптимального уровня измерения геометрических параметров изображений микрообъектов.

Определение размеров рабочего объема устройства, реализующего предлагаемый способ, включает измерение размеров поля зрения a х b оптической системы формирования изображений микрообъектов, а также измерение протяженности Z рабочего объема вдоль ее оптической оси.

Измерение размеров поля зрения осуществляют традиционным для оптической микроскопии способом с помощью стандартного объект-микрометра. Объект-микрометр с ценой деления не более 10 мкм помещают в плоскость наводки оптической системы 4 (фиг. 3). Подфокусируют изображение и по экрану монитора 7 определяют размеры поля зрения в двух взаимно перпендикулярных направлениях (по горизонтали - a, по вертикали b).

Для определения размера рабочего объема Z вдоль оси оптической системы, а также значений U₀ и U, используют эталонные частицы, например, частицы латекса. Частицы осаждают на предметное стекло от микроскопа. Предметное стекло помещают в поле зрения устройства, реализующего предлагаемый способ. С помощью устройства, аналогичного микрометрическому винту микроскопа, подфокусируют изображение частиц латексов, наблюдая изображения на экране монитора 7.

Затем приступают к определению U₀ и U. С этой целью к выходу телевизионной камеры 5 подключают осциллограф и по нему определяют амплитуду видеоимпульса U₀ от сфокусированных изображений частиц.

Из выражений (1) рассчитывают значения U для различных значений α_o/α. Результаты расчетов заносят в память ЭВМ и используют в дальнейшем при проведении измерений.

Значения уровня измерения U могут быть получены и путем построения калибровочной кривой (например, U = f(α_o/α)> С этой целью снова подфокусируют изображения частиц латекса и фиксируют результаты измерения их геометрических параметров (например, размеров частиц). Затем для различных значений α_o/α производят серии измерений размеров частиц на различных уровнях сигнала U_i, при чем измерения осуществляют как для сфокусированных так и расфокусированных изображений. По результатам всех измерений для каждого значения α_o/α находят значение U, результат измерений на котором в меньшей степени зависит от смещения предметного стекла с частицами относительно плоскости наводки оптической системы. По полученным данным строят искомую калибровочную кривую.

С целью сокращения времени на калибровку устройства определение оптимального уровня U осуществляют в два приема. Вначале рассчитывают значение U по зависимостям (1) и результатам определения U₀ по осциллографу (см. выше). Затем в последовательности, изложенной выше, уточняют величину U для ряда значений α_o/α. По полученным данным строят искомую калибровочную зависимость
U = f(α_o/α).
После выполнения описанных выше операций определяют размер рабочего объема Z вдоль оси оптической системы 4 (фиг. 3). С помощью микрометрического винта вновь подфокусируют изображения частиц латекса. Включают устройство обработки 6 и измеряют геометрические параметры частиц латекса (например, диаметр, периметр, площадь поверхности и т.д.). С помощью микрометрического винта микроскопа производят расфокусировку изображений, продолжая периодически измерять частицы. По лимбу микрометрического винта отмечают расстояние Δz, при котором устройство прекращает регистрацию частиц из-за потери контраста изображения вследствие расфокусировки. Находят величину z = 2Δz. Подобные измерения проводят для различных значений α_o/α, т.е. при различной когерентности освещения. Данные измерений Z и a х b заносят в память ЭВМ и используют в дальнейшем при расчете концентрации исследуемых микрообъектов в объеме.

На этом калибровку прибора, реализующего предлагаемый способ, заканчивают и приступают к измерениям. Исследуемые микрообъекты пропускают через облучаемый объем, включают все блоки устройства. Наблюдают изображения микрообъектов на экране видеомонитора 7 (фиг. 3) и данные измерения на экране дисплея ЭВМ. По осциллографу фиксируют амплитуду сигнала от сфокусированных изображений исследуемых микрообъектов и при необходимости уточняют значения U₀ и U. Путем изменения апертурной диафрагмы блока 3 (фиг. 3) и установки соответствующего уровня измерения (найденного по калибровочной зависимости U = f(α_o/α). ) подбирают режим измерения с таким расчетом, чтобы за допустимое время набора информации τ устройство зарегистрировало, например, не менее 1000 микрообъектов. В этом случае погрешность измерений, обусловленная статистической обеспеченностью данных, окажется в пределах ~ 3%. Если требуется более надежное статистическое обеспечение измерений, то либо увеличивают время набора информации τ, либо уменьшают диаметр апертурной диафрагмы блока 3 (фиг. 3), увеличивая тем самым когерентность освещения микрообъектов и, следовательно, протяженность рабочего объема вдоль оси оптической системы 4 (фиг. 3).

При подборе когерентности учитывают, что максимальный размер объема когерентности светового пучка l_к (см. выражение (3)) в зоне облучения микрообъектов не должен превышать 30% от среднего расстояния между микрообъектами в пространстве.

Установив необходимый уровень измерения U, продолжают исследования микрообъектов. При этом измеряют геометрические параметры только тех микрообъектов, амплитуда сигнала от которых превышает значение U₁:
U₁ = U + U_ш,
где U_ш. - среднеквадратичное значение шумов передающей телевизионной камеры (паспортная характеристика).

Если в устройство обработки изображений 6 (фиг. 3) введена система шумоподавления с коэффициентом подавления шумов β, то можно измерять геометрические параметры микрообъектов, амплитуда сигнала от которых превышает значение U₂:
U₂ = U+U_ш./β (7)
За счет этого из рабочего объема исключают зоны (см. фиг. 1), в которых результаты измерений искажаются из-за наличия шумов в сигнале от микрообъектов (заштрихованные зоны).

Аналогичной цели достигают путем дополнительного измерения геометрических параметров микрообъектов на уровнях U₁ либо U₂. При этом в дальнейшем учитывают результаты измерения только тех микрообъектов, размеры изображений которых на U₁ (либо U₂) больше нуля.

В процессе проведения измерений все изображения микрообъектов, попавшие за время набора информации τ в поле зрения оптической системы 4 (фиг. 3), преобразуют в цифровую форму и заносят в память ЭВМ. После завершения набора информации и обработки сигналов на экран монитора 7 (либо дисплея ЭВМ) вызывают исходные (либо обработанные, например, подвергнутые шумоподавлению, контрастированию и т.д.) изображения микрообъектов. При этом изображения всех микрообъектов группируют в одном или нескольких кадрах для одновременного наблюдения и оперативной оценки качества автоматической обработки. В пределах кадра изображения группируют по морфологическим признакам (например, отдельно сферические и несферические), либо располагают в пределах кадра в последовательности их попадания в поле зрения оптической системы при наборе информации. В последнем случае по полученным данным судят о пространственных характеристиках ансамбля исследуемых микрообъектов.

Благодаря импульсному источнику излучения с помощью предлагаемого устройства исследуют микрообъекты как медленно, так и быстро движущиеся в объеме.

Промышленная применимость
Практическое использование предлагаемого изобретения позволит решать широкий спектр задач фундаментального и прикладного характера в различных разделах физики, химии и биологии, осуществлять непрерывный и оперативный контроль технологических процессов во многих отраслях промышленности, связанных с применением, либо производством различного рода микрообъектов, может найти применение в передвижных диагностических лабораториях оперативного реагирования и контроля экологической обстановки.

На фиг. 4 приведены результаты исследования качества монодисперсных латексов, выпускаемых одной из американских фирм и предназначенных для калибровки приборов. Исследования проведены с помощью устройства, изображенного на фиг. 3.

Из данных, приведенных на фиг. 4, следует, что средний диаметр частиц латексов, измеренный устройством, реализующим предлагаемый способ, равен 6,9 мкм, что совпадает с паспортными данными на латекс. Однако в суспензии наряду с основной массой частиц близких размеров присутствуют более крупные частицы, представляющие собой конгломераты основного типа частиц, хорошо наблюдаемые визуально на экране видеомонитора. Это обстоятельство необходимо учитывать при калибровке приборов, основанных на косвенных методах измерений и не имеющих возможности с достаточной достоверностью интерпретировать подобные результаты измерений.

На фиг. 5 представлены результаты исследования микроструктуры тумана, образующегося в результате появления микротрещин в паровом котле высокого давления. Видно, что в подобных условиях образуются капельки тумана с размерами от 0,5 до 7 мкм и функцией распределения, характерными для туманов, образующихся при турбулентном смешении газов [А.Г. Амелин Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М.: Химия, 1972, с. 86 - 110].

Преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что новая совокупность операций, составляющих способ, позволяет существенно (в несколько раз) снизить погрешность измерения размеров и концентрации микрообъектов в объеме по сравнению с прототипом. Это достигается путем решения трех основных и взаимосвязанных проблем, возникающих при исследовании микрообъектов в объеме посредством анализа их изображений:
1. Проблему определения истинных размеров микрообъектов, попадающих в процессе измерений не точно в плоскость наводки оптической системы формирования изображений (плоскость наводки - это плоскость в пространстве предметов, оптически сопряженная с плоскостью регистрации изображений). В этом случае изображение частицы обычно оказывается размытым и представляет собой по сути микроголограмму Габора (см. Дж. Гудмен Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1979, с. 270), где опорным пучком является световой пучок осветителя, а предметный пучок образуется в результате дифракции (в общем случае - рассеяния) света на частице.

2. Проблему точного определения размеров объема пространства, в котором осуществляется измерение параметров микрообъектов, что необходимо для расчета их концентрации. Сложность здесь заключается в определении положения границ рабочего объема вдоль оси оптической системы, поскольку размытие изображений при удалении частицы от плоскости наводки оказывается плавным и известными методами невозможно точно определить, начиная с какого удаления регистрирующее устройство перестает воспроизводить изображение частицы из-за потери контраста. И еще более сложная задача определить при каком смещении измеряемые размеры изображения микрообъекта перестают соответствовать его истинным размерам.

3. Проблему контролируемого изменения размеров рабочего объема, т.е. объема пространства, в котором измерение параметров микрообъектов осуществляется без увеличения погрешностей измерений.

В известном способе любые попытки увеличения (например) размеров рабочего объема с целью повышения статистической обеспеченности результатов измерений приводят к снижению разрешающей способности либо возрастанию погрешностей измерений, связанных с необходимостью определения геометрических параметров частиц, удаленных на значительные расстояния от плоскости наводки (т.е. измерения параметров сильно расфокусированных изображений).

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом является расширение его функциональных возможностей в случае исследований микрообъектов средствами автоматики. В предлагаемом способе появляется возможность оперативной оценки качества автоматической обработки изображений и выявления дополнительных свойств микрообъектов, не предусмотренных программой обработки. Эта возможность реализуется путем накопления в памяти ЭВМ изображений различных микрообъектов, попавших в поле зрения оптической системы за все время набора информации, группировки этих изображений в одном или нескольких кадрах для оперативного визуального контроля. При этом в пределах кадра изображения могут быть сгруппированы как по морфологическим признакам, так и расположены в кадре в последовательности их попадания в поле зрения оптической системы, что дает возможность оперативной оценки морфологических и пространственных свойств ансамбля исследуемых микрообъектовс

Изобретение относится к средствам для исследования и анализа частиц и материалов с помощью оптических средств и может быть использовано в медицинских исследованиях, геофизике, механике, химии, порошковой металлургии, при контроле загрязнений окружающей среды и т.д. Сущность изобретения состоит в том, что исследуемые микрообъекты облучают пучком излучения, максимальный линейный размер объема когерентности которого в зоне облучения микрообъектов не превышает 30% от среднего расстояния между частицами в пространстве. С помощью оптической системы формируют изображения исследуемых микрообъектов и после считывания измеряют их геометрические параметры на уровне сигнала, зависящем от когерентности освещения и апертурного угла оптической системы формирования изображения. Изобретение позволяет повысить точность измерений. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ исследования микрообъектов, включающий облучение изучаемых объектов частично когерентным излучением, формирование их изображений, считывание и последующий анализ сигналов от изображений микрообъектов, отличающийся тем, что микрообъекты облучают пучком излучения, максимальный линейный размер объема когерентности которого в зоне облучения микрообъектов не превышает 30% от среднего расстояния между микрообъектами в пространстве, измеряют геометрические параметры изображений микрообъектов на уровне сигнала от них, значение которого устанавливают в зависимости от когерентности освещения таким образом, что при выбранной когерентности освещения оно соответствует минимальным изменениям размеров изображений микрообъектов, вызываемых расфокусировкой. 2. Способ исследования микрообъектов по п.1, отличающийся тем, что формирование изображений осуществляют с помощью оптической системы. 3. Способ исследования микрообъектов по п.1, отличающийся тем, что геометрические параметры изображений микрообъектов измеряют на уровне сигнала, значение которого устанавливают при калибровке либо определяют по зависимости:

где α,α_o - плоские апертурные углы системы формирования изображений и облучающего пучка, соответственно, причем α_o следующим образом связан с максимальным размером объема когерентности I_k облучающего пучка
U_o - амплитуда сигнала, полученного при считывании сфокусированных изображений исследуемых либо калибровочных (эталонных) микрообъектов;
λ - средняя длина волны в спектре излучения. 4. Способ исследования микрообъектов по п.1, отличающийся тем, что измеряют параметры изображений только тех микрообъектов, амплитуда U сигнала от которых отличается от установленного уровня измерений на величину не менее среднеквадратичного значения шумов фотоприемника, содержавшихся в упомянутом сигнале. 5. Способ исследования микрообъектов по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют геометрические параметры изображений микрообъектов по крайней мере еще на одном уровне сигнала от них. 6. Способ исследования микрообъектов по п.1, отличающийся тем, что при изучении микрообъектов в потоке их изображения проецируют на фотоприемник в режиме импульсного экспонирования, сканируют полученные изображения и измеряют параметры видеосигнала от них. 7. Способ исследования микрообъектов по п.6, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника используют линейки или матрицы светочувствительных элементов. 8. Способ исследования микрообъектов по п.1, отличающийся тем, что изменение размеров объема пространства, в котором исследуют микрообъекты, осуществляют путем одновременного изменения когерентности освещения и значения уровня измерения U параметров изображений микрообъектов. 9. Способ исследования микрообъектов по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что анализ микрообъектов производят автоматически с помощью ЭВМ, для этого в процессе сканирования изображения микрообъектов заносят в память ЭВМ и измеряют их параметры, после чего изображения микрообъектов выводят на экран дисплея, группируя все изображения в одном или нескольких кадрах, затем визуально оценивают результаты автоматического анализа и выявляют дополнительные свойства микрообъектов, определение которых не предусмотрено программой ЭВМ.