УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ МИКРООБЪЕКТОВ Российский патент 2014 года по МПК G02B21/00 

Изобретение относится к оптическим приборам, а именно к устройствам для получения изображения микрообъектов, и может быть использовано в комплексах исследовательского оборудования космических аппаратов.

В космических экспериментах постоянной проблемой является противоречие между необходимостью получения большого объема научной информации и ограниченными техническими возможностями линии связи. Хорошим примером может послужить международный проект исследований спутников Юпитера. Гипотетические микроорганизмы, поиск которых предполагается провести методами телевизионной микроскопии в образцах исследуемого материала, будут находиться, например, в жидкой капле захваченной среды. Ожидается, что их концентрация будет очень низкой, поэтому значительная часть передаваемой информации окажется бесполезной загрузкой радиолинии, в то время как возможности радиолинии для передачи научных данных на Землю крайне ограничены.

При этом в общем случае для поиска микроорганизмов в исследуемой среде микроскопия все же наиболее предпочтительна, т.к. дает прямой, «визуальный» ответ, не допускающий неоднозначное толкование. На аппарате ФЕНИКС (Марс, NASA, 2004-2006) были установлены 2 телевизионных микроскопа для получения и передачи изображения. Для близкого Марса и аппарата с направленной антенной такое решение приемлемо. Но в случае всенаправленной антенны, как на посадочном аппарате для исследования спутников Юпитера, большой размер файла микроскопических изображений предъявляет слишком высокие требования к передаче информации на Землю. Существование густонаселенных колоний микроорганизмов на космических объектах вряд ли можно ожидать, поэтому изображение, полученное с помощью микроскопа, установленного в аппаратуре космического аппарата, может либо не содержать никакой информации, либо полезная информация может составлять ничтожную часть передаваемых данных, что делает перспективу эксперимента сомнительной.

Известно устройство для получения изображения микрообъектов, включающее микрокювету, систему освещения, основную систему регистрации в виде ПЗС-матрицы и оптические элементы, образующие микроскоп (см. заявку WO 2008154869, кл. G02B 21/36, опубл. 24.12.2008). В свете вышеизложенного недостатками известного устройства являются избыточность регистрируемой информации и невозможность идентификации наличия в исследуемой среде микрообъектов.

Известно также техническое решение, а именно статья «Модифицированный лазерный дифрактометр для исследования биологических микрообъектов», Е.Т. Аксенов, Д.В. Мокрова. Письма в ЖКТ, 2008, том 34, вып.20, 26.10.2008, всего - 6 страниц, содержащий микрокювету, систему освещения, основную систему регистрации в виде ПЗС-матрицы, а так же аналитическое устройство, состоящее из источника когерентного монохроматического излучения, дополнительной системы регистрации и электронного блока, обеспечивающего возможность распознавания дифракционных колец (стр.39 строки - 2, 4, стр.40 строка - 2, стр.41 строки - 1-3, стр.43, строки - 2-3, рисунок 1). В этом устройстве для получения изображения микрообъектов не обеспечивается возможность определения местоположения дифрагирующего микрообъекта.

Задачей изобретения является обеспечение возможности автоматически находить исследуемые микрообъекты и направлять для передачи через радиолинию содержательную информацию. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства и, как следствие, обеспечении возможности уменьшения объема регистрируемых с помощью микроскопа данных при значительном увеличении их информативности. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для получения изображения микрообъектов, включающее микрокювету, систему освещения, основную систему регистрации в виде ПЗС-матрицы и оптические элементы, образующие микроскоп, снабжено аналитическим устройством, состоящим из источника когерентного монохроматического излучения, дополнительной системы регистрации и электронного блока, обеспечивающего возможность распознавания дифракционных колец и определения местоположения дифрагирующего микрообъекта, при этом система освещения снабжена автоматическим устройством перемещения, соединенным с диагональным зеркалом, причем автоматическое устройство перемещения по сигналу электронного блока аналитического устройства обеспечивает расположение системы освещения между источником когерентного монохроматического излучения и микрокюветой, а диагонального зеркала - между микрокюветой и дополнительной системой регистрации. Источник когерентного монохроматического излучения и дополнительная система регистрации предпочтительно жестко закреплены напротив микрокюветы с разных сторон от нее.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства в момент функционирования аналитического устройства;

на фиг.2 - то же, в момент функционирования микроскопа.

Предлагаемое устройство содержит микрокювету 1, систему получения изображения и аналитическое устройство. Система получения изображения состоит из системы освещения 2 в виде диодной подсветки, диагонального зеркала 3, основной системы регистрации 4 в виде ПЗС-матрицы и оптических элементов 5 (на чертежах показаны условно), образующих микроскоп. Аналитическое устройство (дифрактометр), в свою очередь, состоит из источника когерентного монохроматического излучения (лазера 6 со сканером 7), дополнительной системы регистрации 8 также в виде ПЗС-матрицы и электронного блока (позицией не обозначен), способного по данным системы регистрации 8 распознавать дифракционные кольца и определять местоположение дифрагирующего микрообъекта. В начальном положении лазер 6 и система регистрации 8 жестко закреплены напротив микрокюветы 1 с разных сторон от нее. В случае, если электронным блоком распознана система дифракционных колец, по его сигналу срабатывает автоматическое устройство перемещения (позицией не обозначено) в виде пластинчатого подвеса, управляемого электромагнитом (что позволяет избежать механического скольжения или вращения), которое располагает систему освещения 2 между лазером 6 и микрокюветой 1, а диагональное зеркало 3 - между микрокюветой 1 и системой регистрации 8 (фиг.2).

Работа предлагаемого устройства опирается на оптический принцип, связанный с явлением дифракции (см. Born, М. and Wolf, E., Principles of Optics, 6-th edition, Pergamon Press Ltd., 1980, pp.370-458; Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., Наука, 1973. Гл. 8-10). Когда когерентное излучение падает на тонкий слой исследуемой среды (например, плоскую микрокювету 1), включенные в нее неоднородности образуют дифракционные кольца на экране, расположенном за исследуемой средой. В предлагаемом устройстве экраном является система регистрации 8. Аналитическое устройство (дифрактометр) работает в качестве детектора объектов, концентрация которых невелика, и определяет их положение и размеры по возникающим кольцам. Если лазерный луч встречает небольшое препятствие в микрокювете 1, в системе регистрации 8 формируется соответствующая дифракционная картина. Если размер микрообъекта D, а длина волны λ=0.9 мкм, то угол Ф, образующий кольцо, есть Ф=1.22λ/D. Соответственно, если расстояние увеличения L=50 мм, а первый дифракционный диск составляет 2R=1.9 мм, угол Ф=1.9/50=3.8·10^-2, а размер микрообъекта D=1.22 λL/R=0.028 мм.

Полученное изображение колец передаче по радиолинии не подлежит, но расположение колец используется для программного вычисления координат каждой неоднородности (например, микроорганизма) в исследуемой среде. Одновременно кольца позволяют определить размеры малых объектов, так как чем меньше размер объекта D, тем больше радиус первого кольца дифракции R~1/D. Затем соответствующие малые участки исследуемой среды по найденному их положению подвергаются сканированию с помощью микроскопа, и только полученное микроизображение вместе с его характеристиками передается по радиолинии. Таким образом, удается избежать получения и передачи бесполезной информации. Если неоднородности не найдены, система переходит к следующему циклу измерений.

Таким образом, процесс измерений состоит из двух шагов.

Шаг 1. Выполняется поиск и регистрация возникающих в дифрактометре дифракционных колец. Указанный поиск выполняется путем сканирования образца когерентным параллельным пучком лазера 6 через сканер 7. Кольца регистрируются системой 8 (фиг.1). В эскизном проекте для объекта с размером D=28 мкм (диапазон размеров 0,9-28 мкм примерно соответствует средним размерам земных бактерий) радиус первого дифракционного кольца составляет R=1,9 мм. Изображение с обнаруженными кольцами используется для вычисления координат искомых объектов.

Шаг 2. Выполнятся сканирование выбранных участков изображения микрокюветы 1 с помощью микроскопа. Для этого в канал измерений вводятся система освещения 2 и диагональное зеркало 3. Лазер 6 и дополнительная система регистрации 8 отключаются, действуют оптические элементы микроскопа 5 и основная система регистрации 4 (фиг.2) Система освещения 2 подсвечивает микрокювету 1, оптические элементы 5 строят ее увеличенное изображение на плоскости системы регистрации 4. выбранные фрагменты (микроизображения) заносятся в память и передаются по радиолинии.

Разумеется, обнаруженные объекты не обязательно будут микроорганизмами. Если оснастить прибор программой интеллектуального анализа, можно изображения включений с заведомо неорганической природой не передавать.

Технические характеристики устройства зависят от конкретной задачи. Для миссии к спутникам Юпитера, согласно эскизному проекту, мощность, потребляемая камерой, составит 2 Вт, а масса прибора около 0,6 кг. При использовании программного сжатия изображения размер передаваемого файла может составлять всего 2 кБ.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обойти ограничения, накладываемые узкополосной телеметрической системой, и преодолеть противоречия между обнаружением интересных объектов и передачей данных при поиске микроорганизмов методом телевизионной микроскопии.

Изобретение относится к оптическим приборам, а именно к устройствам для получения изображения микрообъектов, и может быть использовано в комплексах исследовательского оборудования космических аппаратов. Устройство для получения изображения микрообъектов включает микрокювету, систему освещения, основную систему регистрации в виде ПЗС-матрицы и оптические элементы, образующие микроскоп. Устройство снабжено аналитическим устройством, состоящим из источника когерентного монохроматического излучения, дополнительной системы регистрации и электронного блока. Электронный блок обеспечивает возможность распознавания дифракционных колец и определения местоположения дифрагирующего микрообъекта. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства и, как следствие, обеспечение возможности уменьшения объема регистрируемых с помощью микроскопа данных при значительном увеличении их информативности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для получения изображения микрообъектов, включающее микрокювету, систему освещения, основную систему регистрации в виде ПЗС-матрицы и оптические элементы, образующие микроскоп, отличающееся тем, что оно снабжено аналитическим устройством, состоящим из источника когерентного монохроматического излучения, дополнительной системы регистрации и электронного блока, обеспечивающего возможность распознавания дифракционных колец и определения местоположения дифрагирующего микрообъекта, при этом система освещения снабжена автоматическим устройством перемещения, соединенным с диагональным зеркалом, причем автоматическое устройство перемещения выполнено с возможностью обеспечения по сигналу электронного блока аналитического устройства расположения системы освещения между источником когерентного монохроматического излучения и микрокюветой, а диагонального зеркала - между микрокюветой и дополнительной системой регистрации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник когерентного монохроматического излучения и дополнительная система регистрации жестко закреплены напротив микрокюветы с разных сторон от нее.