Короткі теоретичні відомості. У сучасній медичній практиці при проведенні діагностичних досліджень та виконанні внутрішньопорожнинних операцій застосовується оптоелектронна апаратура

У сучасній медичній практиці при проведенні діагностичних досліджень та виконанні внутрішньопорожнинних операцій застосовується оптоелектронна апаратура, до складу якої входять мініатюрні твердотільні інтегральні матриці, виконані на приладах із зарядовим зв'язком (ПЗЗ). У таких матриць основою принципу дії є внутрішній фотоефект і вони можуть працювати як у видимій, так і інфрачервоній (ІЧ) областях спектру. Вони стали основою для створення сучасних цифрових фотоапаратів, відеокамер, приладів нічного бачення, цифрових мікроскопів та інших оптоелектронних приладів.

Типова структурна схема кольорового цифрового оптоелектронного приладу на основі ПЗЗ показана на мал. 6.28.

Малюнок 6.28- Структурна схема цифрового відеопристрою

У схемі вхідне випромінювання (ВВ) об'єкту спостереження сфокусоване оптичною системою (ОС) на матриці ПЗЗ. Ці матриці MR,MG, формують сигнали: R, G, B (червоного [Red], зеленого [Green], синього [Blue]) зображень. Вони управляються блоком управління БУ, а їх вихідні сигнали посилюються попередніми підсилювачами (ПП). Далі поступають на аналогово-цифрові перетворювачі АЦП, що формують цифрові коди сигналів зображення по каналах R, G, B. Ці цифрові коди поступають на процесор обробки інформації (ПОІ), який автоматично управляється схемою балансу білого (СББ) або яркістю сигналу. Вихідні цифрові коди схеми СББ через пристрій сполучення (ПС) поступають на вихідний пристрій (ВП), роль якого може виконувати персональний комп'ютер (ПК) або дисплей.

Тут слід зазначити, що за допомогою світлофільтрів потік променів зображення на виході ОС повинний розділятися на три спектральних складових R, G, B. Це може бути досягнуто шляхом застосування трьох окремих матриць ПЗЗ з розділенням потоку променів трьома світлофільтрами. Прийнятною конструкцією ОС є застосування однієї комбінованої матриці ПЗЗ, елементи якої утворюють R, G, B тріади спільно з ускладненим накладним світлофільтром. Типова ПЗЗ матриця або ПЗЗС-СЕНСОР містить декілька сотень тисяч світлочутливих елементів, званих пікселями, що мають розміри 3613мкм. Типовим розмірам ПЗЗ матриці відповідають 542 елементи по горизонталі (Н) і 404 елементи по вертикалі (V), тобто всього 218968 пікселів. На поверхню ПЗЗ- сенсора накладено кольоровий растровий фільтр, який пропускає на кожний парний стовпець сенсорних елементів тільки зелене G світло, а на елементи непарних стовпців – поперемінно червоне R і синє B світло, мал. 6.29, а.

Кожний елемент є МОП конденсатор, що містить прозорий електрод 1, розділений шаром оксиду або ізолятора 2, що нанесені на шар р-кремнію. Для електричного з'єднання нанесено контактний електрод 4. Накопичення та зберігання зарядів у потенційній ямі залежить від енергетичної освітленості матеріалу, що відповідає освітленості елементу.

Малюнок 6.29- Розташування елементів RGB кольорового фільтра (а) і

чарунка ПЗЗ сенсора (б)

За допомогою фазових послідовностей імпульсів напруги можна сформувати рухливі потенційні ями та організоване послідовне перенесення зарядів у Н і V напрямах по поверхні світлочутливого шару.

Сукупність суміжних МОН чарунок, якими послідовно переміщаються зарядові пакети, називається зсувним регістром. Кожному стовпцю сенсорів ПЗЗ матриці відповідає окремий вертикальний або V регістр. Виходи цих V регістрів приєднані до горизонтального зсувного Н регістра, число каскадів якого дорівнює числу елементів у рядку. Одержана цифрова інформація вводитися у комп'ютер, де записується у пам'ять і може бути багато разів використана з необхідною обробкою.

Розглянемо питання про збільшення мікроскопа та передачу зображень дрібних об'єктів.

Необхідно врахувати, що цифровий мікроскоп не може розрізнити деталі зображення, розмір яких у фокальній площині менші розміру елемента матриці ПЗЗ. Мінімальний розмір елементу зображення визначається аберацією оптичної системи і може бути прийнятий рівним:

, (6.1)

де - довжина хвилі зеленого світла, що знаходиться у центрі спектра білого світла.

Якщо вважати, що розміри пікселя складають одиниці мікрон, то вирішальна здатність мікроскопа обмежена величиною елементів матриці ПЗЗ. Тому, для підвищення дозволу за кутовими координатами, необхідно вибирати короткофокусний об'єктив з малою точкою зору .

град, (6.2)

де Z – число рядків зображення у растрі.

Слід урахувати, що мінімальний розмір елементу зображення на екрані дисплея визначається фокусуванням електронних променів і складає десяті долі міліметра. При цьому відбувається ніби то додаткове збільшення зображення на екрані. Загальне збільшення Г мікроскопа може бути знайдено у вигляді :

, (6.3)

де - фокусні відстані вихідної і вхідної лінз об'єктиву.

Збільшення Г може регулюватися, при цьому з його зростанням знижується кут і зменшується величина . У даному випадку говорять про зростання роздільної здатності за кутами спостереження.

Для вимірювання лінійних розмірів об'єктів спостереження використовується метод порівняння. У поле зору вводитися об'єкт, розміри якого відомі, або еталон. Визначивши розмір об'єкту цього еталонного предмету та розміри зображення об'єкту, можна знайти пропорцію:

(6.4)

Дисперсія помилки вимірювання оцінюється через дисперсії величин, що входять у формулу:

(6.5)

Використовуючи такий мікроскоп, зручно спостерігати біологічні та технічні об'єкти.