视频显微镜成像技术的应用研究＊

2018-11-21王伟永

科技与创新 2018年21期

王伟永

视频显微镜成像技术的应用研究＊

王伟永

（广东技术师范学院，广东广州 510665）

视频显微镜是数码显微镜的别称，是通过光学显微镜将接收到的实物图像经过数模（DA）转换，将实物成像在显微镜集成的显示屏或外接电脑设备上。因此，对微观领域的研究从传统的人眼观察转变为显示屏再现，既方便记录研究过程，又大大提高了工作效率[1]。从视频显微镜成像技术的背景出发，对视频显微镜的结构、视频显微镜的原理、视频显微镜与传统光学显微镜的区别进行分析，综述视频显微镜成像技术在多个领域的应用情况。由于视频显微镜用途广泛，将选择办案侦查、科学研究、工业应用等三个方面进行介绍。

视频显微镜；成像技术；区别分析；工业应用

1 发展背景

视频显微镜的发明雏形是拍照显微镜，即将传统光学显微镜下形成的放大像通过照相机的镜头，投射到相机的感光底片上，从而实现对物体放大像的记录，但这种方法显得不灵活，不能实时记录。后来随着CCD摄像机的广泛使用，光学显微镜与CCD的结合成为显微镜发展史的一个重大突破，显微镜能通过摄像机实时地把图像呈现在显示屏上，同时支持相机拍摄记录研究对象的瞬间影像，方便快捷，极大缓解了人眼观察面临的压力。而随着信息技术的快速发展，软硬件行业的性能也不断升级，视频显微镜集成了强大的影像处理软件，使得视频显微镜在各个行业中的地位大大提升。视频显微镜成像技术在硬件方面结合了光学显微镜系统、光电转换器件、液晶显示屏技术等多项技术，软件方面则搭配了相应的图像处理和测量软件，能实现对图像的观察、测量、结果记录、后期处理、打印输出等功能，从而大大提高工作人员的效率，而且操作相比于传统的目视光学显微镜简单了许多，有力减少了操作人员的培训成本，避免了因长期人眼直接透过目镜观察物体导致的健康问题。

2 原理及构造

视频显微镜的放大倍率具有超高的连续可调的功能，其变焦能力也具有可连续调节，测量时可通过视频显微镜上搭配的图像采集软件，收集显示屏或计算机上观察到的一定放大倍数的图像，再利用搭配的图像分析软件直接对放大图像直接进行三维定量测量，并在图像上直接叠加测量标记。视屏显微成像技术主要构成见图1，它包括传统显微镜光学系统（比如镜头、光阑等元件）、CCD光电转换器件、图像传输光纤、主控制器（比如计算机）和彩色显示屏等部分[1]。

3 与传统目视显微镜的区别

传统光学显微镜利用光学原理，即二次成像原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像。基本组成包括载聚光照明系统、物镜、光阑、目镜、调焦系统、载物台等。被观察的物体放置在载物台上，调焦系统主要为物理调焦，转动调焦旋钮可以驱使载物台上下运动进行粗调和微调两种操作，或者有些显微镜通过调节显微镜目镜升降起到调焦作用，使物体能清晰成像。聚光照明系统通常由光源和聚光透镜组成，常见的照明系统为科勒照明系统，其功能是使被观察部位有足够的光照射，照明光源的光谱特性必须适应于显微镜接收器的工作波段。物镜是实现第一级放大的透镜，位于被观察物体的附近。通常显微镜配置物镜装换器用以切换不同放大倍率的物镜。目镜是实现第二级放大的透镜，位于人眼附近，按照观测视场的大小，目镜可分为较小视场的普通目镜和较大视场的广角目镜。载物台和物镜都能沿物镜光轴方向作相对运动以进行调焦操作。

图1 视频显微镜系统[1]

视频显微镜的光学显微镜系统构成与传统显微镜基本相同，区别在于视频显微镜不仅能依靠光源及光学器件系统，具备传统显微镜拥有的物体放大功能，还能利用光学显示屏、光源、电子电路以及测量软件集成的图像处理模块来扩大图像。传统光学系统要求操作者对图像的清晰度和景深比较敏感，熟练的工作人员一般能轻松调试，新手一般都较难上手，而视频显微镜则有效克服了这方面的缺点，其优势主要体现在以下几点[3]：①视频显微镜能完整保存各种观测到的显微效果，并输出为文档格式，为不同部门或研究机构之间的资料共享提供便利，而传统目视显微镜仅能利用人眼直接观察，而不方便记录观测结果；②能通过计算机实现影像实时共享，满足多人同时观测的要求，而传统目视显微镜仅能单人操作观察，可能会导致不同的人观测的结果不同；③图像通过显示器呈现出来，极大减少眼睛工作强度，避免眼部劳损，而传统目视显微镜则很容易造成视觉疲劳，给眼睛带来伤害；④具有成像测量模块，能够对观测图像进行测量、记录、输出等操作，传统目视显微镜的功能较为单一，仅供观察，或者通过安装标尺元件进行简单测量；⑤视频显微镜用途广泛，是现代科学仪器仪表发展到一定高度的产物，而传统目视显微镜的应用领域比较窄。

4 研究现状

视频显微镜的应用广泛，能满足现代生物、医药、环境、农林、化工、微电子、半导体等领域的检测要求，广泛用于学校教学、生物工程、科学研究、工业装配、测试测量、品质控制等领域。本文不对每个领域进行详细繁杂介绍，主要针对以下3个应用方向进行案例分析。

4.1 办案侦查

视频显微镜能提高微量物证的发现率和提取率，提升检验鉴定水平，湖北省公安厅刑侦总队的周绪锦等人[2]用一台KEYENCEVHS-600E数码显微镜对警用转轮枪弹头、弹壳进行了观测，通过观察对焦、配光、景深和测量标尺等环节的调节，得出数码显微镜成像技术在微小、微量痕迹的物证外观鉴定和观察、显微成像等方面相对于传统方法具有巨大优势，能有效用于物证侦查、文检、痕检、理化、影像等法庭科学领域。

4.2 教育教学和科学研究

视频显微镜在生物研究领域的作用不可替代，如细胞生物学、胚胎或样品的培育等研究都需要显微镜进行实时监测，2017年美国纽约纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Eileen Flores以反射共聚焦显微镜（Reflectance confocal microscopy，RCM）作为观察工具，进行视频采集和视频拼接，通过检测病变皮肤细胞外周和深皮肤边缘检测残余基底细胞癌与鳞状细胞癌，以及观察正常皮肤核和细胞形态的特征，以评估在莫氏显微手术（Mohs micrographic surgery，MMS）中的癌症边缘[4]。在教育教学方面，生物个体或者其他微小物体的外表观测是教学内容的重要实践环节，如草履虫、生物细胞的形态结构介绍，在有限的课程时间内，由于学生水平的差异，难以保证每位同学的教学内容都能落实到位，而视频显微镜的引入克服了学生操作水平差异造成的不良因素，能将微观的事物通过屏幕呈现给每位学生，有利于实验示范和学生整体认知的提高[5]。

4.3 工业应用

在工业应用方面常见的有半导体加工检测和微电子装配，如图2所示。随着现代工艺技术的提升，各种元件的发展趋势逐渐小型化、精密化，因此难以单凭人眼进行加工检测，视频显微镜能很好地对这些领域的工艺进行辅助观察。在纺织领域，视频显微镜可用于纺织材料的显微观察分析、异形截面纤维特征显微观察分析、纱线的直径测试、纱线结构分析等操作，用视频显微镜对纺织材料显微摄影能较为方便快捷地对纤维、纱线和织物的图像记录，监测织物的性能优劣。总之，凡是传统显微镜能应用到的领域，视频显微镜也能胜任，甚至在某些方面更优，证实了视屏显微成像技术是一项有效的对微观领域进行观测的成像技术。