מיקרוסקופ דיגיטלי

אחד המכשירים השימושיים בתחום המחקר ופיתוח ובתחום בקרה האיכות הוא מיקרוסקופ. בשנים האחרונות, לאור התפתחות הטכנולוגיה בנושא עיבוד תמונה, אופטיקה וצילום, פותח מכשיר המשלב מיקרוסקופ, מצלמה, מחשב, יחידת עיבוד תמונה ותצוגה. מכשיר זה המכונה "מיקרוסקופ דיגיטלי" נראה כמו מיקרוסקופ רגיל עם מצלמה, אך הוא כולל פונקציות ואיכויות שאינם קיימות במיקרוסקופ רגיל.

מושגים חשובים

הגדלה:

אחד הפרמטרים החשובים ביותר המגדיר את ההגדלה הנוצרת כתוצאה מהאופטיקה. במיקרוסקופ אופטי ההגדלה מוגדרת כיחס בין זווית הראייה, בה רואים את הבבואה המדומה דרך העדשה, לבין זווית הראייה בה היינו רואים את העצם בעין בלתי מזוינת במרחק הקרוב ביותר שמאפשר ראייה נוחה.

במיקרוסקופ דיגיטלי ההגדלה מוגדרת בצורה אבסולוטית, כלומר ההגדלה על גבי מסך של 15 אינץ'. בשיטה זו ניתן על פי ההגדלה לדעת מראש באיזה גודל ייראה האובייקט על גבי המסך, בהתאם להגדלה שנבחרה.

חיישן:

איכות, סוג וגודל החיישן שבמצלמה קובע גם כן את איכות התמונה שתתקבל. קיימים שני סוגים עיקריים לחישנים במצלמות: CMOS ו- CCD. גודל התמונה שייוצר לבסוף נקבע על ידי כמות הפיקסלים בחישן. גדלים סטנדרטיים הם 640x480 פיקסלים, או רזולוציה גבוהה של 1600x1200 פיקסלים.

כאשר נדרש לראות תמונה צבעונית משתמשים בחיישן שרגיש לצבע. בחיישן זה כל פיקסל יהיה מחולק לשלושה אזורים שכל אחד מהם יהיה רגיש לצבע יסוד אחר: אדום, ירוק וכחול. החיסרון בחיישן צבעוני הוא שמתבצע מיצוע של עצמת שלושת הצבעים בכל פיקסל כדי לקבל את הצבע הסופי. כל שליש פיקסל באופן מעשי נמצא במיקום אחר, מה שגורם לשגיאה מסוימת בתוצאה הסופית. בעיה זו ניתנת לפתרון בעזרת שיטת 3CCD, שתפורט בהמשך.

הפרדת צבעים:

עצמת הסיגנלים מכל שליש פיקסל מופרדת לכמות של רמות, או מספרים דיגיטליים, במערכת הממוחשבת. כך שלדוגמה, אם יש הפרדה של 8 ביט יהיו 256 רמות לכל שליש פיקסל (0-255). הרמה הנמוכה ביותר – 0 מייצגת את הצבע הכהה ביותר(שחור) והרמה הגבוהה - 255 תייצג את ערך הבהיר ביותר של אותו צבע. סה"כ כמות הצבעים תהיה 256 בחזקת 3– מעל 16 מליון צבעים שונים. בערכות מתקדמות כדוגמת VHX-5000, ההפרדה היא 16 ביט, כלומר 65,536 רמות לכל צבע יסוד ולמעלה מ-   281,400,000  מליון צבעים שונים.

עומק שדה פוקוס:

זהו פרמטר אופטי, הקובע את טווח המרחק מהאובייקט הנבדק שבו הוא נראה בצורה ברורה. ככל שההגדלה יותר גדולה, כך עומק השדה קטן יותר. לדוגמה, אם נסתכל תחת מיקרוסקופ על צורת קונוס, שבה החלק התחתון מרוחק יותר – נקבל אזור מפוקס אחד בלבד והיתר ייראה בצורה מטושטשת.

כדי לשפר את שדה הפוקוס, יש להשתמש בעדשות איכותיות. שיטה נוספת הקיימת רק במיקרוסקופ דיגיטלי נקראת DFD – Depth From Defocus. מה שמתבצע זה תנועה של המצלמה בציר  Z תוך כדי צילום,  כאשר האזור המפוקס נמצא בחלק התחתון ביותר של האובייקט ועד למיקום הפוקוס בחלק העליון ביותר. מערכת עיבוד התמונה תבצע קומפוזיציה של כל האזורים המפוקסים בכל התמונות שנלקחו ותייצר תמונה אחת מפוקסת בכל העומק. מערכת עיבוד התמונה מבצעת קורלציה בין מיקום בציר ה-Z לבין האזורים המפוקסים ויוצרת תמונת תלת מימד של האובייקט.

החידושים במיקרוסקופ דיגיטלי לעומת מיקרוסקופ אופטי.

כאמור, מלבד איכויות ונוחות תפעול, מיקרוסקופ דיגיטלי כולל תכונות שפותרות כמה בעיות:

עומק שדה – ככל שנשתמש באופטיקה מדויקת ומשוכללת, לא ניתן להגיע לעומק שדה גדול כאשר משתמשים בהגדלות גדולות. שיטת DFD בשילוב עם עדשות מדויקות מאפשרת יצירת תמונות עם עומק שדה כמעט ללא הגבלה.

קשה מאוד לצפות באובייקטים מזוויות שונות – ברוב המיקרוסקופים אין אפשרות להביט במטרה מזוויות שונות. במיקרוסקופ דיגיטלי ניתן לאחוז במצלמה ביד, או להתקינה על מעמד אם אפשרות לכיוון זווית הצפייה.

מדידות – יש מיקרוסקופים סטנדרטיים עם מצלמה שמאפשרים לבצע מדידות, אולם הם דורשים לבצע כיול בכל פעם. מיקרוסקופ דיגיטלי מבצע את כיול המדידה באופן אוטומטי, בעזרת זיהוי ההגדלה וקביעת המידות בהתאם. אין מקום לשגיאות מפעיל.

קשה לקבוע צורה אמיתית של אובייקט ממבט על – כאשר רואים תחת המיקרוסקופ נקודת גובה שונה לא ניתן לקבוע האם מדובר בשקע או בבליטה. מיקרוסקופ דיגיטלי יבצע תמונת תלת מימד שלא תשאיר מקום לספק.

שדה ראייה קטן – כאשר משתמשים בהגדלות גדולות, שדה הראייה קטן ולא ניתן לראות את התמונה הכוללת. כדי לראות תמונה יותר גדולה יש צורך בהקטנת ההגדלה באופטיקה, מה שפוגע בכמות הפרטים וברזולוציה. בעזרת שימוש בזיהוי תבנית האובייקט (Pattern Matching) ניתן  "לתפור" תמונות תוך כדי הזזת האובייקט ולאחד לתמונה אחת ברזולוציה גבוהה מאוד ולקבל הגדלה ללא פשרות ושטח גדול. פונקציה זו נקראת Stitching.

תמונה של הדפסה על בד ממיקרוסקופ VHX-5000 בהגדלה x500

תמונה מורכבת (stitched) של כנף של יתוש

בחירת מיקרוסקופ דיגיטלי:

איכות העדשה – כמו בכל מצלמה, איכות התמונה תלויה במידה רבה באיכות העדשה. למרות שיש שימוש בעיבוד תמונה ומשחקים בזמן החשיפה של חיישן המצלמה, בדרך כלל לא ניתן לפצות על איכות בינונית של האופטיקה. עדשה איכותית נמדדת בפרמטרים שונים:
עומק שדה הפוקוס גדול, אברציה כרומטית נמוכה, אברציה אופטית נמוכה, רזולוציה ועוד.
סוג העדשה – הדבר הראשון שיש להחליט לגביו הוא ההגדלה הרצויה. לאחר מכן כדאי לבחור את סוג העדשה המתאימה ביותר, בהתאם לאפליקציה: עדשות עם הגדלה קבועה או משתנה, עדשות זום, עדשות עם מרחק פוקאלי גדול, עדשות רחבות, עדשות Borescope, עדשות על סיב אופטי (fiberscope) ועוד.

סנסור – כמעט בכל המקרים משתמשים בסנסור מסוג CCD (Charge-Coupled Device), בגלל הצורך באיכות תמונה טובה. איכות הסנסור נקבעת על פי פרמטרים רבים. הנתונים שבדרך כלל בולטים כאשר יש לבחור סנסור הם: גודל הסנסור, גודל הפיקסלים וכמות הפיקסלים, אשר קובעים את הרזולוציה של המכשיר.

רזולוציה ודיוק – הרזולוציה של מיקרוסקופ דיגיטלי תקבע כאמור בעיקר על ידי רזולוציה של הסנסור. כאשר רוצים לקבוע את הרזולוציה של התמונה הנצפית במיקרוסקופ ביחידות של אורך, מחלקים את גודל התמונה, שנקבע על ידי ההגדלה האופטית, בכמות הפיקסלים שבחיישן. לדוגמה אם אנו צופים בתמונה בגודל של 1.6x1.2 מילימטר, בחיישן של 1600x1200 פיקסלים, אז הרזולוציה תהייה מיקרון אחד. כאשר יש צורך בביצוע מדידות תחת מיקרוסקופ, חשוב לקבוע את דיוק המדידה. מה שמשפיע בעיקר על הדיוק הוא ליניאריות של האופטיקה והטלצנטריות שלה.

סטנד – את המצלמה או העדשה מתקינים לרוב על מעמד,"סטנד". רוב הסטנדים כוללים שולחן הזזה X-Y, לצורך הזזת האובייקט מתחת למיקרוסקופ. כאשר משתמשים בהגדלות גדולות, מעל x1000 רצוי להשתמש בסטנד מדויק ונגד רעידות.

יש סוגים שונים של סטנדים: נגד וויברציות, עם תאורה תחתית, עם אפשרויות צפייה מזוויות שונות, עם מערכות מדידה של תזוזת שולחן X-Y, עם מנועים לשליטה על הפוקוס ועל מיקום האובייקט ב- X/Y ועוד...

תאורה – רוב המיקרוסקופים כוללים יחידת תאורה מובנית. רצוי להשתמש בכמה שיותר אור, למרות שיש אפשרות לבצע עמעום של התאורה. אם יש בעיה של סנוור, כאשר מסתכלים על אובייקט רפלקטיבי, ניתן להשתמש במקטב אור (polarizer). השיטה המקובלת להעברת האור לאובייקט, היא בעזרת סיבים אופטיים. את האור ניתן לתמרן בשיטות שונות לקבלת הדגשה של אובייקט הנצפה. כמה דוגמאות לשימוש בתמרון האור: בעזרת כיוון האור בזווית נמוכה ניתן להדגיש את פני השטח של האובייקט, שימוש בתאורה קואקסיאלית ניתן להבחין במבנה החומר ולהבחין בריקועים וחורים, שימוש ביחידה לפיזור האור (דיפיוזר) ניתן לבטל החזר בוהק מאלמנט מתכתי ועוד.

פונקציות עיבוד תמונה:  
אחד היתרונות העיקריים של מיקרוסקופ דיגיטלי, הוא שימוש בפונקציות עיבוד תמונה מתקדמות, אשר יוצרות תמונה אחת משילוב של תמונות רבות, בעלות פרמטרים שונים. לדוגמה, כאשר יש בוהק, או סנוור בתמונה ניתן להפעיל פונקצית " Remove-Glare ", שתזהה את המקומות בהם יש אזורים בהירים מאוד, ותקטין את זמן חשיפת חיישן ה- CCD, כדי לקבל תמונה חשוכה יותר. התוצאה הסופית תהייה תמונה ברורה, ללא סנוור, המורכבת מחיבור של תמונות רבות בזמני חשיפה שונים.
פונקציה דומה, נקראת HDR- High Dynamic Range. פונקציה זו פועלת בשיטה דומה, אך על כל טווח הצבעים. התוצאה תהייה תמונה חדה, עם צבעים ברורים.

מניפולציות נוספות מתבצעות בעזרת תנועות מכאניות. הדוגמה הראשונה לשימוש בתנועה מכאנית היא פונקציית 3CCD. חיישן ה-CCD מוזז על ידי מנועים זעירים ומדויקים בקפיצות של שליש פיקסל, כך שנלקחות 3 תמונות – עבור כל שליש פיקסל.

שלושת התמונות - תמונה ראשונה מתייחסת לסגמנט האדום בפיקסל, השנייה לירוק והשלישית לכחול - מאוחדות לתמונה אחת שכל צבעי היסוד צולמו מאותו מיקום בדיוק. התוצאה – תמונה ללא אברציה כרומטית הנובעת מחלוקת כל פיקסל לשלושה חלקים.

הדוגמה השנייה היא שינוי מיקום העדשה בציר הגובה (Z). תמונות רבות בגבהים שונים ומפוקסות לגבהים שונים של האובייקט הנבדק ייצרו תמונה אחת מפוקסת בכל העומקים.

אם מבצעים קורלציה בין האזורים המפוקסים ובין מיקום כל תמונה בציר ה-Z, תתקבל תמונה תלת ממדית. על התמונות התלת ממדיות, או הדו ממדיות ניתן לבצע מדידות ולקבל מידע אודות מרחקים, גבהים, קטרים, רדיוסים, שטחים ועוד. מכיוון שהאופטיקה מדויקת, ומערכת העיבוד "יודעת" את סוג העדשה וההגדלה – המידות מתקבלות באופן אוטומטי.

נגישות לנתונים:

את התמונות, תמונות תלת מימד, סרטוני וידאו ונתונים שונים ניתן לשמור ביחידה המרכזית, אשר מבוססת מחשב PC. ניתן לצרוב את הקבצים, להעביר אותם לדיסק נייד, או להעבירם ברשת מחשבים. מחשבים מרוחקים יכולים לקבל גישה למיקרוסקופ דיגיטלי דרך הרשת, בעזרת תוכנה ייעודית.

שימושים:

טווח השימושים במיקרוסקופ דיגיטלי הוא רחב מאוד: אלקטרוניקה ומוליכים למחצה, רפואי, כימיה וחומרים, מדע וביולוגיה, דפוס, מוצרי מתכת ופלסטיק, תעשיית הרכב, טקסטיל, אבני חן ויהלומים, צבא ומשטרה,מערכות מיקרו-אלקטרו-מכאניות (MEMS) ועוד.

סוגים של מיקרוסקופים דיגיטליים:

על בסיס המיקרוסקופ הדיגיטלי מיוצרים מיקרוסקופים עם פונקציות מיוחדות:
מיקרוסקופ קונפוקאלי, מיקרוסקופ פלורוסנטי, מיקרוסקופים לתלת מימד, וכן שילוב של מצלמות מהירות עם מיקרוסקופ לצורך אנליזת תנועה של אובייקטים זעירים.

מיקרוסקופ דיגיטלי VHX-5000

סיכום:

לאור היתרונות הרבים שמציע מיקרוסקופ דיגיטלי, הוא הופך להיות צורך אמיתי במחלקות מחקר ופיתוח, בקרת איכות, מוסדות לימודים ומוסדות ממשלתיים. קלות תפעול המערכת מאפשרת עבודה מיידית בצורה אינטואיטיבית וללא צורך בהכשרה מיוחדת.

לפרטים נוספים על מיקרוסקופים דיגיטליים:

www.digitalmicroscope.com