МРЭМ – 200. Электронный микроскоп родом из СССР. Цифровизация захвата изображения
В 2020 году я опубликовал здесь статью, в которой описал свой советский растровый микроскоп МРЭМ-200 1987 года выпуска. Мне было приятно, что статья вызвала большой интерес и помогла мне познакомиться с людьми со схожими увлечениями.
За прошедшие годы микроскоп подвергся нескольким модернизациям, об одной из которых хочется рассказать. В 80-е годы изображения с мониторов микроскопа фиксировались для дальнейшего изучения и сохранения с помощью пленочного фотоаппарата. Для этого в комплекте с микроскопом шла специальная тубусная приставка, фиксирующаяся на мониторе. В третьем тысячелетии мне хотелось, конечно, уже иметь компьютерный захват картинки, как в современных растровых микроскопах. В начале я пошел по самому простому пути: стал использовать цифровой фотоаппарат Canon вместо пленочного фотоаппарата. Поскольку построение изображения в максимальном разрешении длится 41 секунду, мне пришлось перепрошить фотоаппарат на такую длительную выдержку. Работа с микроскопом сразу стала комфортней, но я понимал, что есть еще к чему стремиться.
В декабре 2022 года в Телеграмме я познакомился с еще одним владельцем микроскопа МРЭМ-200. В этой статье я буду, называть этого человека, по его просьбе, «Владелец МРЭМ-200 из Москвы, пожелавший остаться анонимным». Он решил проблему прямого компьютерного захвата, использовав видео с youtube (https://www.youtube.com/watch? v=ruuxn2u3yao) известного американского популяризатора науки Бена Краснова (Ben Krasnow). «Владелец МРЭМ-200 из Москвы, пожелавший остаться анонимным» творчески переработал информацию Бена Краснова, адаптировал софт под технические особенности своего микроскопа и любезно поделился со мной этим софтом. У меня появилась программа, которая замечательно строила и сохраняла изображение на экране компьютера синхронно с изображением на родных мониторах микроскопа. Между компьютером и микроскопом добавился отдельный модуль согласования, в котором помещался АЦП с выходом USB и операционные усилители с регулировкой коэффициента усиления:
Фотография микроскопа в комплекте с ноутбуком и модулем согласования:
Однако данная программа не обладала всеми необходимыми мне функциями. Хотелось, чтобы при сохранении изображения в него еще добавлялись служебные данные и масштабный отрезок, пропорциональный выбранному увеличению. Эту проблему мне помог решить Boris с Телеграмма, которому удалось усовершенствовать программу построения картинки, расширив ее функцией добавления служебной информации. За объект подражания я предложил использовать ему изображения с растрового микроскопа Феном. В итоге удобство работы с микроскопом вышло на новый уровень, о котором я мечтал с 2019 года.
При всех плюсах внедренной технологии, к сожалению, качество получаемых изображении не дотягивало еще до качества картинок современных микроскопов. В частности был заметен легкий шум на изображении, который выглядел как микроскопическая пыль. Этот шум можно объяснить собственными шумами электронного пучка, сканирующего образец, шумом сцинтиллятора и шумом ФЭУ с усилителем. Анализ доступной информации подтолкнул к выводу, что во всех современных микроскопах изображение подвергается компьютерной обработке, снижающей шум различными способами. В современных микроскопах применяются также алгоритмы улучшения резкости краев объектов на изображении. Поэтому мною было принято решение добавить в программу функции очистки изображения от шумов и повышения резкости краев объектов.
На этом этапе я работал со студентом 2 курса нашего физико- технического факультета Азаматом Хамикоевым. Новые функции добавлялись постепенно, по мере возникновения необходимости и в соответствии с полетом фантазии. Все добавленные функции работают при построении изображения в режиме реального времени (не постобработка). В основу алгоритмов очистки изображения от шумов с помощью среднего арифметического и медианного фильтра, а также алгоритмов повышения четкости краев объектов были положены матрицы свертки 3×3.
Для данной статьи была специально сделана серия снимков одного образца с применением всех возможных доступных режимов обработки с целью сравнения снимков между собой. В качестве образца фотографировался DMD чип от видеопроектора (микрозеркальная матрица DLP технологии). Здесь представлено исходное изображение:
Тот же образец, но с включенным режимом очистки от шума с помощью среднего арифметического матрицы 3×3 пикселя:
Тот же образец, но с включенным режимом очистки от шума с помощью медианного фильтра матрицы 3×3 пикселя. Медианная фильтрация идет в режиме реального времени. Для этого был реализован оригинальный алгоритм быстрого нахождения медианного значения из матрицы 3×3:
Программа позволяет одновременно использовать фильтры очистки от шума и повышения четкости краев объектов. Результат совместного действия среднего арифметического и повышения четкости краев:
Результат совместной работы медианного фильтра и повышения резкости:
Родная аналоговая электроника МРЭМ-200 позволяла получать изображения в псевдообъеме с помощью так называемой Y-модуляции. Такой режим тоже был введен, но расширен возможностью изменения коэффициентов делителей для изменения амплитуды, причем в двух вариантах: построение из точек (строка с разрывами):
и построение из отрезков (строка без разрывов).
Далее в программу была добавлена функция преобразования черно-белого изображения в градациях яркости в цветное изображение, где черному соответствует синий цвет, а белому красный (с промежуточными цветами):
На следующем этапе работы были объединены цветность и Y-модуляция и получена цветная Y-модуляцию из точек:
и из отрезков:
Для удобства работы в режимах с быстрой разверткой появилась функция цифрового увеличения.В результате введения всех перечисленных функций с включением их соответствующими кнопками появился целый ворох бумаг, на которых было отмечено, какая кнопка за что отвечает. И не всегда было понятно, что включено в данный момент. Кроме того некоторые функции не сочетались одновременно друг с другом. Логическим выходом из сложившейся ситуации стало дополнение программы экранным меню, вызываемым правой кнопкой мыши и управляемым левой кнопкой мыши. В меню включенные функции обозначаются изменением цвета соответствующих кнопок. Программа блокирует также одновременное включение несочетаемых между собой режимов, самостоятельно выключая ненужное. Окно работы программы в режиме цифрового увеличения и с вызванным меню:
Итак, в результате коллективного творчества функционал старого советского микроскопа поднялся на более высокий уровень. Предвосхищая вопросы внимательных читателей о назначении блока с кнопками, энкодером и двумя экранами под ноутбуком на первом фото, хочу сразу ответить, что это — цифровой блок управления магнитной оптикой колонны. С ним микроскоп последнее время и работает. Но об этом блоке речь пойдет в другой раз.
В качестве заключения хотелось бы показать фотографию из инструкции от растрового микроскопа МРЭМ — 100. Это старшая модель МРЭМ-200. Уже давно ищу такой микроскоп, но пока безуспешно. От всех выпущенных экземпляров до наших дней дошла только эта фотография…….
МРЭМ — 100. Фото из инструкции к микроскопу
