視頻顯微鏡成像技術的應用研究＊

王偉永

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視頻顯微鏡成像技術的應用研究＊

王偉永

（廣東技術師范學院，廣東 廣州 510665）

視頻顯微鏡是數碼顯微鏡的別稱，是通過光學顯微鏡將接收到的實物圖像經過數模（DA）轉換，將實物成像在顯微鏡集成的顯示屏或外接電腦設備上。因此，對微觀領域的研究從傳統的人眼觀察轉變為顯示屏再現，既方便記錄研究過程，又大大提高了工作效率[1]。從視頻顯微鏡成像技術的背景出發，對視頻顯微鏡的結構、視頻顯微鏡的原理、視頻顯微鏡與傳統光學顯微鏡的區別進行分析，綜述視頻顯微鏡成像技術在多個領域的應用情況。由于視頻顯微鏡用途廣泛，將選擇辦案偵查、科學研究、工業應用等三個方面進行介紹。

視頻顯微鏡；成像技術；區別分析；工業應用

1 發展背景

視頻顯微鏡的發明雛形是拍照顯微鏡，即將傳統光學顯微鏡下形成的放大像通過照相機的鏡頭，投射到相機的感光底片上，從而實現對物體放大像的記錄，但這種方法顯得不靈活，不能實時記錄。后來隨著CCD攝像機的廣泛使用，光學顯微鏡與CCD的結合成為顯微鏡發展史的一個重大突破，顯微鏡能通過攝像機實時地把圖像呈現在顯示屏上，同時支持相機拍攝記錄研究對象的瞬間影像，方便快捷，極大緩解了人眼觀察面臨的壓力。而隨著信息技術的快速發展，軟硬件行業的性能也不斷升級，視頻顯微鏡集成了強大的影像處理軟件，使得視頻顯微鏡在各個行業中的地位大大提升。視頻顯微鏡成像技術在硬件方面結合了光學顯微鏡系統、光電轉換器件、液晶顯示屏技術等多項技術，軟件方面則搭配了相應的圖像處理和測量軟件，能實現對圖像的觀察、測量、結果記錄、后期處理、打印輸出等功能，從而大大提高工作人員的效率，而且操作相比于傳統的目視光學顯微鏡簡單了許多，有力減少了操作人員的培訓成本，避免了因長期人眼直接透過目鏡觀察物體導致的健康問題。

2 原理及構造

視頻顯微鏡的放大倍率具有超高的連續可調的功能，其變焦能力也具有可連續調節，測量時可通過視頻顯微鏡上搭配的圖像采集軟件，收集顯示屏或計算機上觀察到的一定放大倍數的圖像，再利用搭配的圖像分析軟件直接對放大圖像直接進行三維定量測量，并在圖像上直接疊加測量標記。視屏顯微成像技術主要構成見圖1，它包括傳統顯微鏡光學系統（比如鏡頭、光闌等元件）、CCD光電轉換器件、圖像傳輸光纖、主控制器（比如計算機）和彩色顯示屏等部分[1]。

3 與傳統目視顯微鏡的區別

傳統光學顯微鏡利用光學原理，即二次成像原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像?；窘M成包括載聚光照明系統、物鏡、光闌、目鏡、調焦系統、載物臺等。被觀察的物體放置在載物臺上，調焦系統主要為物理調焦，轉動調焦旋鈕可以驅使載物臺上下運動進行粗調和微調兩種操作，或者有些顯微鏡通過調節顯微鏡目鏡升降起到調焦作用，使物體能清晰成像。聚光照明系統通常由光源和聚光透鏡組成，常見的照明系統為科勒照明系統，其功能是使被觀察部位有足夠的光照射，照明光源的光譜特性必須適應于顯微鏡接收器的工作波段。物鏡是實現第一級放大的透鏡，位于被觀察物體的附近。通常顯微鏡配置物鏡裝換器用以切換不同放大倍率的物鏡。目鏡是實現第二級放大的透鏡，位于人眼附近，按照觀測視場的大小，目鏡可分為較小視場的普通目鏡和較大視場的廣角目鏡。載物臺和物鏡都能沿物鏡光軸方向作相對運動以進行調焦操作。

圖1 視頻顯微鏡系統[1]

視頻顯微鏡的光學顯微鏡系統構成與傳統顯微鏡基本相同，區別在于視頻顯微鏡不僅能依靠光源及光學器件系統，具備傳統顯微鏡擁有的物體放大功能，還能利用光學顯示屏、光源、電子電路以及測量軟件集成的圖像處理模塊來擴大圖像。傳統光學系統要求操作者對圖像的清晰度和景深比較敏感，熟練的工作人員一般能輕松調試，新手一般都較難上手，而視頻顯微鏡則有效克服了這方面的缺點，其優勢主要體現在以下幾點[3]：①視頻顯微鏡能完整保存各種觀測到的顯微效果，并輸出為文檔格式，為不同部門或研究機構之間的資料共享提供便利，而傳統目視顯微鏡僅能利用人眼直接觀察，而不方便記錄觀測結果；②能通過計算機實現影像實時共享，滿足多人同時觀測的要求，而傳統目視顯微鏡僅能單人操作觀察，可能會導致不同的人觀測的結果不同；③圖像通過顯示器呈現出來，極大減少眼睛工作強度，避免眼部勞損，而傳統目視顯微鏡則很容易造成視覺疲勞，給眼睛帶來傷害；④具有成像測量模塊，能夠對觀測圖像進行測量、記錄、輸出等操作，傳統目視顯微鏡的功能較為單一，僅供觀察，或者通過安裝標尺元件進行簡單測量；⑤視頻顯微鏡用途廣泛，是現代科學儀器儀表發展到一定高度的產物，而傳統目視顯微鏡的應用領域比較窄。

4 研究現狀

視頻顯微鏡的應用廣泛，能滿足現代生物、醫藥、環境、農林、化工、微電子、半導體等領域的檢測要求，廣泛用于學校教學、生物工程、科學研究、工業裝配、測試測量、品質控制等領域。本文不對每個領域進行詳細繁雜介紹，主要針對以下3個應用方向進行案例分析。

4.1 辦案偵查

視頻顯微鏡能提高微量物證的發現率和提取率，提升檢驗鑒定水平，湖北省公安廳刑偵總隊的周緒錦等人[2]用一臺KEYENCEVHS-600E數碼顯微鏡對警用轉輪槍彈頭、彈殼進行了觀測，通過觀察對焦、配光、景深和測量標尺等環節的調節，得出數碼顯微鏡成像技術在微小、微量痕跡的物證外觀鑒定和觀察、顯微成像等方面相對于傳統方法具有巨大優勢，能有效用于物證偵查、文檢、痕檢、理化、影像等法庭科學領域。

4.2 教育教學和科學研究

視頻顯微鏡在生物研究領域的作用不可替代，如細胞生物學、胚胎或樣品的培育等研究都需要顯微鏡進行實時監測，2017年美國紐約紀念斯隆-凱特琳癌癥中心的Eileen Flores以反射共聚焦顯微鏡（Reflectance confocal microscopy，RCM）作為觀察工具，進行視頻采集和視頻拼接，通過檢測病變皮膚細胞外周和深皮膚邊緣檢測殘余基底細胞癌與鱗狀細胞癌，以及觀察正常皮膚核和細胞形態的特征，以評估在莫氏顯微手術（Mohs micrographic surgery，MMS）中的癌癥邊緣[4]。在教育教學方面，生物個體或者其他微小物體的外表觀測是教學內容的重要實踐環節，如草履蟲、生物細胞的形態結構介紹，在有限的課程時間內，由于學生水平的差異，難以保證每位同學的教學內容都能落實到位，而視頻顯微鏡的引入克服了學生操作水平差異造成的不良因素，能將微觀的事物通過屏幕呈現給每位學生，有利于實驗示范和學生整體認知的提高[5]。

4.3 工業應用

在工業應用方面常見的有半導體加工檢測和微電子裝配，如圖2所示。隨著現代工藝技術的提升，各種元件的發展趨勢逐漸小型化、精密化，因此難以單憑人眼進行加工檢測，視頻顯微鏡能很好地對這些領域的工藝進行輔助觀察。在紡織領域，視頻顯微鏡可用于紡織材料的顯微觀察分析、異形截面纖維特征顯微觀察分析、紗線的直徑測試、紗線結構分析等操作，用視頻顯微鏡對紡織材料顯微攝影能較為方便快捷地對纖維、紗線和織物的圖像記錄，監測織物的性能優劣。總之，凡是傳統顯微鏡能應用到的領域，視頻顯微鏡也能勝任，甚至在某些方面更優，證實了視屏顯微成像技術是一項有效的對微觀領域進行觀測的成像技術。

圖2 半導體加工檢測（左）微電子系統裝配（右）

5 總結

近年來，光學顯微技術是當今科技發展的前沿科學之一，視頻顯微鏡技術是光學顯微鏡在觀測方式上的優化產物，顯微圖像處理技術及軟件的研究也逐漸成為國內外研究的熱門方向，市面上已經有較為成熟的商業化產品，視頻顯微鏡的未來發展趨勢可以朝著智能化、自動化、目視與視屏顯示更好相結合、高精度等方向發展。

［1］胡玉才.視頻顯微鏡在紡織測試分析中的應用［J］.廣西紡織科技，2009，38（6）：73-75.

［2］周緒錦，陳鵬，吳明嵩，等.數碼顯微鏡成像技術的應用［J］.刑事技術，2011（6）：62-63.

［3］毛強.數碼顯微鏡成像技術的運用分析［J］.產業與科技論壇，2013，12（16）：78-79.

［4］李長陽.數碼顯微鏡圖像處理技術研究［D］.寧波：寧波大學，2017.

［5］曾國壽.數碼顯微鏡在現代生物教學中的應用［J］.中國教育技術裝備，2002（1）：31-32.

王偉永（1995—），男，甘肅平涼人，就讀于廣東技術師范學院，研究方向為顯微鏡應用創新。

廣東省大學生科技創新攀登計劃專項

2095－6835（2018）21－0160－02

D918

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.160

〔編輯：嚴麗琴〕