随着分析需求的增多,光学显微镜通常会搭载一套摄像系统,达到在电脑上成像、拍照、测量以及分析的目的。那么摄像系统看什么参数、对于成像质量有多大的影响、或者显示器成像倍数和目镜成像倍数是什么关系,这些问题随着显微成像的数码化,可能一直困扰着你,那么本篇文章会深入浅出的解析摄像系统,让你真正了解显微镜的另一双眼镜——摄像头。
首先,相机在显微成像领域的应用,可以大致分为非荧光技术和荧光技术两个方面,非荧光技术包括明场 BF 、暗场 DF 、相差 PH 、偏光 POL 、微分干涉 DIC 等观察法,荧光技术包括宽场荧光 (widefield fluorescence) 、转盘式共聚焦 (spinning disk confocal) 、全内反射荧光显微成像 (TIRFM) 、超高分辨显微技术 (SIM, PALM, STORM)等,以上技术成像通常用面阵检测器,如 CCD 、CMOS;另外一种荧光技术如激光扫描共聚焦 (LSCM) 、双光子显微成像 (two-photon) 、超分辨显微技术( STED) 等,通常使用点检测器,如光电倍增管 PMT。
1相机的原理 :
光电转换,即把显微镜部分的光信号转化为电信号,在电脑上成像。
2相机基本结构 :
像素,是图像的最小单元,也叫解析度,一般像素越高,图像越清晰。
3相机的色彩来源:
黑白相机中,只有一个维度的变化:灰度值,而要实现彩色成像,则需要一个关键技术:拜尔阵列,它模拟人眼对色彩的敏感程度,采用 1 红 2 绿 1 蓝的排列方式将灰度信息转换成彩色信息。采用这种技术的传感器实际每个像素仅有一种颜色信息,需要利用反马赛克算法进行插值计算,最终获得一张图像。
彩色相机因为多加了一个拜尔滤镜,边缘会有伪色彩问题,所以精度要低于黑白相机。
4相机的分辨率:
像素大小决定相机的分辨率
芯片大小相同时,像素越多,像素尺寸越小,相机分辨率也越好
像素相同时,像素越多,芯片越大,视野越大,但相机分辨率相同
5相机的芯片尺寸:
相机的芯片尺寸一定程度决定了成像的视野,芯片尺寸越大,视野越大
6相机接口:
配置相机一定要搭配一个 C 接口,常用的有 0.63 倍 、1 倍 、1.6 倍等,用于转接显微镜和相机 。接口倍数越小,成像的视野越大。
所以,在同一个相机下:
注意:0.63 X C-Mount 不能使用在 1 英寸以上芯片的相机上,否则会出现边缘黑边的情况:
7噪声:
干扰成像的因素,一般我们看到带制冷的相机,可减少暗噪声(位于 CCD 结构中的硅层中,由于热学生成电子的统计变化而产生)。
那么,制冷温度越低就意味着这款相机就越好吗?
对一个 CCD 芯片来说,每降低 6.7 °C,暗电流减半:
但不同相机所使用的芯片不同,所以,暗电流才是我们真正关心的参数,而不是制冷温度。
8像素融合 (Binning) :
一个很重要的功能,通过把多个像素融合成一个像素,从而提高读取速度,提高动态范围,但不利是会降低分辨率。
9COMS 和 CCD 的区别:
科研级 COMS 对比于 CCD,具有更高的全幅速度,有效读出噪声较 CCD 低,芯片更便宜,也更容易制成相机,且适合制作大版面的相机,所以,现在越来越多的显微镜会配套 CMOS 相机,CCD 因其工艺复杂成本高,在市场上逐渐变少。
最后,关于相机显微镜的放大倍数,在目镜上观察和在显示屏上成像,两者的倍数一直容易被混淆,这里我们明确两者放大倍数的关系:
光学放大倍率计算
M = β ×γ
显微镜总放大率 = 物镜放大率× 目镜放大率
比如:目镜10倍,物镜100倍,总光学倍率 10x100=1000X
数码放大倍率计算
数码放大倍率=物镜倍率 × 接口倍率 × 视频放大倍数
其中视频放大倍数 =显示屏幕对角线尺寸/摄像头靶面尺寸
比如:物镜 5 倍,C 接口 1X,显示屏 27 英寸,摄像头 1 英寸靶面,总放大倍率 5x1x(27/1) =135X
本篇文章是来自徕卡显微系统合作伙伴领拓仪器的投稿。