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顯微課堂 | 了解顯微鏡的攝像系統(tǒng)

更新時(shí)間:2024-11-04      點(diǎn)擊次數(shù):89

隨著分析需求的增多,光學(xué)顯微鏡通常會(huì)搭載一套攝像系統(tǒng),達(dá)到在電腦上成像、拍照、測(cè)量以及分析的目的。那么攝像系統(tǒng)看什么參數(shù)、對(duì)于成像質(zhì)量有多大的影響、或者顯示器成像倍數(shù)和目鏡成像倍數(shù)是什么關(guān)系,這些問(wèn)題隨著顯微成像的數(shù)碼化,可能一直困擾著你,那么本篇文章會(huì)深入淺出的解析攝像系統(tǒng),讓你真正了解顯微鏡的另一雙眼鏡——攝像頭。


首先,相機(jī)在顯微成像領(lǐng)域的應(yīng)用,可以大致分為非熒光技術(shù)熒光技術(shù)兩個(gè)方面,非熒光技術(shù)包括明場(chǎng) BF 、暗場(chǎng) DF 、相差 PH 、偏光 POL 、微分干涉 DIC 等觀察法,熒光技術(shù)包括寬場(chǎng)熒光 (widefield fluorescence) 、轉(zhuǎn)盤(pán)式共聚焦 (spinning disk confocal) 、全內(nèi)反射熒光顯微成像 (TIRFM) 、超高分辨顯微技術(shù) (SIM, PALM, STORM)等,以上技術(shù)成像通常用面陣檢測(cè)器,如 CCD 、CMOS;另外一種熒光技術(shù)如激光掃描共聚焦  (LSCM) 、雙光子顯微成像 (two-photon) 、超分辨顯微技術(shù)( STED) 等,通常使用點(diǎn)檢測(cè)器,如光電倍增管 PMT。


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相機(jī)的原理 :

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光電轉(zhuǎn)換,即把顯微鏡部分的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),在電腦上成像。

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相機(jī)基本結(jié)構(gòu) :

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像素,是圖像的最小單元,也叫解析度,一般像素越高,圖像越清晰。

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相機(jī)的色彩來(lái)源:

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黑白相機(jī)中,只有一個(gè)維度的變化:灰度值,而要實(shí)現(xiàn)彩色成像,則需要一個(gè)關(guān)鍵技術(shù):拜爾陣列,它模擬人眼對(duì)色彩的敏感程度,采用 1 紅 2 綠 1 藍(lán)的排列方式將灰度信息轉(zhuǎn)換成彩色信息。采用這種技術(shù)的傳感器實(shí)際每個(gè)像素僅有一種顏色信息,需要利用反馬賽克算法進(jìn)行插值計(jì)算,最終獲得一張圖像。

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彩色相機(jī)因?yàn)槎嗉恿艘粋€(gè)拜爾濾鏡,邊緣會(huì)有偽色彩問(wèn)題,所以精度要低于黑白相機(jī)。

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相機(jī)的分辨率:

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  • 像素大小決定相機(jī)的分辨率

  • 芯片大小相同時(shí),像素越多,像素尺寸越小,相機(jī)分辨率也越好

  • 像素相同時(shí),像素越多,芯片越大,視野越大,但相機(jī)分辨率相同

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相機(jī)的芯片尺寸:

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相機(jī)的芯片尺寸一定程度決定了成像的視野,芯片尺寸越大,視野越大

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相機(jī)接口:

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配置相機(jī)一定要搭配一個(gè) C 接口,常用的有 0.63 倍 、1 倍 、1.6 倍等,用于轉(zhuǎn)接顯微鏡和相機(jī) 。接口倍數(shù)越小,成像的視野越大。

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所以,在同一個(gè)相機(jī)下:

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注意:0.63 X C-Mount 不能使用在 1 英寸以上芯片的相機(jī)上,否則會(huì)出現(xiàn)邊緣黑邊的情況:

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噪聲: 

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干擾成像的因素,一般我們看到帶制冷的相機(jī),可減少暗噪聲(位于 CCD 結(jié)構(gòu)中的硅層中,由于熱學(xué)生成電子的統(tǒng)計(jì)變化而產(chǎn)生)。

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那么,制冷溫度越低就意味著這款相機(jī)就越好嗎?


對(duì)一個(gè) CCD 芯片來(lái)說(shuō),每降低 6.7 °C,暗電流減半:

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但不同相機(jī)所使用的芯片不同,所以,暗電流才是我們真正關(guān)心的參數(shù),而不是制冷溫度。

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像素融合 (Binning) :

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一個(gè)很重要的功能,通過(guò)把多個(gè)像素融合成一個(gè)像素,從而提高讀取速度,提高動(dòng)態(tài)范圍,但不利是會(huì)降低分辨率。

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COMS 和 CCD 的區(qū)別:

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科研級(jí) COMS 對(duì)比于 CCD,具有更高的全幅速度,有效讀出噪聲較 CCD 低,芯片更便宜,也更容易制成相機(jī),且適合制作大版面的相機(jī),所以,現(xiàn)在越來(lái)越多的顯微鏡會(huì)配套 CMOS 相機(jī),CCD 因其工藝復(fù)雜成本高,在市場(chǎng)上逐漸變少。


最后,關(guān)于相機(jī)顯微鏡的放大倍數(shù),在目鏡上觀察和在顯示屏上成像,兩者的倍數(shù)一直容易被混淆,這里我們明確兩者放大倍數(shù)的關(guān)系:


 光學(xué)放大倍率計(jì)算 

M = β ×γ

顯微鏡總放大率  = 物鏡放大率× 目鏡放大率

比如:目鏡10倍,物鏡100倍,總光學(xué)倍率 10x100=1000X

 數(shù)碼放大倍率計(jì)算

數(shù)碼放大倍率=物鏡倍率  ×  接口倍率  × 視頻放大倍數(shù)

其中視頻放大倍數(shù)  =顯示屏幕對(duì)角線(xiàn)尺寸/攝像頭靶面尺寸

比如:物鏡 5 倍,C 接口 1X,顯示屏 27 英寸,攝像頭 1 英寸靶面,總放大倍率 5x1x(27/1) =135X



本篇文章是來(lái)自徠卡顯微系統(tǒng)合作伙伴領(lǐng)拓儀器的投稿。


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