當前位置:廣州領拓儀器科技有限公司>>技術文章>>顯微課堂 | 了解顯微鏡的攝像系統
隨著分析需求的增多,光學顯微鏡通常會搭載一套攝像系統,達到在電腦上成像、拍照、測量以及分析的目的。那么攝像系統看什么參數、對于成像質量有多大的影響、或者顯示器成像倍數和目鏡成像倍數是什么關系,這些問題隨著顯微成像的數碼化,可能一直困擾著你,那么本篇文章會深入淺出的解析攝像系統,讓你真正了解顯微鏡的另一雙眼鏡——攝像頭。
首先,相機在顯微成像領域的應用,可以大致分為非熒光技術和熒光技術兩個方面,非熒光技術包括明場 BF 、暗場 DF 、相差 PH 、偏光 POL 、微分干涉 DIC 等觀察法,熒光技術包括寬場熒光 (widefield fluorescence) 、轉盤式共聚焦 (spinning disk confocal) 、全內反射熒光顯微成像 (TIRFM) 、超高分辨顯微技術 (SIM, PALM, STORM)等,以上技術成像通常用面陣檢測器,如 CCD 、CMOS;另外一種熒光技術如激光掃描共聚焦 (LSCM) 、雙光子顯微成像 (two-photon) 、超分辨顯微技術( STED) 等,通常使用點檢測器,如光電倍增管 PMT。
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相機的原理 :
光電轉換,即把顯微鏡部分的光信號轉化為電信號,在電腦上成像。
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相機基本結構 :
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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相機的色彩來源:
黑白相機中,只有一個維度的變化:灰度值,而要實現彩色成像,則需要一個關鍵技術:拜爾陣列,它模擬人眼對色彩的敏感程度,采用 1 紅 2 綠 1 藍的排列方式將灰度信息轉換成彩色信息。采用這種技術的傳感器實際每個像素僅有一種顏色信息,需要利用反馬賽克算法進行插值計算,最終獲得一張圖像。
彩色相機因為多加了一個拜爾濾鏡,邊緣會有偽色彩問題,所以精度要低于黑白相機。
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相機的分辨率:
像素大小決定相機的分辨率
芯片大小相同時,像素越多,像素尺寸越小,相機分辨率也越好
像素相同時,像素越多,芯片越大,視野越大,但相機分辨率相同
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相機的芯片尺寸:
相機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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相機接口:
配置相機一定要搭配一個 C 接口,常用的有 0.63 倍 、1 倍 、1.6 倍等,用于轉接顯微鏡和相機 。接口倍數越小,成像的視野越大。
所以,在同一個相機下:
注意:0.63 X C-Mount 不能使用在 1 英寸以上芯片的相機上,否則會出現邊緣黑邊的情況:
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噪聲:
干擾成像的因素,一般我們看到帶制冷的相機,可減少暗噪聲(位于 CCD 結構中的硅層中,由于熱學生成電子的統計變化而產生)。
那么,制冷溫度越低就意味著這款相機就越好嗎?
對一個 CCD 芯片來說,每降低 6.7 °C,暗電流減半:
但不同相機所使用的芯片不同,所以,暗電流才是我們真正關心的參數,而不是制冷溫度。
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像素融合 (Binning) :
一個很重要的功能,通過把多個像素融合成一個像素,從而提高讀取速度,提高動態范圍,但不利是會降低分辨率。
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COMS 和 CCD 的區別:
科研級 COMS 對比于 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,且適合制作大版面的相機,所以,現在越來越多的顯微鏡會配套 CMOS 相機,CCD 因其工藝復雜成本高,在市場上逐漸變少。
最后,關于相機顯微鏡的放大倍數,在目鏡上觀察和在顯示屏上成像,兩者的倍數一直容易被混淆,這里我們明確兩者放大倍數的關系:
光學放大倍率計算
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,總光學倍率 10x100=1000X
數碼放大倍率計算
數碼放大倍率=物鏡倍率 × 接口倍率 × 視頻放大倍數
其中視頻放大倍數 =顯示屏幕對角線尺寸/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
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