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。
 

1、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。

2、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。

3、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。

4、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

5、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

 

6、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：

7、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。

8、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。

 

9、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

 

本篇文章是來自徠卡顯微系統合作伙伴領拓儀器的投稿。

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