理论知识
为显微镜选择数码相机时,需要考虑哪些因素?
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时间:2021-10-14 14:08:03

       在为显微镜选择数码相机时,需要考虑兼容性、耦合器放大率、像素大小和分辨率等因素,以确保配对成功。

 

       一、相机与显微镜的兼容性

      确保相机传感器尺寸与显微镜物镜兼容。显微镜物镜由多透镜组件组成,多透镜组件将来自样本的光波聚焦到传感器上以形成图像。物镜允许显微镜提供放大的真实图像。最常见的物镜的放大倍数范围为4倍、10倍、40倍至100倍。

      大多数显微镜物镜是圆形组件,而相机传感器通常为矩形。 因此,如果相机传感器尺寸过大,物镜只会将光线聚焦在相机传感器的一个小圆形部分上,从而导致渐晕。 渐晕是显微镜光路光学边缘的再现,在图像上表现为暗边缘。

      为了避免渐晕和最大化视野,整个相机传感器需要被照亮——这意味着相机传感器尺寸必须等于或小于显微镜物镜。

 

      二、耦合器的选择

      耦合器用于在不影响图像质量的情况下最大化相机的视场范围(FOV)。选择耦合器的黄金法则是:耦合器上的放大率越高,获得的FOV越低;相反,耦合器上的放大率越低,FOV越高。如果放大率太低,可能会导致渐晕,如果放大率太高,可能会造成图像丢失。

      下面是为不同传感器芯片选择相关耦合器放大率的快速指南。

传感器尺寸

耦合器放大率

1/3”

0.35X

1/2”

0.5X

2/3”

0.66X

1”

1X


 

      三、像素大小

      在为应用程序选择数码相机时,像素大小是最重要的因素之一。如何确定正确的像素大小呢?

      1. 确定显微镜的光学分辨率。

      确定显微镜的分辨率,可以使用Ernt-Abbe的横向(即XY)分辨率衍射公式:d=λ/2 NA,其中:

      λ = 标本成像所用的光波长

      d = 光学分辨率(条纹间距)

      NA = 物镜的数值孔径

      例如,使用 550nm的白光、 NA为0.20的4倍物镜,则光学分辨率的(理论)极限将达到d = 550nm/ (2 X 0.20) = 1375 nm

 

      2. 计算采样频率。

      根据以下公式,使用奈奎斯特采样定理计算采样频率fs。奈奎斯特定理指出,为了充分还原连续信号的特征,应以连续信号最高频率的 2 倍作为离散采样的频率。因此所需要的芯片采样频率fs就应该小于等于条纹间距 d 的一半。

      采样频率fs=d/2

      根据上面的示例:采样频率为1375/2=687.5nm

 

      3. 计算所需的像素大小。

      所需的相机像素大小=采样频率fs *放大倍数

      这里需要注意的是,有几个放大率来源:物镜、管镜和相机支架/耦合器。要获得总放大倍数,需将所有边缘的来源相乘。

       因此:所需像素大小= fs (687.5nm) X物镜放大倍率(4)X管镜头放大倍率(1)X相机支架放大倍数(1)= 687.5nm X 4 X 1 X 1 /1000 = 2.75µm

 

      四、选择相机分辨率

      例如,相机的分辨率指相机传感器上的像素数:2MP(200万像素)、4MP(400万像素)等。通常,分辨率越高的图像传感器的像素越小。然而,显微镜的光学局限性意味着较高数量的像素或较小的像素间距并不总能提供较高的分辨率。另一方面,较大的像素收集更多的光线,这对相机的灵敏度起着重要作用。因此,需要在分辨率和灵敏度之间进行权衡。获得更好分辨率的关键是选择与数值孔径(NA)、光学系统的总放大率和样品频率相关的适当像素间距,如下表所示。如果在两个相同的传感器尺寸之间进行选择,最好选择较小的像素。

物镜/数值孔径

分辨率极限(µm)

所需像素大小 (µm)

4X (0.20)

1.5

2.9

10X(0.40)

0.64

3.2

20X(0.75)

0.39

3.9

40X (1.30)

0.22

4.5

 

      Pixelink vision兼容相机配有免费的Pixelink图像Capture软件,并与第三方图像采集软件(如WinRoot2018、LabVIEW、NI MAX、MATLAB和Halcon)兼容。

 

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