显微课堂 | 了解显微镜的摄像系统
时间：2024-11-12 阅读：120
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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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
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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：
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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。
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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。
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COMS 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
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