Цифровые камеры для микроскопа. Выбор цифровой камеры.Подбор адаптера.

Выбор цифровой камеры, адаптера, а также программного обеспечения является "краеугольным камнем"  для построения системы для проведения достоверных исследований на  микроскопе. Установка цифровой камеры и системы документирования позволяет создавать базы данных исследований, структурировать изображения, добавлять в отчеты экспертов и исследователей качественный наглядный материал для консультаций  и обучения.

На сегодняшний день  представлено большое количество выпускаемых  камер для микроскопии с различным разрешением от 0,4 до 50 Мегапикселей (МПикс). В этой статье мы дадим разъяснение применения той или иной камеры в зависимости от задачи, стоящей перед исследователем.

Первый шаг -определение задач, которые будет решать цифровая камера и программное обеспечение. В большинстве случаев, это получение микрофотографий объектов, а также проведение измерений на полученных снимках.

В базовые функции программного обеспечения обычно входят следующие вкладки:

• Управление камерой (экспозиция, баланс белого, геометрические коррекции);
• Стандартное редактирование изображений (настройка яркости, контраста и цветовой баланс);
• Измерения длин, площадей, радиусов, счетчика
• Дополнительными пакетами можно добавить программное обеспечение для продвинутых измерений, составления архивов, сшивки нескольких полей изображения в единый файл (панорамирование), 3D-моделирование, деконволюции и пр.

При выборе цифровой камеры для микроскопа необходимо обращать внимание на следующие параметры:

• Физический размер матрицы (измеряется в дюймах)
• Разрешение матрицы (МПикс)
• Чувствительность к различному цветовому спектру,
• Тип матрицы (CCD или CMOS)
• Скорость передачи данных «живого» изображения на максимальном разрешении (кадров в сек),
• Интерфейс передачи данных (GigE, Firewire, USB 2.0, USB 3.0)

Рассмотрим все эти параметры подробно на примере нескольких цифровых камер.

Зависимость необходимого разрешения камеры от оптического увеличения системы.

Основные качественные показатели  камер для микроскопии можно описать по следующему принципу: чем больше размер пикселя, тем больше этот пиксель может принять света от образца. Таким образом, чувствительность и соотношение сигнал/шум у камеры с физически крупными пикселями будут выше, чем у камер с меньшим размером пикселей. Это очень условное и приблизительное правило, но в большинстве случаев оно работает.

В таблице показано сравнение характеристик камер Olympus.

Зеленые поля — это информация, на которую необходимо обращать внимание в первую очередь, золотистые — второстепенная информация, а неотмеченные вообще не имеют значения для конечного пользователя.

К примеру, камера XM10 обладает самым большим размером пикселя, а значит прекрасным соотношением "сигнал/шум" и высокой чувствительностью. Это идеальный выбор для люминесцентной (флуоресцентной) микроскопии. Камера SC 50 обладает самой маленькой матрицей и самым скромным размером пикселя. Это говорит нам о том, что достичь хорошего изображения с этой камерой будет сложнее, чем с DP27.

Чем больше увеличение микроскопа, тем меньше  света попадает на матрицу камеры. Следовательно, время экспозиции возрастает, появляется усиление сигнала и шумы становятся видимыми.

При использовании большого оптического увеличения (400х, объектив 40х) необходимы камеры с высокой светочувствительностью и большим физическим размером пикселей. Увеличить размер пикселяможно 2 способами:

• Геометрическое увеличением размера матрицы камеры ( с 1/3 " до 2/3 или 1");
• Снижение разрешения камеры ( с 5 Мпикс до 1.4 Мпикс).

Рассмотрим преимущества и недостатки разных вариантов подробнее.

Оптическое разрешение системы R для некогерентного источника света (то есть для любого осветителя микроскопа(галогеновая лампа, ртутная лампа, либо светодиод (LED) ) будет описываться следующей формулой:

где λ – усредненная длина волны источника света( обычно 550 нм), n – коэффициент преломления среды, NA – числовая апертура объектива.

При увеличении 1000х (объектив 100х высокого класса с NA 0,95) на лабораторном микроскопе с галогенным источником (средняя длина волны порядка 500 нм) мы получаем разрешение около 300 нм.

Таким образом,какая бы качественная камера у нас ни была, микроскоп не сможет разрешить две точки находящиеся на расстоянии менее 300 нм.
Поле зрения при увеличении 1000х составит порядка 250 мкм по X. В таком случае необходимое количество пикселей камеры будет высчитываться из простой формулы: отношение поля зрения к разрешению.

Sx = Lx / R = 250 / 0,3 = 833 пикселя.

Далее из соотношения сторон матрицы легко определить ее количество пикселей по оси Y:

Sy = Sx × ¾ = 625 пикселей. (При стандартном соотношении сторон матрицы 4 к 3).

Разрешение камеры Rcam = Sx × Sy = 520 000 px.

Из полученных значений мы можем сделать вывод, что для работы на микроскопе с увеличением 1000х достаточно камеры с разрешением 1 МПикс. При этом, используя камеру 10 мегапикселей, мы  потеряем в качестве изображения из-за низкого соотношения сигнал шум, и работы на завышенных настройках чувствительности.

Именно по этой причине практически все современные биологические флуоресцентные камеры для микроскопии для работы с клетками обладают разрешением не более 1,4 Mpx (миллионов пикселей), но зато снабжены матрицами большого физического размера и, как следствие, большой светочувствительностью (cм. сравнение характеристик камер Olympus — камера XM-10).

Для исследователей, работающих с различным увеличением (от 5х до 1500х) рекомендуется применение камер 3,1 или 5 МПикс. Это универсальные камеры, позволяющие работать как с большим увеличением, так и с большим полем зрения при малом увеличении.
Выбор камеры с матрицей 5 Mpx рекомендован тем, кто в основном проводит детальное микрофотографирование при большом увеличении. Выбор же камеры 5,10 и более мегапикселей рекомендуется для исследователей, работающих с относительно крупными объектами, а также использующих стереомикроскопы.

Спектральная чувствительность

При выборе камеры необходимо обращать внимание на спектральную чувствительность, в зависимости типа проводимых исследований.
Цветные камеры с равномерной чувствительностью во всем видимом диапазоне позволяют работать с образцами в светлом и темном поле, поляризации и ДИК (DIC – диференциально-интерференционный контраст).

Камеры для флуоресценции, УФ или ИК захвата в основном монохромные (черно-белые). Это обусловлено серьезным повышением отношения "сигнал/шум" (вплоть до нескольких порядков, так как теперь не нужны  фотоэлементы для каждого из основных трех цветов) – все исследования в невидимых глазу областях обычно сопряжены с катастрофическим недостатком отражающей способности наблюдаемого объекта, слабой флуоресценции и пр.

Спектральная чувствительность камеры Olympus SC50

Как видно из графика, камера Olympus SC50 обладает хорошей чувствительностью в видимом диапазоне, но применить ее для инфракрасной фотосъемки или ультрафиолетового захвата изображения не представляется возможным.

Размер матрицы и выбор C-mount адаптера

При выборе камеры лучше руководствоваться правилом – чем больше матрица, тем лучше.

Разумеется,  есть исключения, но  это специальные системы, строящиеся под определенные узкоспециализированные задачи  в области микроскопии.
Большая матрица дает два важных преимущества над матрицей меньшего размера (при одинаковом разрешении обеих):
— соотношение сигнал/шум выше, следовательно, выше чувствительность
— больше размер поля зрения – изображение в окулярах и на камере становится максимально приближенным по геометрическому увеличению (достигается при корректном подборе С-mount адаптера).

На рисунке показано сравнение размеров матриц стандартных  камер для микроскопии.

При выборе C-mount адаптера для получения изображения на камере максимально приближенного к прямоугольнику вписанному в изображение окуряров необходимо придерживаться следующего правила: какой размер матрицы камеры, такая и кратность у адаптера, который для неё необходим. Так, для камеры с размером матрицы 1/2 " подходит адаптер 0.5х, 1/3 - 0.35х.

Полезно также учитывать фактор виньетирования (снижение яркости изображения от центра к краю) и усиление аберраций при удалении от центра изображения. Часто в микроскопах разных производителей оптика может иметь аберрации, связанные  с изменением либо освещенности поля зрения (при настройке по методу Кёллера это  либо же изменения цвета окраски препарата ( хроматические аберрации). В микроскопах ведущего производителя Olympus устранены все хроматические аберрации

Поле зрения камер с различным размером матрицы относительно линейного поля 22 мм, видимого в окуляр.

Разумеется, можно использовать камеры с другими оптическими адаптерами, однако это риск получить либо слишком маленькое поле зрения либо получить изображение с черными краями. Например, камера с размером матрицы 1/3″ с адаптером 1х даст крошечное поле зрения, что будет неудобно в практической жизни. Изображение на камере с матрицей 1″  и адаптером 0.5 будет иметь черные края.

Интерфейс подключения камеры

На сегодняшний день самыми популярными для подключения цифровых камер для микроскопии остаются интерфейсы:

1. Firewire (IEEE 1394a)
2. USB 2.0
3. USB 3.0
4. GigE

Firewire сейчас считается морально устаревшим, однако не утратил своей актуальности. Для подключения цифровой камеры для микроскопии нужен либо разъем  IEEE 1394а либо разъем PCI Express в материнской платы ПК.

GigE является более скоростным интерфейсом, что позволяет увеличить скорость съемки. Подключение идет в сетевой порт ПК. Это может оказаться неудобным, если Вам также нужно будет пользоваться локальной сетью или Internet. Выходом является подключение дополнительной сетевой платы для работы с камерой.

USB 2.0 является удобным интерфейсом для подключения камеры. Для подключения необходим порт USB 2.0, имеющийся на любом ПК. Ограничением этого интерфейса является то, что при подключении нескольких устройств (флешки, USB-модем,принтер) уменьшается скорость съемки.

USB 3.0 новый более эффективный интерфейс, который позволяет существенно увеличить скорость и качество съемки в микроскопии. Так,  для USB 2.0 камеры Videozavr VZ-C50S  скорость съемки на полном разрешении составляет 5 к/сек,тогда как для Olympus SC50 на интерфейсе USB 3.0 составляет 15 к/сек.

Камеры с интерфейсом USB 3.0, например, Olympus UC90,обладает качественным «живым» изображением с D разрешением 4K и частотой кадров не ниже 25 к/сек.

< вернуться к списку