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徕卡显微镜30000:1的放大倍率究竟意味着什么?

2015-03-13  发布者:admin 

关于光学显微镜的性能的一个重要标准是放大倍数。该报告将提供数码显微镜的用户有帮助的原则来确定的放大倍率值的有效范围。

对于超过150年,光学显微镜,它采用玻璃透镜聚焦光线,并产生放大的现象,也使微观实体的观察没有看到用肉眼。今天有许多类型的光学显微镜,但这里的重点将放在两种最常见的:数字显微镜,其具有电子图像传感器,但是没有目镜,和显微镜目视观察其中有目镜。 此外,用显微镜目测观察可以配备一台数码相机,因此它可以用于以类似的方式作为数字显微镜。


放大倍率是显微镜,以产生物体的图像以比其实际尺寸的标度更大(或更小)的能力。倍率供应只有当它是可以看到的图像中的对象的更多细节,用肉眼观察物体时比一个有用的物镜。在目前的时间,倍率被很好地定义通过显微镜的目镜观看样品的图像时。对于这种情况,严格的国际标准已被记录在案。许多这些标准也适用于数字显微镜,但严格的定义和用于放大由数字显微镜,其中,所述图像是最经常看到由显示器的电子显示器上实现的标准,仍然在发展。

数字显微镜,以及显微镜目视观察搭载的数码相机,允许快速采集的高质量的图像。它们经常被用于多种技术应用,在许多不同的领域和行业。

放大倍率数码显微镜

基本定义

究竟什么是放大倍率? 倍率的基本定义是一个对象或样品的特定特征的尺寸的比率在由光学系统产生的对象本身的特征的实际尺寸的图像看到。因此,横向放大率,MDIS,可以定义为:

                 Equ. 1


应当指出的是,感知视觉倍率的有用范围显著取决于显微镜系统的最大分辨率。 当放大越过的有用范围,然后对样品没有额外的细节就可以看出。这种情况被称为空倍率。基于最大分辨能力,观看距离也是一个有用的范围,即数字显示和观察者的眼睛之间的距离,可以定义为实际的原因。

数码显微镜或显微镜的视觉观察与数码相机

当通过显微镜肉眼观察的目镜观察图像,总的(横向)放大率被定义为:

                                         Equ. 2


那么

  • MTOT VIS是通过目镜观察到的总的横向放大倍率,

  • MO对是物镜放大倍率,

  • q是总管因子(缩放等管镜头),并

  • ME=目镜的放大倍率。


为了检测诸如数码相机的显微镜被投射到一个电子传感器,图像的情况下,放大倍数为形成在所述传感器的图像是:

             Equ. 3aA

                Equ. 3bB


那么

  • MTOT PROJ 是显微镜的(横向)放大率(图像投影到传感器),

  • p是从目镜到照相机的投影因子,并

  • MPHOT 是从管向照相机照相投影透镜的放大倍数。

总管因子,Q,通常是在0.5:1和25:1的照相投影透镜的放大倍率,MPHOT,通常之间0.32:1和1.6:1。 
对于数字显微镜,没有目镜,从而将图像投射到并通过一个数字照相机的电子传感器检测,然后显示到电子监视器进行观察。 这个事实也是如此显微镜目视观察装备有数字照相机图像时通过监视器观察。 因此,最后的总放大倍数为数字显微镜,MDIS(公式1)中,将始终依赖于显示器的实际像素大小。它可以定义为:

                      Equ. 4


其中MDIS是总横向显示倍率为在监视器和像素比值显示的图像是“放大”的图像,由于图像的信号传输从相机到电子监视器显示。 
像素尺寸比由监视器,相机传感器的像素尺寸的比率确定:

                           Equ. 5


这里从相机芯片到显示器的图像的显示被假设为发生在1对1个像素对应模式中,最简单的情况。在这种显示模式下,根据显示器的像素的数目,图像的仅在显示器上可看到的部分。

数字显微镜的实例示于图1:数字显微镜和立体显微镜用数码相机。

a)


 

B)                                C)


图1:a)徕卡M205ç立体显微镜配备徕卡DFC450数码相机。蚂蚁样品可以通过目镜或电子显示监视器,用于检测图像由照相机观察到。 B + C)的Leica DMS1000数字显微镜利用不同的显示器尺寸的图像显示。


对于一般的光学仪器,分辨率为看到的图像细节的能力。更具体地,分辨能力是区分图像中的相邻的点或它们紧密间隔在一起的对象的线的能力。通常这两个术语是同义使用,但是分辨率是比较实用的。在显微术,分辨率被表示为每毫米的线对。换言之,对黑和白线具有相等线宽和间距可以区分在给定的分辨率。

高倍率值没有足够的分辨率导致空的放大倍率,因为上面已经提到。因此,它是非常重要的,了解限制因素进行解析,而不是仅仅用于数字显微镜,但所有形式的光学显微镜。

相机传感器和显示监视器的像素数量和尺寸

在由徕卡生产的所有显微镜的数码相机中使用的传感器具有多个像素通常介于之间1600×1200及4080×3072和像素大小2和6.5微米(在表1中的例子)的。 高清晰度(HD)的计算机监视器或电视机具有1920×1200或1080个像素和(表2中的例子)介于0.1和0.9毫米的像素大小。因此,该显示器的像素比相机像素更大通常为25到450倍。

相机

传感器类型

宽度(mm)

高度(mm)

像素尺寸(微米)

像素

百万像素

DFC450

2/3''

8.7

6.5

3.4

2,560×1,920

4.92

MC120 HD / DMS300

1 / 2.3''

6.1

4.6

3.34

1824×1368

2.5

MC170 HD / DMS1000

1 / 2.3''

6.1

4.6

2.35

2,592×1,944

5.04


表1:图像传感器规格的徕卡DFC450和MC120 / 170的高清数码相机和徕卡DMS300 / 1000数码显微镜使用。

高清平板显示器

宽度(mm)

高度(mm)

像素尺寸(mm)

像素

百万像素

PC显示器21.5''

476

267

0.25

1,920×1,080

2.07

PC显示器24''

521

324

0.27

1,920×1200

2.3

PC显示器27''

597

337

0.31




1,920×1,080 






2.07 



电视32'

699

394

0.36

电视40'

880

495

0.46

电视48'

1054

593

0.55

电视55'

1211

681

0.63

电视65'

1429

804

0.74

电视75'

1648

927

0.86

电视79''

1734

976

0.45


3,840×2,160 


8.29 

电视84'

1860

1046

0.48

电视85'

1882

1058

0.49


表2:电脑显示器或电视:高清电子监视器显示的例子。

像素尺寸比

从知道的照相机传感器(表1)和平面高清显示器(表2)的典型的像素大小,则值的大小的比率可以使用公式5(表3)容易地计算出来。

相机类型

显示器尺寸(英寸)

85'

79'

75'

65'

48'

32'

27''

24''

21.5''

像素比

DFC450

144:1

132:1

253:1

218:1

162:1

106:1

91:1

79:1

74:1

MC120 HD / DMS300

147:1

135:1

258:1

222:1

165:1

108:1

93:1

81:1

75:1

MC170 HD / DMS1000

209:1

192:1

366:1

315:1

234:1

153:1

132:1

115:1

106:1


表3:像素大小的比率(等式5),用于高清显示器(表2)和徕卡DMS1000 / DMS300数字显微镜和Leica MC170 / MC120 HD和DFC450数码相机(表1)。


例如:数码显微镜体视显微镜用的数码相机

为了简单起见,数字显微镜,实际上是一个数字显微镜和立体显微镜配备有数码相机的仅2实施例中,将在本报告中讨论过。据推测,在显示的图像,使用1对1的相机来监视像素的对应关系,到高清显示器具有尺寸范围从21.5''(对角线尺寸21.5英寸[54.6厘米])至7''(对角线尺寸74.5英寸[189厘米])。 的2个例子是数字显微镜徕卡DMS1000并且立体显微镜徕卡M205 A中具有的数字照相机的Leica MC170 HD采用C型底座安装。表4示出了总放大倍数的实施例(参照等式2和4)获得的值与Leica DMS1000或M205甲配备MC170高清摄像机。为徕卡DMS1000,放大率范围为物镜是0.32x 2倍和管因数(Q),其包括照相投影透镜具有8.4:1的范围内。对于徕卡M205 A和MC170高清摄像头,放大倍率范围的物镜是0.5倍到2倍,为变焦0.78x至16倍,在目镜10倍到25倍,并为C-mount镜头0.4倍到1倍。

徕卡DMS1000

徕卡M205 A / MC170 HD

显示器尺寸(英寸)


目镜

显示器尺寸(英寸)


21.5''

75'

10倍

25X

21.5“

75“

DIS

TOT VIS

DIS

8.4:1

29:1

分钟。

3.9

9.75

16.5:1

57:1

分钟。

420:1

1450:1

最大

子320x

800X

3400:1

11700:1

最大。


表4:总倍率数据中,M TOT VIS和M 的DIS(等式2和4),用于徕卡DMS1000数字显微镜和徕卡M205立体显微镜配备徕卡MC170高清数字照相机。 在可能的范围放大的值,最小到最大,为讨论高清显示器尺寸(见表2)和像素比值(表3)。

30000:1的放大倍率

其中显示器的像素尺寸将需要达到30000总横向显示倍率:1? 一个例子可使用莱卡M205 A和MC170高清摄像机和方程3b所示,4中显示,和5中的最大倍率为M205,一种投射到所述相机传感器是所述样本的图像:


这相当于30000总倍率的像素比例值:1具有32倍以上的倍率到传感器是:

徕卡MC170 HD摄像头传感器的像素大小为2.35微米。利用像素比率值以上,938:1,和一个1对1的相机来监视像素的对应关系,在显示器的像素尺寸必须是:


因此,总放大倍数要实现30000:1与Leica M205 A和MC170高清数码相机,显示器像素大小必须为2.2毫米。这像素大小将对应于高清显示器对角线4.9米!

倍率为数字显微镜有用的范围

现在,人们要问的问题,如果这个水平放大倍率,30000:1,是完全超出了使用范围,这意味着它是空的放大倍率。我们如何确定放大率的一个有用的范围为数字显微镜,其中图像被从监视器观察?首先,它更好地了解了显微镜系统的分辨率和观看距离是非常重要的。

显微镜系统分辨率

对于数码显微镜系统分辨率(或立体声数码相机)是受三个主要因素:

  • 光学分辨率:

                     Equ. 6


其中NA是数值孔径,λ是光在纳米的波长;

其中MTOT PROJ是从样品到传感器(等式3)中,“传感器箱。模式”的倍率是指分级模式,它是1对全帧,2为2×2像素组合等(参照图2),而“像素尺寸”指的是在微米的传感器像素的大小; 和

  • 图像显示(监视)分辨率:

其中MDIS是总横向放大率(等式4)和显示器的像素大小是毫米。


基础照相机传感器和显示监视器的分辨率极限是奈奎斯特速率或频率从用于数字信号处理的采样定理(参考图2)。这个定理假定至少需要2个像素来解决1线对。 对于本报告中,如上所述,一个1对1的对应关系最好的情况下,假定在传感器和显示器的像素之间。 因此,使用等式4和转换监视像素大小为微米单位的,可以清楚地看到,传感器和显示器的分辨率极限是相同的。

数码显微镜系统分辨率的分辨率极限是由最小的3分辨率值以上决定。

 

a)                                     B)


图2a-B:的像素合并模式相机传感器a)检测图像时的例子:不分级(全帧,1×1),双分箱(2×2),三重分级(3×3),和四分级( 4×4),以及b)相机传感器检测的黑/白线对,用来测量显微镜的分辨率极限的,最少需要每线对(奈奎斯特速率)2个像素(红色正方形)。 然而,如果每线对3个或更多的象素被用于更好的图像的结果被获得。


有用的范围观看距离

观看距离是观察者的眼睛和显示图像之间的距离。有用的范围为观看距离是由观察者的显微镜和视觉分辨率角度的系统分辨率的影响。后者通常是2.3至4.6分弧度典型的人类的眼睛。 换言之,一个人的眼睛能够在监视器具有一个间隔距离对应于大于2.3到4.6弧分为特定的观看距离的角度差就显着的细节。有用的范围为观看距离可以表示为:

其中MDIS是总横向放大率(等式4)和“系统分辨率”指的是在显微镜的分辨率极限,如上所述。

对于这里的讨论中,假设观看距离总是有用的范围内。


放大有用的范围

为了理解如何确定倍率为数字显微镜的使用范围,即在观察显示监视器上的放大图像的,首先要简要地提及从视觉观察图像或对象的感知放大倍数。 利用几何光学,下面可以得出:

其中MDIS是总倍率(等式1)和250指的是用于在毫米观看距离是基于所述平均近点对于人眼的标准参考。

现在,放大的最后的有用范围可以通过组合等式9和10被定义为:

因此,放大的有用的范围是1/6和显微镜系统的分辨率的1/3之间。 

高倍率

现代化的摄像头传感器具有像素大小在1-6微米范围内,远低于10微米。当高样品到传感器倍率的情况下,例如150:1,并且没有分级的像素和1对1的传感器来监视像素的对应关系,然后将其从等式6,7所示,和图8以上,该显微镜系统分辨率由光学分辨率极限确定。光学分辨率极限的最大数值孔径,接近1.3,可见光的最小波长,约400纳米,是5400线对/毫米。对于这些相同的条件下,具有小于10微米的像素尺寸的相机传感器的分辨率极限容易超过该值。 对于这个特定的情况下的条件,从上述值的有用范围内的最大倍率式11是1,800x。


低倍

在低放大倍数从样品到相机传感器,1个或甚至更低,数值孔径通常低于0.03。相机传感器与像素的分辨率极限尺寸大于2μm将开始不如在如此低的放大倍数的光学分辨率。 因此,在低倍,1倍或更少,传感器或监视器的分辨率极限将可能是有关的显微镜系统的分辨率的主导因素。

空放大倍率

对于数字显微镜这个讨论中,假设在监视器上的图像始终上述有用的观看距离范围内观察到。每当感知倍率值超过有用放大倍率范围,即1,800x,然后对样品没有进一步的细节就可以解决。

物场(视场)

物场(OF)是被再现的最后的图像的物体的一部分。它也被称为视显微镜视场(FOV)。因此,如果它们存在于物场只能观察到的物体的细节。

当通过目镜看,则是对样品的一部分的一个可见的圆形图像的(参照公式12)的大小是依赖于目镜的场数(FN),以及,对物镜和管透镜的倍率(参考图3)。

在数字显微镜的物场是矩形形状的,由于其接收图像的图像传感器的性质和它显示它(参考图3)的监视器。它被表示在宽度和以毫米为单位给定的高度。对于数字显微镜,护理,必须采取由光学系统产生的图像是足够大,以覆盖整个图像传感器。 在这种情况下,作者可以通过图像传感器或显示器的限制。在这两种情况下有源区的物理大小,由在高度和宽度,它们的物理尺寸(像素间距)的有效像素的数量给定的,必须被考虑在内。

来计算的,传感器的有效面积的物理尺寸(参照公式13)要由物镜管的放大倍数进行划分,并且照相机的投影透镜(MTOT PROJ)或用于通过将总的显示器横向显示倍率,MDIS。这些数值为每个的高度和宽度中的较小定义数字显微镜的。

它是可能的物场的高度和宽度不一定共同由图像传感器或显示器的限制。例如,该高度可以通过显示被限制,而宽度可由传感器的限制。 最终将取决于在图像传感器和显示与像素对应的尺寸和纵横比(1:1,1:2,2:1等)在它们之间进行图象显示。 在这份报告中,假设有1对1传感器像素监视像素的对应关系。

该对目镜可以通过确定:

                                   Equ. 12


那么

  • OFeyepiece作者是通过目镜观察到的物场,

  • FN是目镜场数,并

  • MO × q(由公式2)是目镜前的总放大率由于物镜,缩放和目镜前的任何其它管透镜。

在作者为相机传感器可以使用传感器通过产生样品到传感器的图像的光学系统的综合倍率除以宽度和高度来确定:

那么

  • w是的作者观察到的宽度由传感器,

  • h是的作者观察到的高度由传感器,

  • TOT PROJ是从样品的总放大倍数到传感器(等式3b)中,并

  • 象素尺寸是微米。

在看到的目镜与那些记录由照相机芯片,对于相同的样品,物镜,和变焦设置的图像之间的差,示于图3和4所示。对于图4,物镜和变焦透镜的总倍率为1倍,但是几种类型的徕卡的C-坐骑具有不同放大倍率已被用于安装摄像机,徕卡DFC450用2/3''芯片尺寸到徕卡M205立体显微镜。红色矩形见于图4a表示在图4b中,具有0.32x C型安装拍摄的图像的研究。蓝色矩形表示图4c时,与0.5X C-安装服用。绿色矩形显示了图4D,与0.63x C-安装采取的。图4b示出了渐晕的问题,即在图像的边缘比中心深。为了避免这种问题,通常建议将一0.32x C型安装用于与具有1/3''(8.45毫米)芯片尺寸,0.4倍与1 / 2.3 C接口'的数字照相机(11 MM)芯片尺寸,0.5×带有1/2“C型安装”(12.7毫米)的芯片尺寸,并且一个0.63x用2/3 C型安装'(16.9毫米)芯片尺寸。

 

a)                                                B)


图3:图中显示的图像的直接比较,通过从徕卡公司的数字照相机的目镜(白圈),并同时与芯片(矩形)观看。 所示的两个例子是:a)目镜为20毫米,0.4倍镜头C-mount一个场数(FN)和b)目镜与23毫米FN和0.5倍镜头C-安装。 有些相机检测到的图像在4:3纵横比(红色矩形)格式进行数据存储和16:现场图像输出9纵横比(绿色矩形)格式。


 

a)                                                B) 


 

C)                                                       D)


图4:西门子与明星有一个总物镜,变焦倍率徕卡M205立体显微镜拍摄(MO×Q)1X图像。 第1次的黑线圆有一个10毫米直径和第二直径为20毫米(见于4a和4b)。 图像是a)到10倍的目镜与23毫米FN拍照和记录使用Leica DFC450数码相机配备了徕卡C-安装(M PHOT):B)0.32xMPHOT和27.2×20.3毫米; C)0.5X M PHOT和17.4×13毫米; 和d)0.63x MPHOT和13.8×10.3毫米的。 在4A红色矩形代表的4b的(0.32x C型),蓝色的4C(0.5X C型)的,绿色的4D的(0.63x C型安装)。


物场相机传感器(OF)可使用公式13以上计算。 在作者为徕卡DMS1000和Leica M205甲装有MD170高清摄像机的值的范围被示于表5同样,放大范围为徕卡DMS1000是:物镜0.32x 2倍和管因数(Q)包括摄影投影镜头具有8.4:1的比例,以及徕卡M205 A和MC170高清摄像头:物镜0.5倍至2倍,放大0.78x至16倍,而C-安装0.4倍到1倍。

徕卡DMS1000

传感器


TOT PROJ

宽(mm)

高(mm)

0.08:1

77

58.1

最大

3.96:1

1.5

1.2

最小


徕卡M205 A / MC170 HD

传感器



TOT PROJ

宽(mm)

高(mm)

0.16:1

39.1

29.5

最大

32:1

0.19

0.14

最小


表5:用于从徕卡DMS1000数字显微镜和Leica M205立体显微镜配备有MC170高清数字照相机表示从最小值到最大值的范围内的图像对象字段(OF)的数据(公式13)。

摘要和结论

数字显微镜使用电子图像传感器(摄像传感器),以取代目镜。显微镜进行视觉感知,如立体显微镜,具有目镜,并且可以配备有数字照相机。数码显微镜可以快速获得高品质的图像。它通常用于快速和容易的文档,质量控制(QC),失效分析,研究与发展(R&D)在各种领域。

由于相机传感器的尺寸和电子显示器的尺寸,使用数字显微镜可以是具有挑战性的,当确定的放大倍率和分辨率的多样性。与此报告的数字显微镜的用户可以更好地了解如何评价的总放大率和其有用的范围。此外,关于视物场或场的有用信息进行了讨论。