数字成像 – 显微镜的新机遇

2022-11-04 14:53:01 浏览:182

前言

数字成像技术的爆炸性增长正在席卷成像市场。最新的数码相机与强大的计算机软件相结合,现在提供的图像质量可与传统的卤化银胶片摄影相媲美。此外,数码相机也更易于使用,并为图像处理和存储提供了更大的灵活性。

 

数字成像 – 显微镜的新机遇

图1-小鼠肠道的荧光数字图像

 

数字成像越来越多地应用于显微镜的图像捕获 - 这是一个需要高分辨率、色彩保真度和仔细管理(通常是有限的光线条件)的领域。即使对于传统的胶片摄影,这些要求也是具有挑战性的,那么为什么要考虑数字成像呢?本文将讨论数字成像在这些条件下的表现,以及数字成像对光学显微镜专家的优势。

图1所示是用三个荧光团染色的小鼠肠道厚切片的数字图像,并用与SMZ1500体视显微镜耦合的尼康DXM1200数码相机系统记录。该图像是利用荧光和尼康专有的倾斜相干对比度(OCC)照明技术的组合捕获的。总共执行了四次集成,并在Photoshop中合成图像以产生图中所示的最终版本。

为什么考虑数字成像?

需要强调的是,最终图像的质量,无论是数字图像还是胶片,都取决于原始显微镜图像的质量。无论数码相机或传统相机有多好,它都无法从配置不佳的显微镜中产生出色的图像。此外,胶片和数字成像系统都可以揭示通过显微镜目镜观察时无法立即看到的缺陷。

随着电子通信的普遍增长,对数字图像有真正的需求,数字图像可以很容易地传输给广大用户。例如,数字图像可以简单地通过电子邮件发送以供咨询和讨论,并入其他数字文档,导出到图像分析系统或张贴在网站上,因为它们易于复制、存储和存档。它们也可以使用适当的软件轻松注释,以包含在演示文稿或档案中。虽然摄影图像可以扫描到计算机中以生成数字图像 - 但从一开始就捕获数字图像可以节省时间和精力。

大多数数码相机都采用“点击”原则 - 几乎不需要摄影专业知识。相比之下,传统的显微摄影需要一些摄影技术知识。用户需要了解不同种类的照相胶片的优缺点,应仔细注意他们使用的滤光片,并对镜头光圈、快门速度、景深以及彩色显微摄影的色温之间的关系有一定的了解。结果可能是可变的,特别是对于新手,因此对关键图像进行“包围”曝光的重要做法,即拍摄至少三张单独的照片以确保至少一张照片是成功的。然而,这增加了薄膜和加工成本。数字成像不会产生持续成本 - 没有胶片或加工费用。

数字成像几乎是瞬时的。大多数相机都有一个LCD屏幕,可以查看图像,并且可以将图像快速传输到PC。可以立即决定图片是否令人满意。另一方面,胶片需要显影和加工才能被看到。到这个时候,这个主题可能不再存在,特别是在显微镜学家记录活细胞中的动态事件的情况下。

在数码相机中寻找什么?

摄像机提供数字或模拟输出。对于模拟输出,有几种不同的标准,如PAL,NTSC或RS-170,对于传输数据,也有不同的格式,如RGB,S-VHS或复合。模拟信号必须先使用图像采集卡转换为数字信号,然后才能发送到计算机,而在数码相机中,发送到计算机的信号已经是数字格式。这减少了噪音,显然省略了对图像采集卡的需求。数字信号可以使用串行或并行端口(速度较慢)、USB(速度更快,但几乎在所有现代计算机上可用)、Fire Wire(比 USB 快但不是那么普遍)或通过 PCI 总线的板(最快、广泛可用但需要板安装)传输到计算机。

 

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图 2 - DXM 1200 数字日食 ACT-1 控制软件窗口元素

 

数字成像系统将图像传输到计算机的速度各不相同,这是拍摄大量照片的实验室的重要考虑因素。对于低容量用户来说,等待一分钟将图片下载到PC可能是可以接受的,但对于繁忙的实验室来说,这可能会严重限制速率。

图2所示为尼康DXM1200数码相机系统的Windows界面。相机需要将专有卡插入计算机主板,并通过随附的自动相机驯服器(ACT)软件控制输入/输出。

实时图像流对于聚焦和定位非常重要 - 相机要么具有板载LCD查看监视器,要么用户应该能够在PC屏幕上查看要实时拍摄的图像。LCD 监视器需要足够大才能很好地看到图像,尤其是在没有到 PC 的实时流的情况下。一些LCD屏幕可以向用户的方向倾斜,以便于查看。这可能很重要,特别是对于显微镜学家。

对于需要使用相机在实验室周围执行各种任务的用户来说,可以轻松从显微镜上安装和拆卸的相机将是一个优势。

分辨率可能是选择相机的最重要参数。图像必须能够记录显微镜放大倍率显示的精细细节。数字图像由数百万个称为图像元素或像素的小方块组成。这些微小的像素用于显示或打印图像,给定区域中的像素越多,图像的分辨率就越高。如果数字图像被放大,那么各个元素可以被视为单独的点 - 类似于卤化银照片中的颗粒,图像包含的像素越多,在单独的像素开始显示之前,它可以放大的像素就越多。图像的大小可以通过其尺寸来描述,例如,1500 x 1700像素或存在的像素总数,在本例中为255万。分辨率也经常被引用为带电耦合器件(CCD)的大小,它实际上是芯片上的像素数。然而,应该注意的是,单个像素的大小因不同类型的CCD而异。对于显微镜,6.7微米的像素大小(正方形)被认为是理想的。

当光线进入相机时,它会通过一个过滤器,将像素分为红色、绿色和蓝色调像素 - 使用的颜色创建整体彩色图像。然后光线被引导到CCD,CCD是将光线转化为电荷的专用半导体。电荷的强度与来自主体的光的强度成正比。存储在数字图像中的值指定每个像素的亮度和颜色。

高分辨率

一些相机通过使用“猜测”两个像素之间的值的软件进行额外的外推步骤来实现其分辨率。此值用于最终的“外推”图像。其他相机获取三个单独的图像 - 红色,绿色和蓝色各一个,然后将其组合成全分辨率(非外推)图像。这种方法的缺点是曝光时间增加了三倍。

 

数字成像 – 显微镜的新机遇

图3-带数码相机系统的尼康Eclipse E800显微镜

 

高分辨率也可以通过尼康最近为其DXM1200数码相机引入的新技术来实现(图2和图3)。被称为IPS(像素间步进)的技术使用压电机制来提高芯片的分辨率,例如,总共九个步骤,大约1/3像素。在这种情况下,这将图像的分辨率和大小增加 9 倍。使用这种方法,对多个图像进行平均,以产生更清晰的图像,噪点更少。DXM1200 可生成具有约 1200 万输出像素的高质量图像。这大致相当于传统35mm胶片中卤化银晶粒的数量。因此,性能可与传统的基于胶片的卤化银图像相媲美,甚至在放大方面甚至超过它们。其低噪声设计特别适用于捕获低光图像,例如荧光研究。提供三种灵敏度级别,长达 170 秒的长曝光时间可确保捕获昏暗的标本。

软件

软件显然是数码相机的一个重要功能。更强大的软件为用户提供更大的灵活性,但软件功能应与实验室的需求相匹配。对于专业用户,DXM1200 随附的 ACT-1 图像采集软件提供了易于使用的复杂功能。

结论

数字成像为显微镜专家提供了一个充满机遇的世界,提供了一个易于使用的图像采集系统,可以轻松存储、操作和管理图像。

选择数码相机时,分辨率、图像传输速度和色彩保真度是良好的起点,但软件和易于操作也是重要的考虑因素。由于数字成像的简单性,高质量图像现在触手可及。

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作          者: 泮桥成像光电商城

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