Цифровые камеры для микроскопа

Выбор цифровой камеры, адаптера, а также программного обеспечения является достаточно важной частью построения системы для проведения качественных и достоверных исследований на оптическом микроскопе. Установка цифровой камеры и системы видео и фото документирования позволяет создавать базы данных образцов, структурировать изображения, добавлять в отчеты экспертов и исследователей качественный наглядный материал для демонстрации.

В настоящее время производителями представлено большое количество выпускаемых микроскопных камер с различным разрешением от 1 до 50 мегапикселей. В этой статье мы разберемся с актуальностью применения той или иной камеры в зависимости от задачи, стоящей перед исследователем.

Для начала необходимо определиться с задачами, которые будут стоять перед цифровой камерой и программным обеспечением. В большинстве случаев, это получение микрофотографий объектов, а также проведение измерений в 2D (на плоскости).

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). Дополнительными пакетами обычно поставляется программное обеспечение для измерений, составления архивов, сшивки нескольких полей изображения в единый файл, 3D моделирование и пр.

При выборе цифровой камеры для микроскопа необходимо обращать внимание на следующие параметры: физический размер матрицы, разрешение матрицы, чувствительность к различному цветовому спектру, тип сенсора, скорость передачи данных «живого» изображения, интерфейс передачи данных. Рассмотрим все эти параметры подробно на примере нескольких цифровых камер.

Зависимость необходимого разрешения камеры от оптического увеличения системы.

Основные качественные показатели любых микроскопных камер описываются следующими зависимостями: чем больше размер пикселя, тем больше этот пиксель может принять света, исходящего от образца. Таким образом, чувствительность и соотношение сигнал/шум у камеры с физически крупными пикселами будут выше, чем у камер с меньшим размером пикселов. Это очень условное и приблизительное правило, но в большинстве случаев оно работает.

Рисунок иллюстрирует сравнение характеристик камер Olympus. Зеленые поля — это информация, на которую необходимо обращать внимание в первую очередь, желтые — второстепенная информация, а белые 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 флуоресцентной микроскопии. Камера SC-30 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 выше увеличение системы, тем меньше отраженного от образца света попадает на матрицу камеры. Таким образом, при использовании большого оптического увеличения (500 крат и более) необходимы камеры с высокой светочувствительностью и, как следствие с большим физическим размером пикселей. Возможность увеличить размер пикселя представляется либо геометрическим увеличением размера матрицы камеры, либо снижением разрешения камеры. Рассмотрим преимущества и недостатки разных вариантов подробнее.

Оптическое разрешение системы R для некогерентного источника света (то есть для любой микроскопной лампы будь то галогеновый свет, ртутная лампа, либо LED источник) будет описываться следующей формулой:

где λ – усредненная длина волны источника света, 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 нам 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 мегапиксель. При этом, используя камеру 10 мегапикселей, мы только 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 микроскопные камеры 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 5 или 10 мегапикселей. 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 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 – дифференциально-интерференционный контраст, см. статью методики исследования).

Камеры для флуоресценции, УФ или ИК захвата в основном черно-белые. Это обусловлено серьезным повышением отношения сигнал/шум (вплоть до нескольких раз, так как теперь не нужны различные 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.

Размер матрицы и выбор C-mount адаптера

При выборе камеры общие тенденции касаемо размера матрицы – чем больше матрица, тем лучше. Конечно, из правила есть исключения, но их очень мало, и обычно это специальные системы, строящиеся под определенные узкоспециализированные задачи профессионалами 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).

При выборе C-mount адаптера для получения изображения на камере максимально приближенного к прямоугольнику вписанному в изображение окуляров необходимо придерживаться следующего правила: чем больше матрица камеры, тем большей кратности адаптер к ней необходим. Полезно также учитывать виньетирование (снижение яркости изображения на периферии оптической системы) и усиление аберраций при удалении от центра изображения. В значениях рекомендации по выбору C-mount адаптера выглядят следующим образом — 0,5x C-mount подойдет для камеры с диагональю матрицы 1/2,5″-1/2″. 0,63x C-mount работает с камерами 1/2″-2/3″, а однократный адаптер с камерами диагональю 2/3″ и более.

Интерфейс подключения камеры

На сегодняшний день самыми популярными для подключения цифровых микроскопных камер остаются интерфейсы USB 2.0 (3.0) и FireWire. При проектировании рабочего места необходимо учитывать тот факт, что использование портативного компьютера или ноутбука для подключения камеры порой накладывает некоторые ограничения на использование тех или иных камер. Не во всех ноутбуках мы встречаем FireWire разъемы. Необходимо изучать спецификацию камеры, включая требуемые разъемы подключения для корректного выбора характеристик персонального компьютера.
Камеры с интерфейсом USB 3.0, например, Olympus DP-27, в большинстве случаев обладают качественным «живым» изображением с Full HD разрешением и частотой кадров не ниже 25 к/сек.