在使用過程中,很多客戶詢問這樣一個問題:通過數字攝像機輸送到計算機屏幕的圖像中物質顆粒到底被放大了多少倍?為了讓客戶有個更清楚的了解和認識,現將一些關于數碼顯微鏡的放大倍數的知識做個簡單總結。
基礎知識
1.光學顯微鏡的放大倍數
光學顯微鏡的放大倍數是指目鏡的放大倍數乘以物鏡的放大倍數,這就是我們用肉眼通過目鏡所觀測到的。理論上這個放大倍數是可以任意的,只要把物鏡和目鏡的放大倍數做的足夠大。但實際上,受到光源波長的限制,根據瑞利判據,分辨率不能小于觀察波長的1/2,可見光波長約400-700nm,即采用短波長的紫光的情況下,下線分辨距離越200nm。而實際上光學顯微鏡多可以做到放大1000倍(油鏡可以做到大一些,約1400倍),那么大于這個倍數的光學顯微鏡是沒有意義的,因為圖像模糊。
2. 工業攝像機常用的CCD或者COMS靶面尺寸有1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸,具體的對應的傳感器對角線尺寸如下:
1英寸:靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm,對角線16mm。
2/3英寸:靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm,對角線11mm。
1/2英寸:靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm,對角線8mm。
1/3英寸:靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm,對角線6mm。
1/4英寸:靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm,對角線4mm。
2.
計算公式
1.數字放大倍數 = 監視器尺寸 * 25.4/CCD或CMOS靶面尺寸(即對角線尺寸大小) ;(1英寸=25.4mm);
2.系統總放大倍數 = 物鏡放大倍數 *適配鏡放大倍數(顯微鏡與相機的連接頭中鏡片放大倍數)* 數字放大倍數 ;。
例:
A.光學顯微鏡的物鏡放大倍數4-100倍(其中100倍需要用油);
B.1倍連接頭(即內部鏡片放大倍數為1);
C.CMOS對角線尺寸1/2英寸;
D.計算機顯示器尺寸17英寸。
那么該系統的數字放大倍數=17 * 25.4/8=53.975,總下線放大倍數=4*1*53.975=215.9,總上線放大倍數=100*1*53.975=5397.5。
注意:如果圖像不是顯示器尺寸,則應按照圖像實際尺寸計算。還有一種直接的計算放大倍數的方法,顯微鏡回收,就是直接利用顯微鏡測微尺,將測微尺圖像顯示在計算機屏幕中,然后用直尺直接測圖像中測微尺的長度,2個值的比值即為實際放大倍數。
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當代生命科學研究對光學顯微技術提出了越來越高的要求——更高的空間分辨率、更大的成像深度、更快的成像速度。特別是對于生物活體顯微成像來說,生物組織對光的散射使得噪聲大大增強,嚴重影響了空間分辨率和成像深度。為了提高成像深度,雙光子激發激光掃描熒光顯微技術自20世紀90年代提出后被廣泛應用于神經成像等領域,但是其逐點掃描的成像方式嚴重制約了成像速度。因為高分辨率光學顯微鏡的景深很小,要對樣品完成三維成像,通常需要數十層乃至上百層的二維圖像進行疊加重建得到,圖像采集和處理一般需要數分鐘甚至數十分鐘,要快速實時地獲取和顯示三維圖像非常困難。
瞬態室超分辨成像團隊在研究員姚保利和葉彤的帶領下,以雙目視覺原理和貝塞爾光束產生擴展焦場為基礎,提出了由四個振鏡組成的激光束立體掃描裝置,實現了對貝塞爾光束的橫向位置和傾角共三個維度的控制,突破了只有兩個自由度的傳統激光掃描不能實時切換視角的限制。通過對四振鏡立體掃描裝置的優化設計和控制,宜賓顯微鏡,實現了對貝塞爾光束的三自由度快速掃描,可在毫秒量級進行雙視角切換,從而解決了激光掃描立體顯微成像系統中雙光路同時成像的技術難題,一次實現了基于雙視角實時激光掃描的立體顯微成像和顯示系統。該系統可對樣品進行立體動態成像和實時雙目立體觀測,其三維成像速度比傳統的逐點掃描方式提高了一到兩個數量級。該雙光子立體顯微系統為活體生物的三維實時成像和顯示提供了一種新的觀測工具。
“它可以讓我們像觀看立體電影一樣實時地觀測動態的三維微觀世界,無需光切片,無需耗時的三維圖像重構。”楊延龍如此總結這套系統的特點,他負責設計和完成了其中的立體掃描和成像顯示的關鍵部分。“雙目視覺成像是非常有效的三維信息獲取方式,但是現有的體視顯微鏡,原子力顯微鏡,空間分辨率和景深互相制約,我們利用三自由度掃描的貝塞爾光束進行非線性熒光激發突破了這種限制。”
這項研究先后在中科院“百人計劃”和國家自然科學的支持下,從基本原理驗證、關鍵技術突破,到原理樣機完成,經歷了從基礎研究到應用集成的各個環節。目前,課題組正在與國內外相關科研機構開展生物醫學應用的合作研究,期望盡快將該項技術應用于生物活體三維快速成像和顯示領域。
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