在使用过程中,很多客户询问这样一个问题:通过数字摄像机输送到计算机屏幕的图像中物质颗粒到底被放大了多少倍?为了让客户有个更清楚的了解和认识,现将一些关于数码显微镜的放大倍数的知识做个简单总结。
基础知识
1.光学显微镜的放大倍数
光学显微镜的放大倍数是指目镜的放大倍数乘以物镜的放大倍数,这就是我们用肉眼通过目镜所观测到的。理论上这个放大倍数是可以任意的,只要把物镜和目镜的放大倍数做的足够大。但实际上,受到光源波长的限制,根据瑞利判据,分辨率不能小于观察波长的1/2,可见光波长约400-700nm,即采用短波长的紫光的情况下,下线分辨距离越200nm。而实际上光学显微镜多可以做到放大1000倍(油镜可以做到大一些,约1400倍),那么大于这个倍数的光学显微镜是没有意义的,因为图像模糊。
2. 工业摄像机常用的CCD或者COMS靶面尺寸有1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸,具体的对应的传感器对角线尺寸如下:
1英寸:靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm,对角线16mm。
2/3英寸:靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm,对角线11mm。
1/2英寸:靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm,对角线8mm。
1/3英寸:靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm,对角线6mm。
1/4英寸:靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm,对角线4mm。
2.
计算公式
1.数字放大倍数 = 监视器尺寸 * 25.4/CCD或CMOS靶面尺寸(即对角线尺寸大小) ;(1英寸=25.4mm);
2.系统总放大倍数 = 物镜放大倍数 *适配镜放大倍数(显微镜与相机的连接头中镜片放大倍数)* 数字放大倍数 ;。
例:
A.光学显微镜的物镜放大倍数4-100倍(其中100倍需要用油);
B.1倍连接头(即内部镜片放大倍数为1);
C.CMOS对角线尺寸1/2英寸;
D.计算机显示器尺寸17英寸。
那么该系统的数字放大倍数=17 * 25.4/8=53.975,总下线放大倍数=4*1*53.975=215.9,总上线放大倍数=100*1*53.975=5397.5。
注意:如果图像不是显示器尺寸,则应按照图像实际尺寸计算。还有一种直接的计算放大倍数的方法,显微镜回收,就是直接利用显微镜测微尺,将测微尺图像显示在计算机屏幕中,然后用直尺直接测图像中测微尺的长度,2个值的比值即为实际放大倍数。
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当代生命科学研究对光学显微技术提出了越来越高的要求——更高的空间分辨率、更大的成像深度、更快的成像速度。特别是对于生物活体显微成像来说,生物组织对光的散射使得噪声大大增强,严重影响了空间分辨率和成像深度。为了提高成像深度,双光子激发激光扫描荧光显微技术自20世纪90年代提出后被广泛应用于神经成像等领域,但是其逐点扫描的成像方式严重制约了成像速度。因为高分辨率光学显微镜的景深很小,要对样品完成三维成像,通常需要数十层乃至上百层的二维图像进行叠加重建得到,图像采集和处理一般需要数分钟甚至数十分钟,要快速实时地获取和显示三维图像非常困难。
瞬态室超分辨成像团队在研究员姚保利和叶彤的带领下,以双目视觉原理和贝塞尔光束产生扩展焦场为基础,提出了由四个振镜组成的激光束立体扫描装置,实现了对贝塞尔光束的横向位置和倾角共三个维度的控制,突破了只有两个自由度的传统激光扫描不能实时切换视角的限制。通过对四振镜立体扫描装置的优化设计和控制,宜宾显微镜,实现了对贝塞尔光束的三自由度快速扫描,可在毫秒量级进行双视角切换,从而解决了激光扫描立体显微成像系统中双光路同时成像的技术难题,一次实现了基于双视角实时激光扫描的立体显微成像和显示系统。该系统可对样品进行立体动态成像和实时双目立体观测,其三维成像速度比传统的逐点扫描方式提高了一到两个数量级。该双光子立体显微系统为活体生物的三维实时成像和显示提供了一种新的观测工具。
“它可以让我们像观看立体电影一样实时地观测动态的三维微观世界,无需光切片,无需耗时的三维图像重构。”杨延龙如此总结这套系统的特点,他负责设计和完成了其中的立体扫描和成像显示的关键部分。“双目视觉成像是非常有效的三维信息获取方式,但是现有的体视显微镜,原子力显微镜,空间分辨率和景深互相制约,我们利用三自由度扫描的贝塞尔光束进行非线性荧光激发突破了这种限制。”
这项研究先后在中科院“百人计划”和国家自然科学的支持下,从基本原理验证、关键技术突破,到原理样机完成,经历了从基础研究到应用集成的各个环节。目前,课题组正在与国内外相关科研机构开展生物医学应用的合作研究,期望尽快将该项技术应用于生物活体三维快速成像和显示领域。
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