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显微镜专栏

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

时间:2020/10/31 10:00:13   作者:郑士利   来源:网络转载   阅读:45   评论:0
内容摘要:对于相机,想必大家有不少疑问:“底大一级压死人”是什么意思?像素数越高越好吗?显微图像分辨率与相机有关系吗?今天,蔡司君就为大家介绍显微成像中的相机。01--相机的真面目——传感器相机靠传感器捕捉光信号,并将其转化为电信号,再输出为肉眼可见的数字图像信号。相机芯片的本质就是纵横排列的传感器,每一个传感器采集输出的信号对...

对于相机,想必大家有不少疑问:“底大一级压死人”是什么意思?像素数越高越好吗?显微图像分辨率与相机有关系吗?今天,蔡司君就为大家介绍显微成像中的相机。


01--相机的真面目——传感器

相机靠传感器捕捉光信号,并将其转化为电信号,再输出为肉眼可见的数字图像信号。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

相机芯片的本质就是纵横排列的传感器,每一个传感器采集输出的信号对应着数字图像上的一个像素 (pixel)。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

传感器主要分两种:CCD (Charge Coupled Device, 电荷耦合器)和CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体)。所以我们一般根据传感器类型将相机分类为CCD相机和CMOS相机,在此基础上还有更高端的EMCCD (电子倍增CCD)相机和sCMOS(科学级CMOS)相机。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

▲表达EB3-tdTomato的Cos7细胞。高分辨率、高灵敏度和高帧速呈现整个活细胞结构环境中的所有动态细节。样品由德国维尔茨堡大学M. Sauer提供,ZEISS Elyra 7拍摄(搭载EMCCD或sCMOS相机)


两种传感器作用相同:将光信号转换为电信号,输出数字图像。


但是工作原理不同,CCD的工作原理是……而CMOS……(此处省略近千字,如果对传感器工作原理感兴趣请给我们留言~)


02

相机参数的真相


✓ 相机界流传一句箴言——底大一级压死人。


所谓的“底”,就是我们上文提到的传感器,“底大”是指pixel size大,比如EMCCD,pixel size非常大,对弱信号友好。


这话不错,因为更大的pixel size能够收集更多的光信号。但除此之外,传感器的QE值(Quantum Efficiency,量子效率)也是很重要的,QE值表示传感器将光信号转化为电信号的效率。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

因此,更大的pixel size和更高的QE值有助于我们得到信噪比高的图像。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

▲双通道荧光成像,肾近曲小管细胞系,LLC-PK1   ZEISS Axiocam 702拍摄


✓ 像素数越高越好吗?


手机、电脑、电视的屏幕也是由像素点组成的。理论上说,4K屏幕比2K屏幕清晰,8K屏幕比4K屏幕清晰。也就是像素数越高,图像解析度越高,看起来越细腻。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

但是对于人眼来说,感知不强。在显微成像当中也是一样,像素数并不是最重要的。


因为我们拍摄的图像是放在科研杂志里,客观记录,揭示真相;而不是做巨幅海报,挂在天上,惹人眼球。科研杂志上的一小块地方也没法解析太高像素数的图像。


我们看看乔帮主怎么看待像素数。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

▲图片来自网络

生物研究中荧光信号可能并不强,同等的芯片尺寸,如果像素数太高,那么pixel size可能会太小,不利于弱信号成像。


那这样看来,是不是我们就选择大pixel size的相机就OK了呢?其实不然,显微镜嘛,“显微”二字就是为了揭秘微观世界,让我们看到更微小的细节,那么分辨率的重要性不用多说了吧,直接说结论:pixel size过大会降低相机分辨率。


✓ 显微成像分辨率和相机的关系


抛开显微镜单纯谈相机分辨率很不科学(shua liu mang)。这是因为光学分辨率相机分辨率需要匹配。我们通过一个案例来讲讲怎么计算,请看小黑板。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

反过来也是一样的,如果盲目追求图像信噪比而选择了pixel size非常大的相机,那么相机分辨率会降低,如果降低到一定程度不能匹配显微镜的光学分辨率就得不偿失。


✓ 成像速度不仅仅由相机决定


抛开样品单纯谈相机成像速度依然很不科学(shua liu mang)。这是因为成像速度由两方面决定:

1)曝光时间,指相机芯片接收光信号的时间,这个时间越长,芯片将会接收到更多的光信号,那么图像信噪比会越好;

2)相机读出帧速,指相机读出图像的速度。


对于固定样品,为了好的图像质量,一般来说曝光时间都不会太短,这时曝光时间远大于相机读出图像所需要的时间。


但是当我们进行快速活细胞成像时,为了能够捕捉样品的连续运动图像,往往会调低光强度以降低光毒性,调低曝光时间以获得更高的时间分辨率。这时成像速度很大程度上取决于相机的读出帧速。不过除此之外,也需要高光效率的显微镜作为支撑,否则可能连信号都捕捉不到。


✓ 动态范围


显微图像上的信号是变化的,有强有弱,动态范围就是最弱信号和最强信号之间的范围,给人的主观感受就是明暗的差异。

生物研究中不乏低丰度信号,高动态范围能让弱信号与较强的信号同屏呈现,纵观全局的同时又不遗失局部的低丰度细节。

挑选相机时需要注意的重要参数——蔡司光学

▲HeLa细胞   ZEISS Axiocam 705拍摄,最高(HDR模式)动态范围达1:25000,弱光降噪,500万像素全局快门CMOS传感器,最高全幅帧率62帧/秒。


以上为大家介绍了显微成像中需要注意的重要参数,总结一下真相吧:

1)pixel size和QE值越大相机光电转化效率越高,但pixel size增大的同时也会降低相机分辨率;

2)像素数对图像质量的影响不是最重要的,满足投稿要求即可;

3)成像速度不光由相机帧速决定,需要结合样品和应用案例;

4)高动态范围有利于低丰度信号的展现。












 




出处:正势利工作室

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