在显微镜应用中如何找到合适的科研型相机

在医学和生物学研究，诊断，医药产品测试或材料科学领域的各种光学显微镜应用中，图像处理是最重要的一环。本文说明了在不同应用中选择相机时要考虑的几个因素：

要在显微镜中使用图像处理，为各种显微镜应用选择最合适的组件至关重要。除显微镜本身外，还包括选择正确的镜片，照明，滤光片和偏光片，具体取决于所用的染料和对比方法。最终，相应应用的特殊要求对于选择最合适的显微镜相机和兼容的图像处理软件起决定性作用。

1. 单色或彩色相机

图1 单色传感器(左)和带有拜耳模式滤色器的传感器(右)

彩色相机在应用中非常灵活，是传统光学显微镜广泛领域不可或缺的一部分。包括生物医学和临床实验室环境以及工业和材料研究中的许多常规微观应用。

因此，对于显微镜图像，通常使用彩色相机。其颜色保真度和颜色再现应尽可能准确，以便能够可重复地区分材料和生物样品中最精细的结构。此外，由于彩色照相机具有高灵敏度，因此在标准荧光显微镜这类光强度较低的应用中，也能出色地完成任务。它们还适用于使用多频带滤波器同时监测和记录多个荧光团的应用。

单色相机不包含颜色信息，它可提供有关图像传感器亮度值的完整信息。与彩色相机会因为通过滤色器吸收光能而导致光强损失相比，单色相机没有光强损失。因此单色相机非常适合不需要颜色信息的复杂荧光显微镜应用。

2.传感器类型(CCD与CMOS)，帧速率，快门选项

图2 CMOS传感器

对于传感器类型，主要有基于CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)两大类。CCD和CMOS传感器都将光(光子)转换为电信号。但它们二者的技术设计根本不同，因此它们的特性也不同。选择正确的传感器类型取决于应用。一般来说，CCD传感器因其低噪声系数，高填充因子，强信噪比，图像色彩保真度以及具有非常高的图像质量而脱颖而出。这些特性使得使用CCD传感器的相机成为低光应用的理想选择。但近年来，COMS的高速(帧速率)和分辨率(像素数)，较低的功耗以及最近改进的噪声特性，动态，量子效率和色彩概念已经使它们向包括显微镜应用在内的以前使用CCD传感器的应用开放。其中特别是高速度和现代CMOS传感器的新颜色概念提供了出色的实时图像。

帧速率用来描述传感器每秒可以捕获和发送的图像的数量。帧速率越高，意味着传感器越快，每秒捕获的图像越多，可以传输更高的数据量。对于自动化应用，除了高图像质量之外还需要高吞吐量，因此需要更高的帧速率。例如对样品的自动扫描，用于自动聚焦或多个图像在短时间内完整再现的应用。

相机快门仅在曝光时打开，选择合适的曝光时间以提供所需的光通量。主要有全局快门和滚动快门两种选项。CCD传感器始终使用全局快门，而CMOS传感器则提供两种型号。两种快门之间的区别在于传感器曝光图像的方式：对于全局快门，整个传感器同时暴露，这意味着光线同时照射到传感器的整个表面。具有滚动快门的传感器则以快速的时间顺序(在几微秒内)逐个单元地逐步曝光。比全局快门相比，带有滚动快门的传感器由于读出噪声低，具有更高的动态范围。高动态性允许高质量地记录和分析详细的结构信息。但在样品/样品台的非常快速移动期间或在曝光期间物体的移动可能导致失真，被称为滚动快门效应。可以通过使用特定限制内的曝光时间来防止滚动快门效应。

3.分辨率，像素点大小和传感器尺寸

图3 由不同像素数相机记录的同一图像

相机传感器的分辨率是指传感器上的像素数。例如，某相机具有500万像素的分辨率，意味着光学系统投射到该传感器上的图像被分解为500万像素点。对于显微镜相机，显微镜中相机的像素分辨率应高于镜头的光学分辨率，建议像素分辨率至少是镜头光学分辨率的三倍。例如，若需要较低的放大倍率，则需要具有相应高分辨率的相机，以实现显微图像的所有细节的理想记录和再现。根据应用的不同，300万到500万像素通常就足够了。因为由于光学系统的限制，更高的分辨率通常不会提供任何附加图像信息。

像素点大小也很重要。通常对于单色及彩色传感器，像素最小分别为5μm和2.5μm是合理的选择。

图4 常见的传感器尺寸(一英寸约等于16毫米)

对于显微镜相机来说，传感器的尺寸通常在1/3“到1”之间。应该比镜头的视场直径略小，以便可以以理想清晰度再现传感器图像的所有区域。

图5

最常见的用于微观应用的是具有4:3横纵比的传感器。

4.冷却CCD/CMOS传感器与非冷却传感器

任何传感器都会产生暗噪声或暗电流：热量在传感器芯片上的像素中产生电子，其与由光产生的电子混合，引起干扰以覆盖所需的图像信息使图像内容失真。暗电流和噪声与传感器温度成正相关，在运行期间，传感器温度增加会导致更大的噪声。通过冷却传感器可以减少暗电流。假设图像信号保持不变，将传感器温度降低7°C可降低约一半暗电流。

通常非冷却传感器能够满足大部分应用，但如果在较弱的照明条件下需要特别长的曝光时间，或者如果图像分析或进一步处理需要特别恒定且可重复的结果，则冷却传感器是正确的选择。例如体内生物发光应用或天文学中的应用。

5.总结：

如果要使用彩色相机，请确保相机提供颜色配置。对于复杂的荧光应用，考虑使用单色相机产生较少的噪音。如果要以低放大倍率再现大部分样品，请选择高分辨率。对于标准显微镜应用，帧速率较低的相机通常能够满足需要。使用合适的软件可以显著提高图像质量，始终使用相机的最新软件版本。

审核编辑 黄宇