Камера для микроскопа

Камеры для микроскопа: зеркальные или специальные 

Микроскопией, как и любым другим ремеслом, занимаются профессиональны и любители. Пользователи-любители часто предпочитают устанавливать зеркальные камеры, а иногда даже переходники для камер мобильных телефонов, чтобы снимать свои исследования под микроскопом. С точки зрения экономии – любителей можно понять и если снимки необходимо только для художественных целей, то ничего плохого в неспециализированных камерах нет, более того, алгоритмы автоматического улучшения снимков, сэкономят время при постобработке изображения. Понимание, почему в нынешнее время перестали устанавливать неспециализированные камеры на микроскопы, приходит с изучением истории фотографирования через микроскоп.

На ранних микроскопах изображение фотографировали при помощи самых технически совершенных щелевых фотоаппаратов.

Рисунок 1. Снимки клеток крови на дагерротипной пластинке, сенсибилизированной соединениями йода и брома (1845 год)

На то время, это была самая совершенная техника и, как Вы можете наблюдать на снимке выше, современные технологии ушли далеко вперёд. Как мы и говорили ранее, микрофотосъёмка с самого своего появления боролась с такими неприятностями как:

1. Недостаточная освещённость
2. Выгорание фотопластинок и матриц, необходимость использовать защитные светофильтры
3. Смазанные изображения при малейшей вибрации
4. Невозможность вести потоковую трансляцию изображения
5. Боковые засветки
6. Неравномерность резкости изображения по всему полю зрения микроскопа
7. Низкая детализация снимков
8. Низкая скорость съёмки
9. Необходимость изготовления особенных адаптеров под каждую новую камеру и отсутствие единого стандарта
10. Большое количество шумов
11. Небольшой динамический диапазон
12. Малое количество воспринимаемых цветов.

И это неполный перечень тех проблем, с которыми приходилось сталкиваться до конца XX века. Давайте рассмотрим по порядку все современные способы получения микрофотографий. Доступный каждому способ – съёмка на мобильный телефон через окуляр микроскопа. При таком способе съёмки есть несколько преимуществ: низкая стоимость, возможность записи и трансляции видеопотока при использовании штатных средств, предустановленных в новых мобильных операционных системах. Детализация снимков на стабильно низком уровне, каким бы дорогим телефон не был. Причина проста – агрессивное поведение ПО любого телефона, которое вырезает многие детали. В телефонах установлены крошечные матрицы, без аппаратной возможности регулировки глубины резкости. Мало света из микроскопа, много засветок и бликов. Чрезвычайно сложно совместить оптические оси микроскопа и объектива телефона, и ещё сложнее, правильно выбрать фокусное расстояние. Динамический диапазон всех современных телефонов мал, а количество воспринимаемых цветов меньше, чем у специализированных камерах в той же ценовой категории.

Рисунок 2. Фрагмент текста. Съёмка на мобильный телефон через микроскоп

Зеркальные фотоаппараты широко применялись для микрофотосъёмки в XX и начале XXI веков. В наше время уже нельзя всерьёз рассматривать использование плёночных фотоаппаратов в профессиональных микроскопах, потому что исследователю необходимо в режиме реального времени наблюдать за перемещением и наведением на образец. Проблема засветки плёнки, в поздних моделях профессиональных камер, была минимальна, а цветопередача на дорогой плёнке была превосходной. Можно сказать, что полученные снимки зернисты, но это абсолютно несущественно и не умаляет количество получаемой информации. Моральное устаревание такого метода произошло из-за долгого процесса проявки, неудобного наведения на объект, необходимости экономить плёнку и невозможности записывать видео.

Рисунок 3. Кристаллы под микроскопом. Зеркальный фотоаппарат, плёнка

На смену плёнке пришли цифровые матрицы и до сих пор сложно выбрать между цифровыми зеркальными фотоаппаратами и специализированными цифровыми камерами.

Рисунок 4. Диатомовые водоросли. Слева фотоаппарат Olympus OM-D E-M1 Mark II Kit. Справа Olympus LC30 – специализированная цифровая камера 3,1МП

Обратите внимание на снимок выше. Это сравнение двух фотоаппаратов в одной ценовой категории. Слева снимок с зеркального цифрового фотоаппарата без объектива. Если многократно увеличить снимок, то заметно, что резкость неодинаковая по всему полю изображения (слева изображение немного смазано). Это можно объяснить тем, что в зеркальном фотоаппарате много мелких элементов, подверженных тряске и малым количеством пикселей, задействованных в построении изображения. Матрица зеркального фотоаппарата больше, чем у LC30, поэтому маленькое изображение с C-mount 0,38х, проецируемое на большую матрицу обрабатывается не всей её поверхностью. Чем выше разность в освещении разных частей снимка, тем больше шума на готов снимке.

Наглядный пример подбора C-mount адаптера, чтобы поле зрения изображения попадало на всю матрицу камеры микроскопа, приведён ниже:

Рисунок 5. Подбор C-mount адаптера для матрицы 1"

Теперь разберёмся в строении Зеркальной фотокамеры:

Рисунок 6. Схема устройства зеркальной фотокамеры

При съёмке через микроскоп, роль объектива выполняет оптическая система микроскопа. В отличии от камер для микроскопов, которые устроены гораздо проще, в зеркальных фотокамерах есть зеркало, через которое изображение попадает в видоискатель и формирует изображение, которое видит наблюдатель. Такой принцип формирования изображения уже накладывает ограничения: Изображения, проецирующиеся в окуляр фотокамеры, нельзя выводить в реальном времени на монитор (без применения дополнительной видеокамеры, транслирующей изображение из окуляра). Что это значит? Это значит, что сначала необходимо навестись на объект через окуляры микроскопа, потом переключить свет на камеру, после чего, через окуляр камеры, навестись снова на резкость и зажать кнопку съёмки. Когда Вы зажимаете кнопку съёмки, то зеркало поднимается, свет проходит через затвор и попадает на матрицу. Всё, изображение готово. А теперь краткий список вибраций, которые вы увидите при фотографировании на увеличении 1000х-1500х:

1. При нажатии кнопки вы немного сместите камеру, даже если микроскоп установлен на антивибрационном столе
2. При подъёме зеркала тоже будет небольшая вибрация, которая может немного сместить оптическую ось, и Вы увидите неравномерную резкость
3. Т.к. все операции с микроскопом проводятся стоя, то Вы ещё и опираетесь на микроскоп/стол, что так же не повышает качество изображения
4. Многое зависит от технологии затвора. Полнокадровые затворы всё это минимизируют и снимки не «желеобразные»

Как видно, из всего вышесказанного, лучшим решением для микроскопа будет специализированная камера с ПО, например, Stream. При выборе самих камер обратите внимание на: технология матрицы, разрешение, размер матрицы и размер пикселя, затвор, скорость передачи данных и интерфейс, наличие охлаждения, цветочувствительность, совместимость с определёнными ОС, необходимость подключения через специальные платы, тип крепления, функциональные возможности всего ПО и его подключаемых модулей.

Обо всём по порядку. Во-первых определитесь с необходимой технологией. На рынке сейчас наиболее распространены два типа сенсоров, это CMOS (КМОП) и CCD (ПЗС). Эти сенсоры дают принципиально разную картинку.

Рисунок 7. Технология CCD и CMOS

Обратите внимание на рисунок 7. Процесс оцифровки аналогового изображения в CMOS матрицах происходит в каждом чувствительном элементе, поэтому процесс происходит быстрее, но итоговое изображение получается более «шумным» и возможно искажение цветов. В CCD аналоговый сигнал преобразуется в цифровой на выходе со всех пикселей.

Плотность фотодиодов в CCD значительно выше и гораздо больше света участвуют в построении изображения, поэтому динамический диапазон камер с такой матрицей гораздо выше, чем у их конкурентов. Но у CMOS матриц намного выше максимальная скорость съёмки, поэтому все высокоскоростные камеры оснащены CMOS сенсорами. Есть и камеры, совмещающие в себе два матрицы, например, DP80.

Второй пункт, на который Вам необходимо внимание, это максимальное разрешение (максимальный размер фотографий) камеры. Какой бы чувствительной камера не была, но она не сможет дать достойную детализацию, если необходимо отобразить множество мелких деталей. Тут кроется небольшой парадокс: чем выше увеличение, тем меньше разрешение камеры Вам нужно. Чем меньше увеличение, тем больше нужно пикселей. Да, тут надо учесть и разрешающую способность объектива, поэтому даже на малом увеличении стереомикроскопов начального уровня – высокое разрешение не прибавит детализации снимков. Размер изображения измеряется в пикселях и во всех камерах этот размер разный. Обычно этот размер пишет производитель и вы можете самостоятельно пересчитать сколько их, если учтёте диагональ матрицы и соотношение сторон матрицы 4:3 (это стандарт для микроскопных камер). Для простоты уточним: разрешение камеры для стереомикроскопа: 16-18Мп (SC180), разрешение для цитологических микроскопов и металлографических (с максимальным увеличением 400х-500х) 5-10Мп (SC50, DP27, UC90). Микроскопы с увеличением до 1000х нуждаются в разрешении порядка 3-5Мп (LC30, SC50, DP22). С большим увеличением от 3Мп (LC30 и др.). Это не жесткое правило, так как, например, для ортоскопии детализация не так важна, как цветопередача, поэтому лучше доплатить за тип матрицы, чем за её разрешение.

Размер пикселя и чувствительность — это важнейшие параметры при выборе любой камеры. Чем больше пиксель – тем боле света он получает. Чем больше света он получает – тем больше линз можно установить в оптической системе микроскопа. Так, например, объектив План Ахромат 150х пропускает только 2/3 всего света. Если добавить в эту систему тубус (а он необходим), C-mount адаптер, то можно надеяться на 50% света, исходящего из осветителя. Помимо этого, могут вставляться дополнительные фильтры, конденсор, и прочие оптические элементы. Количество пропускаемого света можно увеличить, использовав, например, объективы Апохромат или Флюорит, но это удорожает микроскоп не меньше, чем камера.

Рисунок 8. Спектральная чувствительность камер ToupTek

На рисунке 8 показана чувствительность камер ToupTek BIGEYE. Обратите внимание, что чувствительность неоднородна и не все длины волн воспринимаются камерами одинаково хорошо. Для чего это нужно? Например, для таких методов как ДИК, где очень важно точно дифференцировать цвета. Высокая цветочувствительность поможет и при определении границ объектов на больших увеличениях, когда видна интерференция на краях структур.

О затворах надо знать следующее: Rolling shutter, [постепенно] раскатывающийся затвор – это то, чего не должно быть в вашей камере. При таком типе затвора, любое микро-смешение образца будет похоже на желе.

Рисунок 9. Полупроводники. Эффект Rolling Shutter

На рисунке 9 отчётливо видно искажение в поле зрения. Так же видно окружающее тёмное поле, из-за неправильного подбора малого увеличения C-mount адаптера и большой 1” матрицы. Лучшие затворы, это те, что делают полнокадровые снимки. Технология, как и всё хорошее, дорогая, но окупает себя. Примеры: DP74, DP80 и прочие.

Охлаждение это последнее, на что стоит обращать внимание, если Вы не планируете заниматься флуоресцентными исследованиями. При флуоресценции может сильно нагреваться камера и изменяться чувствительность из-за нагревания и смещения различных элементов матрицы. Типов охлаждения всего два и необходимо уточнять у продавца, каким образом лучше охлаждать ту или иную матрицу. Воздушное охлаждение подойдёт при необходимости сэкономить деньги и непродолжительности флуоресценции, т.к. снижает температура матрицы, максимум, на 2-4°, охлаждение элементами Пелтье может охлаждать и на 8-10°.

Программное обеспечение и набор его модулей зависит только от задач, поставленных исследователем и микроскопа, с которым оно может быть совместимо. Вы всегда сможете подобрать оптимальную камеру для Ваших исследование из модельного ряда камеры производимых Olympus.

Каталог -> Камеры Olympus для микроскопов