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少了目镜的数位显微镜

2024年4月4日7:27 未解之谜网

    显微镜在观察微小物体上发挥非常重要的作用,但传统光学显微镜通常愈将倍率放大,景深就愈浅,在观察立体的生物标本或是组织切片,观察者无论怎样调焦,依然无法获得完全清晰的图片。数位显微镜便能解决这样的问题。

    数位显微镜和光学显微镜最大的差异在于观察方式。数位显微镜不像传统显微镜透过目镜来观察,而是使用数位相机获取画面,再将即时画面投影到连接的电脑萤幕。

    三要件组成数位显微镜

    数位显微镜结合了传统光学显微镜、数位多媒体和数位处理技术,其成像系统通常包括三个模组:显微镜光学模组、资料撷取模组、数位影像处理和软件控制模组。

    显微镜光学模组执行显微成像的功能,将欲观察的样本影像聚焦。一旦聚焦,资料撷取模组就会将影像以数位格式储存在感光元件,如 CCD(电荷耦合装置‍)或 CMOS‍(互补式金氧半导体),再透过 USB 或其他介面传输到电脑储存装置。

    软件控制模组则是整个数位显微镜系统的核心,可即时控制、优化撷取的影像,并加以处理、分析测量。尤其随着功能更强大的电脑出现,数位显微影像可以得到更有效和高效的处理,例如可以取代手动计数功能,或是快速推叠或拼接影像。


    Dtot 表示景深,λ 是照明光的波长,n 是物镜至观察物体间介质的折射率,NA 是物镜的数值孔径

    e 是放置在显微镜物镜图像中,可分辨的最小距离,M 是横向总放大倍率

    从公式可以看到,景深和总放大倍率几乎成反比。而以过去难以同时兼备的高倍率和大景深来说,使用显微镜调整焦点,搜寻并到达分布在不同深度的样本后,再以数位成像设备捕捉分布在这些深度的所有清晰影像,传输到电脑就能产生高品质、清晰的影像。

    另外,也可结合雷射和共轭焦显微镜观察不同深度的横断切面影像,再利用电脑影像处理和 3D 重建演算法,便能可以获得高解析度的立体轮廓,进而观察复杂的细胞骨架、染色体、细胞器和细胞膜。

    数位显微镜的电脑即时处理也常应用在动态或活体(in vivo)检测的研究中,例如细胞膜潜在变化、药物进入组织或细胞膜的过程等。

    数位显微镜的倍率计算

    传统显微镜的总放大倍率为目镜倍率 x 物镜倍率,既然数位显微镜拿掉了目镜改以数位相机、电脑取代,该如何计算总放大倍率呢?

    数位显微镜除了光学放大倍率,还必须考虑数位放大倍率,因此总放大倍率=光学放大倍率 x 数位放大倍率

    • 光学放大倍率:物镜放大倍率 x C 型转接环放大倍率

    由于连接显微镜和相机通常有一个 C 型转接环(C-mount),且内建镜头。因此必须先将物镜放大倍率乘以转接环的放大倍率。

    • 数位放大倍率=萤幕(显示器)尺寸/感光元件尺寸

    数位放大倍率必须考虑的元素有萤幕和感光元件。通常萤幕的对角线尺寸以英寸为单位,因此必须先将测量值转换为毫米(mm);以 19 寸显示器为例,其对角线测量值则为 19 寸 x 25.4=482.6 (mm)。

    感光元件尺寸同样以对角线的测量值来计算。以 1” 的晶片来说,其对角线测量值为 16(mm)。

    感光元件规格(英寸) 对角线
    1″ 12.8 9.3 16
    2/3″ 8.8 6.6 11
    1/1.8″ 7.2 5.4 9
    1/2″ 6.4 4.8 8
    1/2.5″ 5.8 4.3 7
    1/3″ 4.8 3.6 6
    1/4″ 3.2 2.4 4

    因此若以 10X 的物镜搭配 0.67X 的 C 型转接环,变焦 5X 后使用 2/3”CMOS 摄录器拍摄并投影在 24 寸萤幕上。此时总放大倍率为:10 X 0.67 X 5 X 24 X 25.4 / 11 = 1856.5 (倍)

    不过,随着技术的不断进步,数位显微镜和光学显微镜间的界限变得越来越模煳,有些数位显微镜采用更多光学元件,光学显微镜也采用了数位相机技术;相信打破藩篱的那一天指日可待。

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