APLIKACJE

Z czym się je powiększenie i co naprawdę oznacza powiększenie 30 000:1?

Powiększenie, jak je interpretować?

Jednym z najważniejszych kryteriów dotyczących działania jak i wyboru mikroskopu optycznego jest powiększenie. Poniższy artykuł przedstawi przydatne wskazówki w celu ustalenia wartościowego zakresu powiększeń.

Obecnie istnieje wiele rodzajów mikroskopów optycznych. W poniższym artykule będą rozważane dwa typy:

mikroskopy cyfrowe, z elektronicznym sensorem obrazu, bez klasycznych okularów (na przykładzie Leica DMS1000)

mikroskopy „klasyczne” na przykładzie mikroskopu stereoskopowego (M205 C), z okularami i wyposażone dodatkowo w kamerę cyfrową (dzięki temu można je używać na zbliżonych zasadach jak mikroskop cyfrowy)

Powiększenie to zdolność mikroskopu do wytworzenia obrazu obiektu w skali większej (lub nawet mniejszej) niż jego rzeczywisty rozmiar. Powiększenie ma tylko sens, gdy jest możliwość zaobserwowania większej ilości szczegółów danego obiektu na obrazie, niż gdy obserwujemy go gołym okiem. Dla powiększeń osiągniętych przez mikroskop cyfrowy są podane ścisłe definicje i standardy określone precyzyjnie w normie międzynarodowej ISO 18221:2016 Microscopes — Microscopes with digital imaging displays — Information provided to the user regarding imaging performance. Norma określa minimalny zakres informacji, które producenci mikroskopów z cyfrowymi wyświetlaczami muszą przekazać użytkownikowi, odnośnie parametrów obrazowania. Określa ona również terminy i definicje dla opisania parametrów optycznych podczas obrazowania cyfrowego.

Podstawową definicją powiększenia jest stosunek wielkości danej cechy obiektu/próbki widzianej na obrazie wytworzonym przez układ optyczny do rzeczywistej wielkości danej cechy na obiekcie/próbki. Wiec powiększenie można zdefiniować:

Co ważne, użyteczny zakres postrzeganego powiększenia wizualnego w dużym stopniu zależy od maksymalnej mocy rozdzielczej układu mikroskopowego. Gdy powiększenie wykracza poza użyteczny zakres, nie można wówczas zobaczyć żadnych dodatkowych szczegółów próbki, tym samym otrzymuje się tzw. Puste powiększenie.

Mikroskopy cyfrowe i mikroskopy „klasyczne” do obserwacji wizualnych za pomocą kamery mikroskopowej

Podczas obserwacji obrazu przez okulary w celu wizualizacji całkowite powiększenie jest zdefiniowane jako:

MTOT VIS – całkowite lateralne powiększenie obserwowane przez okular

MO – powiększenie obiektywu

q – całkowity współczynnik tuby (zoom oraz powiększenie tuby)

ME – powiększenie okularu

Przykład dla mikroskopu o parametrach:

Obiektyw 40x ( MO = 40) ; całkowity współczynnik tuby 1 (q = 1) ; Okulary 10x (ME = 10)

Powiększenie dla mikroskopów z cyfrowych sensorem

W przypadku wykrywania obrazu mikroskopu rzutowanego na sensor elektroniczny, jak kamera cyfrowa, powiększenie obrazu wytworzonego na czujniku wynosi:

MTOT PROJ – lateralne powiększenie mikroskopu (obraz rzutowany na sensor)

p – współczynnik rzutowania z okularu na kamerę

MPHPT – powiększenie soczewki projekcyjnej z tuby na kamerę

W mikroskopie cyfrowym nie występują okulary, więc obraz jest rzutowany na elektroniczny sensor kamery cyfrowej, a następnie wyświetlany na monitorze elektronicznym w celu obserwacji. Ten przypadek dotyczy również mikroskopu „klasycznego” wyposażonego w kamerę cyfrową, gdy obraz jest obserwowany przez monitor. Zatem ostateczne całkowite powiększenie dla mikroskopii cyfrowej, MDIS, zawsze zależy od rozmiaru obrazu wyświetlanego na monitorze i rozmiaru sensora i może być wyrażone w następujący sposób:

MDIS – całkowite lateralne powiększenie dla obrazu wyświetlanego na monitorze

stosunek rozmiaru obrazu – „powiększenie” obrazu z sensora kamery na monitor elektroniczny.

Przykład dla mikroskopu o parametrach:

Obiektyw 20x (MO = 20) ; całkowity współczynnik tuby 1 (q=1) ; powiększenie soczewki projekcyjnej z tuby na kamerę (MPHOT = 0,5), stosunek rozmiaru obrazu = 100:1

Dla zdefiniowania stosunku rozmiaru obrazu, potrzebny jest jeden wymiar, taki jak szerokość obrazu. Rozmiar szerokości obrazu na monitorze równa się liczbie pikseli monitora w szerokości obrazu razy rozmiar piksela. W analogiczny sposób wyznacza się rozmiar szerokości obrazu na sensorze. Z powyższych rozważań wynika, że:

Stosunek rozmiaru piksela monitora do rozmiaru piksela sensora nazywa się stosunkiem rozmiaru piksela:

Zakładając wyświetlanie obrazu z sensora kamery na monitorze występuje w trybie korespondencji 1 do 1 piksela. Innymi słowy sygnał z jednego piksela sensora jest wyświetlany na jednym pikselu monitora. Wobec czego, stosunek wielkości obrazu monitora do sensora kamery jest wprost proporcjonalny do rzeczywistej wielkości monitora i sensora. Można go wówczas zdefiniować jako:

Obok przedstawiono dwa przykłady współczesnych mikroskopów świetlnych: (a) konwencjonalny mikroskop stereoskopowy (Leica M205 C) z okularami, kamerą cyfrową (Leica DFC450) i dwoma monitorami o różnej wielkości oraz (b) mikroskop cyfrowy (Leica DMS1000) z dwoma monitorami o różnej wielkości, ale bez okularów

Rozdzielczość

Jak wspomniano wcześniej rozdzielczość to zdolność do dostrzeżenia drobnych szczegółów na obrazie. Dokładniej mówiąc, mocą rozdzielczą jest zdolność rozróżnienia na obrazie sąsiadujących punktów lub linii obiektu, które są blisko siebie rozmieszczone. W mikroskopii rozdzielczość jest wyrażana w parach linii na milimetr. Innymi słowy, pary czarnych i białych linii o równej grubości linii i odstępach można rozróżnić przy danej rozdzielczości.

Wysokie wartości powiększenia bez wystarczające rozdzielczości prowadza do wspomnianego już wcześniej pustego powiększenia. Dlatego niezwykle ważne jest zrozumienie czynników ograniczających rozdzielczość, nie tylko w mikroskopii cyfrowej, ale we wszystkich formach mikroskopii optycznej.

Zależność obrazu sensora, a wyświetlacza

Sensory stosowane we wszystkich aparatach cyfrowych mikroskopowych, w tym produkowanych przez Leica Microsystems, mają liczbę pikseli zwykle między 1600 x 1200 a  5472 x 3648 i wielkość piksela od 1,5 do 6 µm (Tabela 1.). Wyświetlane rozdzielczość High-Definition (HD), w tym monitory komputerowe i telewizory,  mają minimalną liczbę pikseli 1080 x 1200 lub 2160 pikseli i rozmiar piksela od 0,12 do 0,9 mm (Tabela 2.). Dlatego piksele monitora są zwykle od 20 do 600 razy większe niż piksele kamery.

Tabela 1. Dane techniczne sensorów obrazu stosowanych w kamerach cyfrowych Leica Microsystems DFC450, MC120 / 170/190 HD, IC90 E i DMC5400 oraz mikroskopach cyfrowych DMS300 / 1000

Kamera cyfrowa

Typ sensora

Szerokość [mm]

Wysokość [mm]

Rozmiar piksela

[µm]

Piksele

Ilość Mpix obrazu sensora

DFC450

2/3”

8,7

6,5

3,4

2560 x 1920

4,92

MC120 HD/
DMS300

1/2.3”

6,1

4,6

3,34

1824 x 1368

2,5

MC170 HD/ DMS1000

1/2.3”

6,1

4,6

2,35

2592 x 1944

5,04

MC190 HD/
IC90 E

1/2.3”

6,1 / 6,44

4,6

1,67

3648 x 2736

9,98

DMC5400

1”

13,2

8,8

2,4

5472 x 3648

19,96

Tabela 2. Przykłady wyświetlaczy HD: monitory PC i telewizory.

Wyświetlacz HD

Szerokość

[mm]

Wysokość

[mm]

Rozmiar piksela

[mm]

 

Piksele

MPix

Monitor PC 21,5”

476

267

0,25

1920 x 1080

2,07

Monitor PC 24”

521

324

0,27

1920 x 1200

2,3

Monitor PC 27”

597

337

0,31

1920 x 1080

2,07

TV 32”

699

394

0,36

TV 40”

880

495

0,46

TV 48”

1,054

593

0,55

TV 55”

1,211

681

0,63

TV 65”

1,429

804

0,74

TV 75”

1,648

927

0,86

TV 79”

1,734

976

0,45

3840 × 2160

8.29

TV 84”

1,860

1,046

0,48

TV 85”

1,882

1,058

0,49

Stosunek rozmiaru piksela

Znając typowe rozmiary pikseli sensorów kamery (Tabela 1) i wyświetlaczy HD (Tabela 2), wartości stosunku rozmiaru piksela można łatwo obliczyć otrzymując następujące wartości

Tabela 3. Stosunek rozmiaru piksela dla wyświetlaczy HD i sensorów stosowanych w mikroskopach cyfrowych DMS1000 / 300 i kamerach cyfrowych MC190 / 170/120 HD, DFC450, IC90 E i DMC5400 firmy Leica Microsystems

Kamera

Cyfrowa

Rozmiar wyświetlacza HD (w calach)

85”

79”

75”

65”

48”

32”

27”

24”

21.5”

Stosunek rozmiaru piksela

DFC450

144:1

132:1

253:1

218:1

162:1

106:1

91:1

79:1

74:1

MC120 HD / DMS300

147:1

135:1

258:1

222:1

165:1

108:1

93:1

81:1

75:1

MC170 HD / DMS1000

209:1

192:1

366:1

315:1

234:1

153:1

132:1

115:1

106:1

MC190 HD / IC90 E

293:1

270:1

515:1

443:1

329:1

216:1

186:1

162:1

150:1

DMC5400

204:1

188:1

358:1

308:1

229:1

150:1

129:1

113:1

104:1

Mikroskop cyfrowy i mikroskop stereoskopowy z kamerą cyfrową – przykład

Dla uproszczenia, w niniejszym artykule zostaną omówione dwa przykłady mikroskopii cyfrowej, w mikroskop cyfrowy i mikroskop stereoskopowy wyposażony w kamerą cyfrową z zamontowanym
C-mountem.

Zakładamy, że wyświetlanie obrazu z sensora kamery na monitorze występuje w trybie korespondencji 1 do 1 dla wyświetlaczy HD o rozmiarach od 21,5 cala (przekątna 21,5 cala odpowiada 54,6 cm) i 75 ” (przekątna 74,5 cala odpowiada 189 cm). Obydwa mikroskopy wyposażone są w kamerę cyfrową o sensorze 5 MPix. Obliczone wartości całkowitego powiększenia (wyrażone jako rozmiaru obrazu podzielona przez rozmiar obiektu) możliwe do uzyskania przez mikroskop cyfrowy i mikroskop stereoskopowy wyposażony w kamerę cyfrowa przedstawiono w poniższej Tabeli.

Tabela 4. Całkowitego powiększenia, MTOT VIS  i MDIS dla mikroskopu cyfrowego z sensorem obrazu 5 MPix (Leica DMS1000) i mikroskopu stereoskopowego (M205 C) wyposażonego w kamerę cyfrową 5 MPix. Przedstawiony jest możliwy zakres wartości powiększenia, od minimum do maksimum, dla omawianych rozmiarów wyświetlaczy HD (Tabela 2) i stosunku rozmiaru piksela (Tabela 3).

Leica DMS1000

 

Leica M205 C/ Kamera MC170 HD

 

Rozmiar wyświetlacza HD
[cale]

Powiększenie okularów

Rozmiar wyświetlacza HD
[cale]

21,5”

75”

10x

25x

21,5″

75″

   

8,4 : 1

29 : 1

min.

3,9

9,75

16,5 : 1

57 : 1

Min.

420 : 1

1450 : 1

max

320x

800x

3400 : 1

11700 : 1

Maks.

W przypadku mikroskopu cyfrowego Leica DMS1000 zakres powiększenia obiektywu wynosi od 0,32x do 2,0x, a całkowity współczynnik tuby (zoom oraz powiększenie tuby)  wraz z powiększeniem soczewki projekcyjnej z tuby na kamerę ma maksymalny i minimalny zakres powiększenia 8:1 (stosunek maksymalnego do minimalnego całkowity współczynnik tuby). W przypadku mikroskopu stereoskopowego z kamerą cyfrową zakres powiększenia obiektywu wynosi 0,5x do 2x, całkowity współczynnik tuby (zoom oraz powiększenie tuby) od 0,78x do 16x, powiększenie okularów od 10x do 25x, a powiększenie C-mount od 0,4x do 1,0x. Korzystając z wcześniej omówionych równwań, można wyliczyć przykładowe wartości minimalnego i maksymalnego powiększenia (  i  w Tabela 4.) osiąganych za pomocą mikroskopu stereoskopowego (Leica M205C) z sensorem aparatu 5 MPix. Mikroskop stereoskopowy (Leica M205 C) posiada następujące wartości minimalne i maksymalne:

Wtedy minimalne i maksymalne całkowite powiększenie (MTOT VIS) widziane przez okulary wynosi:

Minimalne:

Maksymalne:

Natomiast całkowite powiększenie wyświetlane (MDIS) widziane przez obraz wyświetlany na monitorze 21,5” lub 75” (Tabela 2) przy stosunku rozmiaru piksela wynoszącym odpowiednio 106: 1 i 366: 1 (Tabela 3) wynosi:

Minimalne:

Maksymalne:

To jak z tym powiększeniem 30 000:1?

Jaki rozmiar piksela monitora byłby potrzebny, aby uzyskać całkowite lateralne powiększenie ekranu 30 000: 1? Przykład przedstawimy za pomocą mikroskopu stereoskopowego Leica M205 C z kamerą cyfrową MC170 HD omówionego powyżej i przy wykorzystaniu równań. Maksymalne powiększenie mikroskopu stereoskopowe Leica M205 C dla obrazu próbki wyświetlanej na sensorze kamery aparatu wynosi:

Wartość stosunku rozmiaru piksela, która odpowiada całkowitemu powiększeniu 30 000:1 przy powyższym powiększeniu obraz rzutowanego na sensor, wynosi:

Rozmiar piksela sensoru kamery Leica MC170 HD wynosi 2,35 μm. Używając powyższej wartości stosunku rozmiaru piksela, 938:1, oraz zakładając wyświetlanie obrazu z sensora kamery na monitorze w trybie korespondencji 1 do 1 piksela, rozmiar pikseli monitora musi wynosić:

Dlatego, aby osiągnąć całkowite powiększenie 30 000: 1 dla mikroskopu stereoskopowego Leica M205 C z kamerą MC170 HD, rozmiar piksela monitora musiałby wynosić 2,2 mm. Ten rozmiar piksela odpowiadałby przekątnej monitora HD wynoszącej aż 4,9 m!

Potrzebujesz informacji?

Zostaw swój kontakt, odezwiemy się

Technolutions sp. z o. o.

Otolice 38

99-400 Łowicz

 

 

tel.: +48 606 440 718

e-mail: kontakt@technolutions.pl

Technolutions 2020 © wszelkie prawa zastrzeżone