Видеоокуляры для микроскопов

ВИДЕООКУЛЯРЫ ДЛЯ МИКРОСКОПОВ

ЧТО ТАКОЕ ОКУЛЯР?

Микроскоп - прибор для получения увеличенных изображений невидимых глазом предметов.
В оптическом микроскопе изображение исследуемого предмета создается с помощью объектива, а рассматривается это изображение с помощью окуляра - конструкции из линз. Окуляр всегда обращен к глазу наблюдателя и имеет собственное увеличение. 

КАК ОНИ ПРИМЕНЯЮТСЯ?

В случаях, когда недостаточно увидеть изображение предмета в окуляр, его необходимо записать в формате фото или видео. Да и наблюдать предмет исследования на большом мониторе очень удобно и меньше утомляет глаза по сравнению с исследованием в оптику.

Специальные устройства - их называют окулярными камерами, цифровыми окулярами или видеоокулярами специально для этого и предназначены. Они устанавливаются в окулярный тубус микроскопа вместо оптического окуляра. Главная функция цифрового окуляра - сопряжение микроскопа с внешними устройствами, такими как компьютер или монитор. Микроскопы, для использования с цифровыми окулярами могут быть любого типа - монокулярными, бинокулярными и тринокулярными. Они должны удовлетворять только одному требованию – иметь съемный окуляр.

Монокулярный микроскоп. При использовании монокуляра, исследователь не имеет возможности наблюдать изображение в оптический окуляр - наблюдение возможно только на внешнем мониторе.

Бинокулярный микроскоп. Он имеет два окулярных тубуса, поэтому при замене оптического окуляра на цифровой сохраняется возможность наблюдения в оптический окуляр параллельно с записью файлов и просмотром увеличенных изображений на мониторе.

Тринокулярный микроскоп. Этот микроскоп специально предназначен для создания независимого цифрового канала, поэтому он наиболее удобен для использования цифровых окуляров. Параллельно с записью файлов можно комфортно наблюдать двумя глазами и, при необходимости, одновременно с записью проводить оптические измерения параметров образцов.

Цифровые окуляры могут применяться при любых способах исследования: по методам светлого и темного поля, в люминесцентной микроскопии, при исследованиях в поляризованном свете и при фазово-контрастных методах. Они просты в эксплуатации - для установки на микроскоп необходимо извлечь из него существующий оптический окуляр, на его место установить цифровой и соединить его с портом компьютера. На компьютер установить программное обеспечение – и можно начинать исследования.

Посадочное место у видеоокуляров стандартизовано. Среди бюджетных моделей наибольшее распространение имеет установочный стандарт 23,2 мм. У профессиональных моделей распространены диаметры 30,0 мм и 30,5 мм. Видеоокуляры, снабженные оптическим адаптером используют резьбовое крепление C-mount. Эта система позволяет подсоединить к микроскопу любую камеру, имеющую крепление для оптики типа C-mount.

КАК ОНИ РАБОТАЮТ?

Цифровой окуляр мало чем отличается от обычной цифровой камеры. Его главным элементом является сенсор, представляющий из себя светочувствительную матрицу с размещенными на ее поверхности мозаичным фильтром Байера и прозрачную структуру с микролинзами. Также на фронтальной поверхности сенсора часто размещается ИК фильтр, препятствующий проникновению на сенсор избыточного инфракрасного излучения вредного для качественной передачи изображения в видимой области спектра. Фильтр Байера используется для получения цветного изображения в системе RGB, и в устройствах, предназначенных для получения изображения черно-белого, этот фильтр не применяется.

Большинство современных сенсоров построены на основе матриц CMOS. В процессе экспонирования (освещения) сенсора происходит накопление заряда чувствительными элементами матрицы. Далее величина заряда каждого элемента регистрируются, эти значения поступают на аналого-цифровой преобразователь и конвертируются в цифровой код. Далее данные компрессируются для передачи в нужном формате и передаются на устройство визуализации или записи.

ВСЕГО ДВА ВИДА

1. Цифровой окуляр без оптических элементов. Это бюджетные модели с не самым высоким разрешением и возможносями. К тому же, отсутствие оптики не всегда позволяет захватывать изображение полностью. По сути, это простейшая цифровая камера без объектива для работы совместно с микроскопом.
2. Цифровой окуляр с оптическим адаптером. Это более совершенные устройства. Благодаря применению оптики они позволяют максимально полно использовать разрешение сенсора и получать большее увеличение. Такой адаптер обеспечивает согласование размера поля зрения микроскопа с сенсором камеры – в правильно подобранной системе окружность поля зрения объектива описана вокруг прямоугольного сенсора цифрового окуляра. Характеризуется собственным увеличением.

Слева – изображение дрожжей, наблюдаемое в оптический окуляр.
В центре – то же изображение, записанное камерой с правильно подобранным оптическим адаптером.
Справа - то же изображение, записанное камерой с таким же сенсором, но без адаптера.

Размер поля зрения микроскопа всегда зависит от увеличения объектива. Поэтому оптические адаптеры с разными увеличениями всегда могут потребоваться при смене объектива микроскопа. Поэтому лишними в лаборатории различные адаптеры точно не будут.

НЕМНОГО ПРО СЕНСОР

Основа любой цифровой камеры – ее сенсор, чувствительный элемент, отвечающий за сбор света от изображения, преобразование и передачу информации в дальнейшую обработку. Основными характеристиками любого сенсора являются его разрешение и физические размеры.

Разрешение сенсора определяется количеством единичных чувствительных элементов - пикселей, размещенных на сенсоре. У видеоокуляров, также, как и у фотокамер, разрешение чаще всего приводится в формате «мегапикселей» - миллионов пикселей, например - 5.1 Mp или 0.92 Мр. Иногда разрешение указывается в стандарте принятом в видео:
HD = High Definition = 1280х720, Full HD = Full High Definition = 1920x1080.

Размер или формат сенсоров, используемых в окулярных камерах принято указывать по их диагонали в дюймах, например, 1/3", 1/2", 2/3. Но с реальными, привычными метрическими размерами эти цифры имеют мало общего - например сенсор формата 1 дюйм (25,4 мм) имеет размеры 9,6 х 12,8 мм и диагональ 16 мм.

При одинаковом разрешении, большой сенсор имеет преимущества над сенсором меньшего физического размера:

1. У него более высокая чувствительность. При большом размере сенсора, каждый его пиксель также имеет крупный размер и поэтому способен получить больше световой энергии. Сенсоры же с пикселями, имеющих маленький размер, будут иметь меньшую чувствительность. 
2. Он имеет больший динамический диапазон - отношение величины наибольшей яркости изображения к величине наименьшей яркости изображения.
3. Благодаря крупным физическим размерам и широкому динамическому диапазону, крупный сенсор позволяет осуществлять цифровое масштабирование в больших пределах, расширяя диапазон видимого увеличения микроскопа.

Бинаризация или биннинг - технология объединения соседних пикселей в группы, как раз для увеличения размера пикселя. Разрешение матрицы при этом пропорционально уменьшается. Применяется в сенсорах высокого разрешения с мелкими пикселями для увеличения чувствительности и динамического диапазона.

В ЧЕМ РАБОТАТЬ?

Программное обеспечение всегда входит в комплект к цифровому окуляру. Или же доступно для загрузки в свободном доступе. Все эти ПО предназначены для просмотра, записи и редактирования фото и видео файлов, и включают в себя инструменты для редактирования, калибровки, организации хранения файлов, измерений объектов наблюдения.

Большинство цифровых окуляров поддерживают различные операционные системы: Windows XP, Vista, Mac OS, Linux. ПО для своей продукции, как правило, разрабатывают сами производители цифровых окулярных камер - ToupCam использует собственное ПО ToupView, у Micromed это MicromedView, у DCM это ScopePhoto.

ПОПУЛЯРНЫЕ ВОПРОСЫ

Каким будет увеличение микроскопа с окулярной камерой?

Увеличение оптического микроскопа, это произведение увеличения объектива на увеличение окуляра. Просто и понятно - исследователь всегда может узнать или подобрать нужное увеличение.

Но как узнать, с каким увеличением производится исследование, если вместо оптического окуляра на микроскоп установлена окулярная камера? Во многих источниках указывается, что увеличение микроскопа с окулярной камерой не что иное, как произведение увеличения объектива на увеличение оптического адаптера. Но это только оптическое увеличение на сенсоре камеры, и совсем не визуальное увеличение всей цифровой системы. Таким авторам ставим «неуд» и оставляем это на их совести. В цифровой микроскопии все несколько сложнее. В отличие от оптического, в цифровом микроскопе на его увеличение оказывает влияние не только увеличение объектива и увеличение оптического адаптера, но и отношение размера монитора, на котором ведется исследование к размеру сенсора. И, конечно, разрешение сенсора и разрешение монитора.

Пример.
Использован объектив 40х, видеоокуляр ToupCam 5.1 Mp с сенсором 1/2.5'' (5,76х4,29 мм) имеющим разрешение 5.1Мр (2592х1944 пикс.) с оптическим адаптером 0,5х. Изображение рассматривается на мониторе 15.6'' с разрешением 1920х1080 наблюдателем со 100% зрением. Для расчета можно использовать онлайн калькулятор. Мы получили, что эта система на мониторе даст цифровое увеличение 1556 крат. Можно убедиться, что цифровое и оптическое увеличение это не одно и то же – с таким объективом и окуляром 10х, например, оптическое увеличение микроскопа составит 400х.

Можно обойтись без арифметики. Для этого нужно воспользоваться калибровочным, или микрометрическим слайдом. Он предназначен для калибровки ПО при измерении линейных величин. Используя микрометрический слайд можно с высокой точностью вычислить видимое цифровое увеличение.

Каким должно быть разрешение?

При поверхностном знакомстве с окулярными камерами может удивить малое количество их пикселей. Но микроскоп специфическое устройство, и он имеет серьезное ограничение, называемое пределом разрешения. Это наименьшее расстояние между двумя точками предмета, при котором их можно различить раздельно. Теоретический предел разрешения у микроскопа при работе в видимом свете составляет 0,25 микрометра, поэтому даже с самым совершенным объективом, микроскоп не сможет различить две точки предмета, находящиеся на меньшем расстоянии друг от друга! А в реальном микроскопе этот предел намного больше.

1. Подсчитано, что для поддержания этой величины теоретического разрешения у микроскопа с увеличением всего 100Х, сенсор должен иметь разрешение 1 825 000 пикселей = 1,82 Мр. Это достаточное теоретическое разрешение сенсора, для работы с увеличениями 100Х.
   Много это, или мало?
   ТВ формат «высокой четкости» HD поддерживает разрешение 1280×720 точек = 0,92Мр. Формат Full HD поддерживает разрешение 1920×1080 точек, а это = 2Мр.
2. Чем больше увеличение микроскопа, тем меньше света попадает на сенсор. С этим ничего не поделать и при большом увеличении необходимы сенсоры с высокой чувствительностью и большим физическим размером пикселей. Следовательно, при больших увеличениях на первом месте размер, а не количество. При малых же увеличениях, наоборот, необходимо большее разрешение сенсора.
3. Общее разрешение микроскопа в наибольшей степени зависит от разрешения объектива, поэтому, именно его оптическое качество вносит значительное ограничение на разрешение сенсора.
   На левой фотографии стрептобактерии. Использован объектив 100х и камера 5.1Мр. Размер этих микроорганизмов несколько микрометров, это гораздо больше предела разрешения микроскопа, но они размыты. Это размытие создал объектив – простой Achromat микроскопа начального уровня. Такими объективами комплектуется большинство бюджетных микроскопов.
   Справа – гравировка на старых часах снята объективом со значительно меньшим увеличением – 4х. Можно убедиться, насколько более резкое и контрастное получилось изображение. И это при том, что здесь использован цифровой окуляр меньшего разрешением - всего 2Мр.

Эти два фотографии охватывают увеличения объективов 4х и 100х, а это практически весь диапазон, доступный владельцу оптического микроскопа. Хорошо видно, что в этом диапазоне при использовании бюджетных объективов более чем достаточно разрешения 2Мр.

Что могут увидеть объективы?

Разрешающая способность объективов напрямую связана с коррекцией их оптических аберраций. Простейший объектив игрушечного микроскопа никогда не раскроет возможностей даже сенсора 0,92Мр, не говоря уже о большем разрешении. В микроскопах для любителей, учебных учреждений и диагностических исследований наиболее часто используются три основных типа объективов:

Achromat, или Ахромат. Исправленные объективы начального уровня, у них скорректированы хроматические аберрации для двух цветов. Используются в большинстве учебных и школьных микроскопов.

Semiplan, или Полуплан. Частично исправлены кривизна поля, сферическая аберрация и хроматизм. Обеспечивают хорошую цветопередачу и резкость по полю.

Planachromat, или Планахромат, План. В значительной степени исправлена кривизна поля изображения и сферическая аберрация. Хроматизм скорректирован для четырех или более цветов. Обеспечивают отличную цветопередачу и резкость по всему полю.

НАПОСЛЕДОК, НАШИ РЕКОМЕНДАЦИИ НАЧИНАЮЩИМ:

• Владельцам микроскопов с объективами Achromat:
  При использовании объективов 10Х – 40Х:
  цифровые окуляры с сенсором 2,1Мр – 3,1Мр с физическим размером 1/3″ и более. Например, Микромед Эврика 2.0 MP.
  При использовании объективов 40Х – 100Х:
  использовать сенсоры с еще более крупным размером пикселей. Например, Микромед Эврика 1.3 MP с пикселями размером 3,75 х 3,75 мкм, или ToupCam 0.92 MP с пикселями еще более крупными - 4,5 x 4,5 мкм.
• Владельцам микроскопов с объективами Semiplan:
  При использовании объективов 10Х – 40Х:
  отлично подойдут цифровые окуляры с сенсором от 3,1Мр до 5,1Мр. Например, ToupCam 5.1 MP с сенсором 1/2,5'' и пикселями 2,2 х 2,2 мкм, или ToupCam 3.1 с сенсором 1/2,5'' и пикселями 2,8 х 2,8 мкм.
  При использовании объективов 40Х – 100Х:
  оптимальное разрешение от 2Мр до 3,1Мр. Отличным выбором будет Микромед Эврика 2.0 MP или ToupCam 3.1.
• Владельцам микроскопов с объективами Planachromat:
  благодаря высокому разрешению этих объективов, выбор устройств значительно шире.
  При использовании объективов 10Х – 40Х:
  подойдет большинство цифровых окуляров с разрешением от 10Мр до 16Мр. Например, ToupCam 16.0 Mр, или ToupCam 10.0 Mр.
  Увеличения 50Х – 100Х:
  нужно не забыть обратить внимание на наличие у камеры технологии бинаризации. В этом случае отлично подойдут окулярные камеры с сенсорами от 10Мр и выше, например, ToupCam 10.0 Mр, с бинаризацией от 1:1 до 1:4.
• Владельцам стереомикроскопов:
  Так, как особенностью всех стереомикроскопов является их небольшое увеличение, значительный размер поля изображения и его высокая яркость, то и выбор окулярных камер для получения изображений высокого качества значительно больше. Хорошие результаты покажут все камеры с сенсорами от 2Мр и больше. Но желательно отдавать предпочтение камерам с оптическим адаптером – это позволит не потерять ни бита уникальной информации.