Comprensión del campo de visión de la cámara en técnicas de microscopía e imagen

Una de las preguntas clave para capturar detalles es: ¿cuánto del sujeto de la imagen se puede ver realmente? Lograr un campo de visión suficientemente amplio puede ser vital en muchas aplicaciones: el objetivo podría ser abarcar todo el sujeto de la imagen en un solo fotograma, visualizar la mayor cantidad de elementos para obtener mejores estadísticas (por ejemplo, varias células) o incluir más contexto sobre el área que rodea al sujeto.

Comprender el campo de visión (FOV) es fundamental para cualquier persona que trabaje con microscopios, cámaras industriales u otros dispositivos de imagen científica. Este artículo explorará el concepto de FOV, su función en los sistemas de imagen, el impacto de las lentes y los sensores, los desafíos comunes y consejos prácticos para optimizar los resultados de imagen.

¿Qué es el campo de visión (FOV) de una cámara?

El campo de visión (FOV) de un sistema se puede definir inicialmente en el espacio objeto. En el caso de los microscopios, esto se refiere al tamaño de las imágenes tras aplicar la magnificación. De forma similar, en el caso de las lentes, el FOV se puede medir en el plano focal o como FOV angular. Alternativamente, podemos definir el FOV por el tamaño físico del cono o cilindro de luz que el sistema óptico dirige al sensor de la cámara, o por la parte visible para la cámara. Esto viene determinado por el tamaño físico y las capacidades del sensor de la cámara y los componentes ópticos, y no tiene en cuenta la magnificación ni la distancia focal.

El campo de visión (FOV) se puede expresar de dos maneras principales:

1. Campo de visión angular– El ángulo que abarca el objetivo de la cámara, que normalmente se mide en grados. Esto es común en aplicaciones gran angular o telescópicas.
2. Campo de visión lineal o espacial– Las dimensiones físicas del área observable, que a menudo se miden en micrómetros o milímetros, especialmente en microscopía.

El campo de visión está limitado por el componente de campo de visión más bajo. Cuando está limitado por el sistema óptico, pueden aparecer viñeteo oscuro o aberraciones ópticas inaceptables en los bordes de la imagen de la cámara. Cuando está limitado por el tamaño del sensor de la cámara, la imagen capturada solo abarcará una fracción de la imagen proporcionada por el sistema óptico.

Figura 1: Aumento del campo de visión

La muestra que se muestra es una imagen de microscopía de fluorescencia multicanal de células BPAE.

Limitaciones del campo de visión

En los sistemas de microscopía, cada componente de la trayectoria óptica, incluidos los objetivos, los filtros, las lentes adicionales, las aperturas, los soportes de la cámara y demás, puede limitar el campo de visión.

La mayoría de los microscopios especifican su campo de visión máximo recomendado mediante el "número de campo". En la mayoría de los microscopios antiguos, este valor ronda los 18 mm. Los microscopios modernos pueden alcanzar a veces más de 30 mm, gracias a componentes ópticos especializados diseñados para campos de visión mayores.

Componentes ópticos típicos que limitan el campo de visión:

●objetivo del microscopioAlgunos objetivos, especialmente los de menor aumento, pueden ofrecer un campo de visión superior al indicado. Sin embargo, la calidad óptica (incluida la planitud del enfoque y la ausencia de aberraciones) no está garantizada fuera de este rango, por lo que suele degradarse rápidamente hacia los bordes.
●Iluminaciónn: Para lograr una buena calidad de imagen en un amplio campo de visión, se requieren fuentes de iluminación y trayectorias ópticas que puedan proporcionar una gran área de iluminación.
●Filtros y componentes internosA menos que estén diseñados específicamente para un campo de visión más amplio, muchos filtros y otros componentes tienen un diámetro de alrededor de 20 mm, lo que limita considerablemente el campo de visión que se puede ofrecer.
●Soporte para cámaraEl tipo de montura de la cámara también puede limitar el campo de visión. La montura más común, la montura C, solo ofrece un campo de visión de hasta 22 mm, mientras que otras opciones pueden ofrecer más de 40 mm para cámaras con sensores grandes.

Campo de visión (FOV) del espacio objeto para microscopios

El campo de visión en el espacio del objeto, es decir, la cantidad de nuestro sujeto de imagen que es realmente visible, se puede calcular en x e y mediante la siguiente fórmula:

Fórmula de cálculo para el campo de visión del objeto de un microscopio

Función de las lentes en el campo de visión

En los microscopios, el objetivo realiza el aumento principal, pero a menudo existen opciones para aumentar o disminuir el aumento entre el objetivo y la cámara. Estas opciones permiten modificar el tamaño de los píxeles de la cámara para mejorar la sensibilidad (disminución, aumento adicional < 1) o reducir el tamaño de los píxeles para lograr un muestreo de Nyquist óptimo (aumento adicional > 1).

También se utilizan para aumentar el campo de visión o adaptar la señal del microscopio a una cámara con sensor más pequeño, en ambos casos mediante la reducción de la magnificación. La magnificación total del sistema es el producto de las magnificaciones de cada componente de aumento.

Desventajas de usar aumento adicional

Conviene tratar la ampliación adicional con precaución, ya que cada interfaz aire/vidrio adicional que se añade a un sistema óptico, del cual cada lente, por supuesto, tiene dos, dispersa o refleja hasta el 4% de la luz que pasa a través de ella, lo que significa que solo entre el 90% y el 95% de la luz llega al siguiente elemento óptico.

Además, los objetivos de microscopio están meticulosamente diseñados y fabricados para proporcionar una imagen de alta calidad y sin aberraciones, incluso en los bordes del campo de visión. Por otro lado, las ópticas de aumento adicionales pueden tener una calidad significativamente inferior. El efecto de esto será más notorio en los bordes del campo de visión, precisamente en las áreas que la lente se diseñó para mostrar, en el caso de utilizar ópticas adicionales para ampliar el campo de visión. Siempre que sea posible, el aumento debe ajustarse mediante el objetivo, y la elección de lentes de aumento adicionales debe considerarse cuidadosamente.

Campo de visión del objetivo

Al igual que con los microscopios, las distintas lentes están diseñadas para ofrecer diferentes campos de visión al sensor, según su tamaño. Como en los objetivos de microscopio, la limitación del campo de visión probablemente se deba a una combinación de límites físicos (viñeteo óptico) y la introducción de aberraciones en los bordes de la imagen. La diferencia en la calidad de imagen entre el centro y los bordes de una lente puede ser mayor que la de un objetivo de microscopio. La capacidad de una lente específica para satisfacer sus necesidades depende de su aplicación y puede requerir pruebas experimentales.

Distancia focal, plano focal y campo de visión (FOV) del espacio objeto para lentes

El campo de visión del objeto (es decir, qué parte del sujeto que se está capturando se ve) depende de su distancia al objetivo y de la distancia focal del mismo. Por lo tanto, puede ser más conveniente definir el campo de visión del plano de la imagen en términos de campo de visión angular, que seguirá dependiendo de la distancia focal.

El ángulo de visión de una lente en x e y viene dado por:

Fórmulas para calcular el ángulo de visión de una lente en las direcciones x e y.

Tenga en cuenta que, al utilizar calculadoras para este cálculo, puede ser necesario convertir los radianes a grados.

Características del sensor y campo de visión

El sensor de la cámara desempeña un papel fundamental a la hora de determinar el campo de visión (FOV) alcanzable. El tamaño del sensor, el tamaño de los píxeles y la relación de aspecto de la cámara influyen en el FOV.

Figura 2: Tamaños de los sensores

El tamaño físico del sensor de la cámara es un factor muy importante para determinar el campo de visión del sistema completo, siempre que la óptica utilizada pueda aprovechar todo el sensor. Los sensores se muestran a escala.

Tamaño del sensor

El tamaño físico del sensor de la cámara es un parámetro muy importante para calcular el campo de visión. Muchos sistemas ópticos estarán limitados principalmente por el campo de visión de la cámara, que a su vez está determinado por el tamaño de su sensor.

El tamaño del sensor se suele proporcionar tanto como una medida en mm en x e y, como en diagonal. También se puede calcular (como en el caso de las regiones de interés (ROI)) multiplicando el tamaño del píxel por el número de píxeles en x e y.

Las generaciones anteriores de tecnología de sensores de cámara, especialmente los sensores CCD y EMCCD, podían ser tan pequeñas como 10 mm en diagonal o menos. El número de campo de la mayoría de los microscopios suele ser de al menos 18 mm. Esto era una limitación grave. La introducción decámaras CMOSEl avance en la obtención de imágenes científicas ha incrementado significativamente el tamaño de los sensores, siendo habituales los sensores de 19 mm en diagonal, y existiendo sensores de hasta 40 mm de diámetro o superiores.

Relación de aspecto del sensor

Un factor importante a considerar al evaluar el tamaño útil de un sensor puede ser la relación de aspecto del sensor, es decir, el ancho del sensor dividido por la altura. Si bien muchoscámaras científicasUtilizar una relación de aspecto de 1, lo que implica un sensor cuadrado; los sensores rectangulares con una relación de aspecto > 1 son muy comunes cuando el sensor está diseñado teniendo en cuenta formatos de vídeo (4K, 8K).

Las ventajas de un sensor con una relación de aspecto menor (como un sensor cuadrado) radican en que puede cubrir de forma más eficiente una apertura circular de un sistema óptico. Además, para el mismo tamaño diagonal del sensor, se cubre un área mayor. La geometría del sensor que proporciona un mayor rendimiento de datos depende del campo de visión (FOV) del sistema óptico y de las necesidades de la aplicación.

Cómo el campo de visión de la cámara influye en las técnicas de imagen

El campo de visión (FOV) de una cámara puede influir drásticamente en la eficacia de diversas técnicas de imagen científica. Afecta a:

●Cobertura de imágenesUn campo de visión estrecho podría pasar por alto áreas críticas de la muestra, mientras que un campo de visión más amplio captura más detalles, pero puede diluir la resolución. Lograr el equilibrio adecuado entre cobertura y detalle es fundamental.
●Resolución y detalleUn campo de visión (FOV) más pequeño puede aumentar la densidad efectiva de píxeles, lo que ayuda a capturar detalles más finos e imágenes de alta resolución. Por otro lado, un FOV más grande puede comprometer la densidad de píxeles y el nivel de detalle, por lo que se requiere una optimización cuidadosa para preservar ambos.

●Precisión de los datosSeleccionar el campo de visión (FOV) adecuado garantiza que el objeto de la imagen se capture en su totalidad, lo cual es esencial para una medición, cuantificación y análisis precisos. Por ejemplo, en la microscopía de células vivas, un FOV demasiado pequeño puede pasar por alto eventos dinámicos que ocurren en los bordes del campo, lo que resulta en datos incompletos o sesgados. Por otro lado, un FOV muy amplio podría reducir el detalle de la imagen, dificultando la identificación de estructuras pequeñas como los orgánulos celulares.

Campo de visión en microscopía

La microscopía es quizás el ejemplo más ilustrativo de cómo el campo de visión afecta los resultados de las imágenes. En los microscopios:

●Aumento del objetivoLos objetivos de mayor aumento reducen el campo de visión, pero mejoran el nivel de detalle. Los objetivos de menor aumento aumentan el campo de visión, pero reducen la resolución.
●Consideraciones sobre el tamaño de la muestraEl campo de visión (FOV) debe ser suficiente para observar las características de interés. Por ejemplo, para obtener imágenes de una muestra de tejido completa se requiere un FOV más amplio, mientras que para estudiar estructuras celulares puede ser necesario un FOV más estrecho para obtener una mayor resolución.
●Técnicas de microscopíaEl campo de visión (FOV) es fundamental en la microscopía de campo claro, confocal y electrónica. Cada técnica impone requisitos únicos en cuanto al diseño de la lente, la elección del sensor y la iluminación para garantizar la cobertura y la resolución deseadas.

Campo de visión en diferentes técnicas de imagen

Más allá de la microscopía, el campo de visión (FOV) desempeña un papel importante en muchas otras aplicaciones de imagen científica:

●Imagen industrialLas cámaras con campo de visión amplio se utilizan para visión artificial, inspección de componentes grandes y control de calidad. Las cámaras con campo de visión estrecho permiten la inspección detallada de áreas pequeñas.
●Macroscopía / Imágenes macro: Útil en ciencia de materiales, botánica y análisis forense. El campo de visión debe equilibrar la cobertura de muestras grandes con un nivel de detalle adecuado.
●Imágenes astronómicasLas cámaras telescópicas requieren campos de visión extremadamente estrechos para obtener imágenes de alta resolución de objetos celestes distantes, mientras que las imágenes de campo amplio capturan porciones más grandes del cielo.

En cada caso, el campo de visión correcto garantiza la precisión de los datos, una observación eficiente y una calidad de imagen óptima.

Desafíos y limitaciones del campo de visión de la cámara en la obtención de imágenes.

A pesar de los avances en la tecnología de las cámaras, persisten las limitaciones del campo de visión en varios sistemas de imagen:

●DistorsiónLos objetivos con un amplio campo de visión pueden introducir distorsión de barril o de cojín, lo que afecta a la precisión de la medición.
●ViñeteadoLa iluminación desigual en todo el campo de visión puede provocar que los bordes se oscurezcan.
●CompensacionesAumentar el campo de visión (FOV) suele reducir la resolución y la densidad de píxeles. Reducir el FOV mejora el detalle, pero puede requerir varias imágenes para cubrir una zona amplia.
●Limitaciones del sensorAlgunos sensores no pueden capturar completamente el campo de visión proyectado por la lente, lo que provoca recortes o una cobertura reducida.

Para afrontar estos retos, es necesario seleccionar cuidadosamente las combinaciones de cámara y sensor, los tipos de lentes y los parámetros de imagen. A menudo, se requieren correcciones de calibración y posprocesamiento para garantizar la precisión de los datos científicos.

Errores comunes y solución de problemas

Optimizar el campo de visión no siempre es sencillo. Algunos errores comunes son:

●Seleccionar el campo de visión incorrecto para la tarea.—utilizando un campo de visión amplio para tareas de alta resolución, o un campo de visión estrecho cuando se requiere una cobertura más amplia.
●Desalineación de la óptica y los sensores, lo que puede distorsionar la imagen capturada y reducir el campo de visión efectivo.
●Descuidar la compatibilidad entre el sensor y la lente, lo que provoca un sobreimpulso o un subimpulso del campo de imagen esperado.

Consejos para solucionar problemas:

● Calcule siempre el campo de visión esperado antes de tomar la imagen.
● Ajuste cuidadosamente la lente y el sensor para evitar sobreimpresión o subimpresión.
● Utilice diapositivas o cuadrículas de calibración para verificar la precisión del campo de visión (FOV).
● Para la microscopía, asegúrese de que el objetivo, la cámara y la longitud del tubo sean compatibles.

Conclusión

El campo de visión de la cámara es un concepto fundamental en la obtención de imágenes científicas que afecta a todos los aspectos de la adquisición de datos, desde la cobertura y la resolución hasta la calidad de la imagen y la precisión de la medición. Comprender cómo interactúan las lentes, los sensores y las técnicas de imagen para definir el campo de visión permite a los investigadores, técnicos e ingenieros optimizar sus configuraciones de imagen, minimizar errores y mejorar la fiabilidad de los datos. Ya sea utilizandocámaras sCMOSYa sea con cámaras CMOS o microscopios, seleccionar el campo de visión (FOV) adecuado es crucial para capturar datos fiables y útiles.