2025/09/24Jednym z kluczowych pytań przy rejestrowaniu szczegółów jest to, ile obrazu faktycznie widać. Osiągnięcie odpowiednio szerokiego pola widzenia może być kluczowe w wielu zastosowaniach – celem może być zmieszczenie całego obrazu w jednej klatce, zobaczenie jak największej populacji wielu elementów dla lepszych statystyk (na przykład wielu komórek) lub uwzględnienie szerszego kontekstu dotyczącego obszaru wokół obrazu.
Zrozumienie pola widzenia (FOV) jest fundamentalne dla każdego, kto pracuje z mikroskopami, kamerami przemysłowymi lub innymi urządzeniami do obrazowania naukowego. W tym artykule omówimy koncepcję pola widzenia (FOV), jego rolę w systemach obrazowania, wpływ obiektywów i czujników, typowe wyzwania oraz praktyczne wskazówki dotyczące optymalizacji wyników obrazowania.
Czym jest pole widzenia kamery (FOV)?
Pole widzenia (FOV) systemu można zdefiniować w przestrzeni obiektu. W przypadku mikroskopów oznacza to rozmiar obrazów po powiększeniu. Podobnie w przypadku obiektywów, pole widzenia można zmierzyć w płaszczyźnie ogniskowej, czyli jako pole widzenia kątowego. Alternatywnie, pole widzenia można zdefiniować na podstawie fizycznego rozmiaru stożka lub cylindra światła dostarczanego do matrycy aparatu przez układ optyczny lub tego, co jest widoczne dla aparatu. Jest to określone przez fizyczny rozmiar i możliwości matrycy aparatu oraz elementów optycznych i nie uwzględnia powiększenia ani ogniskowej.
Pole widzenia można wyrazić na dwa główne sposoby:
1. Kątowe pole widzenia– Kąt widzenia obiektywu aparatu, zazwyczaj mierzony w stopniach. Jest to powszechne w zastosowaniach szerokokątnych lub teleskopowych.
2. Liniowy lub przestrzenny FOV– Wymiary fizyczne obserwowanego obszaru, często mierzone w mikrometrach lub milimetrach, szczególnie w mikroskopii.
Pole widzenia jest ograniczone przez najniższą składową pola widzenia. W przypadku ograniczenia ze strony układu optycznego, na krawędziach obrazu aparatu mogą być widoczne ciemne winietowanie lub niedopuszczalne aberracje optyczne. W przypadku ograniczenia ze strony rozmiaru matrycy aparatu, zarejestrowany obraz będzie zawierał jedynie ułamek obrazu generowanego przez układ optyczny.
Rysunek 1: Zwiększające się pole widzenia
Pokazany przykład to obraz komórek BPAE uzyskany za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej wielokanałowej.
Ograniczenia pola widzenia
W systemach mikroskopowych każdy element ścieżki optycznej, w tym obiektywy, filtry, dodatkowe soczewki, przysłony, uchwyty kamer itd., może ograniczać pole widzenia.
Większość mikroskopów określa zalecane maksymalne pole widzenia za pomocą „numeru pola”. Dla większości starszych mikroskopów wynosiło ono około 18 mm. Nowoczesne mikroskopy mogą czasami osiągać pole widzenia przekraczające 30 mm, dzięki specjalistycznym elementom optycznym zaprojektowanym z myślą o większym polu widzenia.
Typowe elementy optyczne ograniczające pole widzenia:
●Obiektyw mikroskopuNiektóre obiektywy, zwłaszcza te o mniejszym powiększeniu, mogą zapewniać obraz o większej rozdzielczości niż podana wartość. Jednak jakość optyczna (w tym płaska ostrość i brak aberracji) nie jest gwarantowana poza tą wartością, więc zazwyczaj szybko pogarsza się w kierunku krawędzi.
●Oświecenien: Aby uzyskać dobrą jakość obrazu w szerokim polu widzenia, konieczne jest zastosowanie źródeł oświetlenia i ścieżek optycznych, które zapewnią oświetlenie dużego obszaru.
●Filtry i elementy wewnętrzne:Wiele filtrów i innych komponentów ma średnicę około 20 mm, chyba że zostały zaprojektowane specjalnie z myślą o większym polu widzenia, co mocno ogranicza pole widzenia, jakie można uzyskać.
●Mocowanie kameryMocowanie kamery może również ograniczać pole widzenia. Najpopularniejszy typ mocowania, C-mount, oferuje pole widzenia do 22 mm, podczas gdy inne opcje oferują pole widzenia przekraczające 40 mm w przypadku kamer z dużą matrycą.
Pole widzenia w przestrzeni obiektowej dla mikroskopów
Pole widzenia w przestrzeni obiektu, czyli rzeczywista widoczna część obiektu, który obrazujemy, można obliczyć w x i y za pomocą następującego wzoru:
Rola soczewek w polu widzenia
W mikroskopach obiektyw odpowiada za powiększenie główne, ale często istnieją opcje dodatkowego powiększenia lub zmniejszenia powiększenia między obiektywem a kamerą. Można ich użyć do zmiany rozmiaru piksela kamery w celu poprawy czułości (zmniejszenie powiększenia, dodatkowe powiększenie < 1) lub zmniejszenia rozmiaru piksela w celu uzyskania optymalnego próbkowania Nyquista (dodatkowe powiększenie > 1).
Służą one również do zwiększenia pola widzenia (FOV) lub dopasowania obrazu wyjściowego mikroskopu do kamery o mniejszej matrycy – w obu przypadkach poprzez zmniejszenie powiększenia. Całkowite powiększenie systemu jest iloczynem powiększeń każdego elementu powiększającego.
Wady stosowania dodatkowego powiększenia
Warto podchodzić ostrożnie do dodatkowego powiększenia, ponieważ każdy dodatkowy interfejs powietrze/szkło dodany do układu optycznego, z którego każda soczewka, oczywiście, ma dwa elementy rozpraszające lub odbija do 4% światła, które przez nią przechodzi, co oznacza, że tylko około 90%-95% światła dociera do kolejnego elementu optycznego.
Co więcej, obiektywy mikroskopów są starannie projektowane i konstruowane, aby zapewnić wysokiej jakości obraz bez aberracji, nawet na krawędziach pola widzenia. Z drugiej strony, dodatkowa optyka powiększająca może dawać znacznie gorszą jakość. Efekt ten będzie najbardziej widoczny na krawędziach pola widzenia – dokładnie w tych obszarach, które obiektyw miał pokazywać, w przypadku zastosowania dodatkowej optyki w celu zwiększenia pola widzenia. W miarę możliwości powiększenie powinno być ustawione za pomocą obiektywu, a dodatkowe soczewki powiększające należy starannie rozważyć.
Pole widzenia obiektywu
Podobnie jak w przypadku mikroskopów, różne obiektywy są projektowane tak, aby zapewniać różne pola widzenia dla matrycy o różnych rozmiarach. Podobnie jak w przypadku obiektywów mikroskopowych, ograniczenie pola widzenia będzie prawdopodobnie postrzegane jako połączenie twardych ograniczeń (winietowania optycznego) i aberracji pojawiających się na krawędziach obrazu. Różnica między jakością obrazu w centrum i na krawędziach soczewki może być większa niż w przypadku obiektywu mikroskopowego. Zdolność konkretnego obiektywu do spełnienia Twoich potrzeb zależy od zastosowania i może wymagać testów eksperymentalnych.
Ogniskowa, płaszczyzna ogniskowa i pole widzenia dla obiektywów
Pole widzenia obiektu (tj. jaka część obiektu jest widoczna) zależy od jego odległości od obiektywu i ogniskowej obiektywu. Dlatego bardziej sensowne może być zdefiniowanie pola widzenia płaszczyzny obrazu w kategoriach kątowego pola widzenia, które nadal będzie zależało od ogniskowej.
Kąt widzenia soczewki w osiach x i y jest podany wzorem:
Należy pamiętać, że podczas korzystania z kalkulatorów do tego obliczenia może być konieczna konwersja radianów na stopnie.
Charakterystyka czujnika i pole widzenia
Czujnik kamery odgrywa kluczową rolę w określaniu możliwego pola widzenia (FOV). Rozmiar czujnika, rozmiar pikseli i proporcje obrazu kamery wpływają na pole widzenia (FOV).
Rysunek 2: Rozmiary czujników
Rozmiar fizyczny czujnika kamery jest bardzo ważnym czynnikiem decydującym o polu widzenia całego systemu – pod warunkiem, że zastosowana optyka może wykorzystać cały czujnik. Czujniki przedstawiono w skali.
Rozmiar czujnika
Rozmiar fizyczny matrycy kamery jest bardzo ważnym parametrem przy obliczaniu pola widzenia. Wiele systemów optycznych będzie ograniczonych przede wszystkim przez pole widzenia kamery, determinowane przez rozmiar matrycy.
Rozmiar czujnika jest zazwyczaj podawany zarówno jako jednostka miary w mm w osiach x i y, jak i jako przekątna. Można go również obliczyć (jak w przypadku obszarów zainteresowania (ROI)), mnożąc rozmiar piksela przez liczbę pikseli w osiach x i y.
Poprzednie generacje technologii matryc kamer, zwłaszcza CCD i EMCCD, mogły mieć przekątną zaledwie 10 mm lub mniejszą. Liczba pól widzenia większości mikroskopów wynosi zazwyczaj co najmniej 18 mm. Stanowiło to poważne ograniczenie. WprowadzenieKamery CMOSWprowadzając do naukowego obrazowania, znacznie zwiększono rozmiary czujników. Obecnie powszechnie stosuje się czujniki o przekątnej 19 mm, ale dostępne są również czujniki o średnicy 40 mm lub większej.
Współczynnik kształtu czujnika
Ważnym czynnikiem przy rozważaniu użytecznego rozmiaru czujnika może być jego proporcje, czyli stosunek szerokości czujnika do wysokości. Chociaż wielekamery naukoweużyj współczynnika proporcji 1, co sugeruje kwadratowy czujnik; prostokątne czujniki o współczynniku proporcji > 1 są bardzo powszechne, gdy czujnik jest projektowany z myślą o formatach wideo (4K, 8K).
Zaletami czujnika o niższym współczynniku kształtu (takiego jak czujnik kwadratowy) jest to, że może on efektywniej pokryć okrągłą aperturę układu optycznego. Ponadto, przy tej samej przekątnej czujnika, pokrywa on większy obszar. Geometria czujnika zapewniająca większą przepustowość danych zależy od pola widzenia (FOV) układu optycznego oraz potrzeb aplikacji.
Jak pole widzenia kamery wpływa na techniki obrazowania
Pole widzenia kamery może znacząco wpłynąć na skuteczność różnych naukowych technik obrazowania. Wpływa ono na:
●Zasięg obrazuWąskie pole widzenia może ominąć krytyczne obszary próbki, podczas gdy szersze pole widzenia obejmuje więcej, ale może osłabić rozdzielczość. Znalezienie właściwej równowagi między pokryciem a szczegółowością jest kluczowe.
●Rozdzielczość i szczegółowośćMniejsze pole widzenia (FOV) może zwiększyć efektywną gęstość pikseli, co pomaga uchwycić drobniejsze szczegóły i obrazy o wysokiej rozdzielczości. Z drugiej strony, większe pole widzenia (FOV) może negatywnie wpłynąć na gęstość pikseli i szczegółowość, dlatego konieczna jest staranna optymalizacja, aby zachować oba te parametry.
●Dokładność danychWybór odpowiedniego pola widzenia (FOV) gwarantuje uchwycenie całego obiektu obrazowania, co jest kluczowe dla dokładnych pomiarów, kwantyfikacji i analizy. Na przykład, w obrazowaniu żywych komórek, zbyt małe pole widzenia może nie uwzględniać dynamicznych zdarzeń zachodzących na krawędziach pola, co prowadzi do niekompletnych lub błędnych danych. Z kolei bardzo szerokie pole widzenia może zmniejszyć szczegółowość obrazu, utrudniając identyfikację mniejszych struktur, takich jak organelle w komórkach.
Pole widzenia w mikroskopii
Mikroskopia jest prawdopodobnie najbardziej ilustratywnym przykładem wpływu pola widzenia na wyniki obrazowania. W mikroskopach:
●Powiększenie obiektywu: Obiektywy o większym powiększeniu zmniejszają pole widzenia, ale poprawiają szczegółowość. Niższe powiększenia zwiększają pole widzenia, ale zmniejszają rozdzielczość.
●Rozważania dotyczące wielkości próbyPole widzenia musi być wystarczające, aby móc obserwować interesujące nas cechy. Na przykład, obrazowanie całej próbki tkanki wymaga szerszego pola widzenia, podczas gdy badanie struktur komórkowych może wymagać wąskiego pola widzenia dla uzyskania wyższej rozdzielczości.
●Techniki mikroskopowe:Pole widzenia (FOV) ma kluczowe znaczenie w mikroskopii jasnego pola, mikroskopii konfokalnej i mikroskopii elektronowej. Każda technika narzuca unikalne wymagania dotyczące konstrukcji obiektywu, wyboru czujnika i oświetlenia, aby zapewnić pożądane pokrycie i rozdzielczość.
Pole widzenia w różnych technikach obrazowania
Oprócz mikroskopii pole widzenia (FOV) odgrywa znaczącą rolę w wielu innych zastosowaniach obrazowania naukowego:
●Obrazowanie przemysłoweKamery o szerokim polu widzenia (FOV) są używane do wizji maszynowej, inspekcji dużych komponentów i kontroli jakości. Wąskie pola widzenia (FOV) umożliwiają szczegółową inspekcję małych obszarów.
●Makroskopia / Makroobrazowanie:Przydatne w materiałoznawstwie, botanice i analizie kryminalistycznej. Pole widzenia (FOV) musi równoważyć pokrycie większych próbek z odpowiednią szczegółowością.
●Obrazowanie astronomiczne:Kamery teleskopowe wymagają niezwykle wąskiego pola widzenia do obrazowania odległych obiektów niebieskich o wysokiej rozdzielczości, podczas gdy obrazowanie szerokiego pola obejmuje większe obszary nieba.
W każdym przypadku prawidłowe pole widzenia zapewnia dokładność danych, skuteczną obserwację i optymalną jakość obrazu.
Wyzwania i ograniczenia pola widzenia kamery w obrazowaniu
Mimo postępu w technologii kamer, w różnych systemach obrazowania nadal występują ograniczenia pola widzenia:
●ZniekształcenieObiektywy o szerokim polu widzenia mogą powodować zniekształcenia beczkowate lub poduszkowate, co wpływa na dokładność pomiaru.
●Winietowanie:Nierównomierne oświetlenie w całym polu widzenia może powodować przyciemnienie krawędzi.
●Kompromisy:Zwiększenie pola widzenia (FOV) często zmniejsza rozdzielczość i gęstość pikseli. Zwężenie pola widzenia (FOV) poprawia szczegółowość, ale może wymagać wielu obrazów, aby objąć duży obszar.
●Ograniczenia czujnika:Niektóre czujniki nie są w stanie w pełni uchwycić pola widzenia obiektywu, co powoduje przycinanie obrazu lub ograniczenie zasięgu.
Sprostanie tym wyzwaniom wymaga starannego doboru kombinacji kamera-materiał sensorowy, typów obiektywów i parametrów obrazowania. Kalibracja i korekty postprocessingu są często niezbędne, aby zapewnić dokładność danych naukowych.
Typowe błędy i rozwiązywanie problemów
Optymalizacja pola widzenia (FOV) nie zawsze jest prosta. Typowe błędy to:
●Wybór niewłaściwego pola widzenia dla zadania—stosując szerokie pole widzenia do zadań wymagających wysokiej rozdzielczości lub wąskie pole widzenia, gdy wymagany jest szerszy zasięg.
●Niewspółosiowość optyki i czujników, co może zniekształcić uchwycony obraz i zmniejszyć efektywne pole widzenia.
●Zaniedbanie kompatybilności czujnika z obiektywempowodując przekroczenie lub niedoszacowanie oczekiwanego pola obrazu.
Wskazówki dotyczące rozwiązywania problemów:
● Zawsze obliczaj przewidywane pole widzenia przed obrazowaniem.
● Dokładnie dopasuj obiektyw i czujnik, aby uniknąć przeregulowania lub niedoregulowania.
● Użyj slajdów kalibracyjnych lub siatek, aby sprawdzić dokładność pola widzenia.
● W przypadku mikroskopii należy upewnić się, że obiektyw, kamera i długość tuby są kompatybilne.
Wniosek
Pole widzenia kamery to fundamentalna koncepcja w obrazowaniu naukowym, która wpływa na każdy aspekt akwizycji danych, od zasięgu i rozdzielczości po jakość obrazu i dokładność pomiaru. Zrozumienie interakcji obiektywów, czujników i technik obrazowania w celu zdefiniowania pola widzenia (FOV) pozwala badaczom, technikom i inżynierom optymalizować konfiguracje obrazowania, minimalizować błędy i zwiększać niezawodność danych. Niezależnie od tego, czy używaszKamery sCMOSW przypadku kamer CMOS czy mikroskopów dobór właściwego pola widzenia ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wiarygodnych i użytecznych danych.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
