Entendendo o Campo de Visão da Câmera em Microscopia e Técnicas de Imagem

Uma das questões fundamentais na captura de detalhes é: quanto do objeto da imagem você consegue realmente visualizar? Obter um campo de visão suficientemente amplo pode ser vital em muitas aplicações – o objetivo pode ser enquadrar todo o objeto da imagem em um único quadro, visualizar a maior população possível de múltiplos itens para obter melhores estatísticas (por exemplo, múltiplas células) ou incluir mais contexto sobre a área ao redor do objeto da imagem.

Compreender o campo de visão (FOV) é fundamental para qualquer pessoa que trabalhe com microscópios, câmeras industriais ou outros dispositivos de imagem científica. Este artigo explorará o conceito de FOV, seu papel em sistemas de imagem, o impacto de lentes e sensores, desafios comuns e dicas práticas para otimizar os resultados de imagem.

O que é o campo de visão (FOV) de uma câmera?

O campo de visão (FOV) de um sistema pode ser definido primeiramente no espaço do objeto. Para microscópios, isso significa o tamanho das imagens após a aplicação de ampliação. Para lentes, o FOV pode ser medido de forma similar no plano focal ou como FOV angular. Alternativamente, podemos definir o FOV pelo tamanho físico do cone ou cilindro de luz fornecido ao sensor da câmera pelo sistema óptico, ou seja, a quantidade de luz visível para a câmera. Isso é determinado pelo tamanho físico e pela capacidade do sensor da câmera e dos componentes ópticos, e não considera a ampliação ou a distância focal.

O campo de visão (FOV) pode ser expresso de duas maneiras principais:

1. Campo de visão angular– O ângulo coberto pela lente da câmera, normalmente medido em graus. Isso é comum em aplicações grande-angulares ou telescópicas.
2. Campo de visão linear ou espacial– As dimensões físicas da área observável, geralmente medidas em micrômetros ou milímetros, particularmente em microscopia.

O campo de visão é limitado pelo componente de menor campo de visão. Quando limitado pelo sistema óptico, vinhetas escuras ou aberrações ópticas inaceitáveis podem ser visíveis nas bordas da imagem da câmera. Quando limitado pelo tamanho do sensor da câmera, a imagem capturada representará apenas uma fração da imagem fornecida pelo sistema óptico.

Figura 1: Aumento do campo de visão

A amostra mostrada é uma imagem de microscopia de fluorescência multicanal de células BPAE.

Limitações do campo de visão

Em sistemas de microscopia, cada componente no caminho óptico, incluindo objetivas, filtros, lentes adicionais, aberturas, suportes de câmera e outros, pode limitar o campo de visão.

A maioria dos microscópios especifica seu campo de visão máximo recomendado usando o 'número do campo'. Para a maioria dos microscópios mais antigos, esse valor seria em torno de 18 mm. Microscópios modernos podem, às vezes, alcançar mais de 30 mm, com componentes ópticos especializados projetados para campos de visão maiores.

Componentes ópticos típicos que limitam o campo de visão:

●Objetiva do microscópioAlgumas lentes objetivas, especialmente as de menor ampliação, podem oferecer um campo de visão superior ao número de campo nominal. No entanto, a qualidade óptica (incluindo a planicidade do foco e a ausência de aberrações) não é garantida fora desse número, degradando-se normalmente de forma acentuada nas bordas da imagem.
●IluminaçãoPara obter boa qualidade de imagem em um amplo campo de visão, são necessárias fontes de iluminação e caminhos ópticos que possam fornecer uma grande área de iluminação.
●Filtros e componentes internosA menos que sejam especificamente projetados para um campo de visão maior, muitos filtros e outros componentes têm cerca de 20 mm de diâmetro, o que limita consideravelmente o campo de visão que pode ser obtido.
●Suporte para câmeraA montagem da câmera também pode limitar o campo de visão. O tipo de montagem mais comum, a montagem C, oferece um campo de visão de até 22 mm, enquanto outras opções podem oferecer mais de 40 mm para câmeras com sensores grandes.

Campo de visão do espaço do objeto para microscópios

O campo de visão no espaço do objeto, ou seja, a quantidade do nosso objeto de imagem que é efetivamente visível, pode ser calculado em x e y pela seguinte fórmula:

Fórmula para o cálculo do campo de visão de um microscópio.

Papel das lentes no campo de visão

Em microscópios, a objetiva realiza a ampliação principal, mas geralmente existem opções para ampliação ou redução adicional entre a objetiva e a câmera. Essas opções podem ser usadas para alterar o tamanho do pixel da câmera e, assim, melhorar a sensibilidade (redução, ampliação adicional < 1) ou para reduzir o tamanho do pixel e obter uma amostragem de Nyquist ideal (ampliação adicional > 1).

Eles também são usados para aumentar o campo de visão (FOV) ou para adaptar a imagem do microscópio a uma câmera com sensor menor – ambos por meio de desmagnificação. A ampliação total do sistema é o produto das ampliações de cada componente de ampliação.

Desvantagens do uso de ampliação extra

É importante considerar o aumento da ampliação com cautela, pois cada interface ar/vidro adicional em um sistema óptico, do qual cada lente possui duas, dispersa ou reflete até 4% da luz que passa por ela, o que significa que apenas cerca de 90% a 95% da luz atinge o próximo elemento óptico.

Além disso, as objetivas de microscópio são extensivamente projetadas e fabricadas para fornecer uma imagem de alta qualidade e livre de aberrações, mesmo nas bordas do campo de visão. Ópticas de ampliação adicionais, por outro lado, podem apresentar qualidade significativamente inferior. O efeito disso será mais perceptível nas bordas do campo de visão – exatamente as áreas que a lente foi introduzida para mostrar, no caso do uso de óptica adicional para aumentar o campo de visão. Sempre que possível, a ampliação deve ser definida pela objetiva, e o uso de lentes de ampliação adicionais deve ser cuidadosamente avaliado.

Campo de visão da lente

Assim como nos microscópios, diferentes lentes são projetadas para fornecer diferentes campos de visão ao sensor, para diferentes tamanhos de sensor. Assim como nas objetivas de microscópio, a limitação do campo de visão provavelmente será percebida como uma combinação de limites rígidos (vinhetagem óptica) e a introdução de aberrações nas bordas da imagem. A diferença entre a qualidade da imagem no centro e nas bordas de uma lente pode ser maior do que a de uma objetiva de microscópio. A capacidade de uma lente específica atender às suas necessidades depende da sua aplicação e pode exigir testes experimentais.

Distância focal, plano focal e campo de visão (FOV) do espaço do objeto para lentes

O campo de visão do objeto (ou seja, a porção do objeto da imagem que está visível) depende da distância do objeto à lente e da distância focal da lente. Portanto, pode ser mais lógico definir o campo de visão do plano da imagem em termos de campo de visão angular, que ainda dependerá da distância focal.

O ângulo de visão de uma lente em relação aos eixos x e y é dado por:

Fórmulas para calcular o ângulo de visão de uma lente nas direções x e y.

Observe que, ao usar calculadoras para este cálculo, pode ser necessário converter de radianos para graus.

Características do sensor e campo de visão

O sensor da câmera desempenha um papel fundamental na determinação do campo de visão (FOV) alcançável. O tamanho do sensor, o tamanho do pixel e a proporção da imagem contribuem para o FOV.

Figura 2: Dimensões dos sensores

O tamanho físico do sensor da câmera é um fator muito importante para determinar o campo de visão de todo o sistema, desde que a óptica utilizada possa aproveitar todo o sensor. Sensores mostrados em escala.

Tamanho do sensor

O tamanho físico do sensor da câmera é um parâmetro muito importante no cálculo do campo de visão. Muitos sistemas ópticos serão limitados principalmente pelo campo de visão da câmera, determinado pelo tamanho do seu sensor.

O tamanho do sensor é geralmente fornecido como uma medida em mm em x e y, e como uma diagonal. Também pode ser calculado (como no caso de regiões de interesse (ROIs)) pelo tamanho do pixel multiplicado pelo número de pixels em x e y.

As gerações anteriores de tecnologia de sensores de câmeras, especialmente os sensores CCD e EMCCD, podiam ter um tamanho diagonal de apenas 10 mm ou menos. O campo de visão da maioria dos microscópios é tipicamente de pelo menos 18 mm. Essa era uma limitação severa. A introdução decâmeras CMOSA aplicação de imagens científicas aumentou significativamente o tamanho dos sensores, sendo comuns sensores com diagonal de 19 mm e disponíveis sensores com diâmetro de até 40 mm ou mais.

Proporção do aspecto do sensor

Um fator importante ao considerar o tamanho útil de um sensor pode ser a sua relação de aspecto, ou seja, a largura do sensor dividida pela sua altura. Embora muitoscâmeras científicasUtiliza-se uma proporção de aspecto de 1, o que implica um sensor quadrado; sensores retangulares com proporção de aspecto > 1 são muito comuns quando o sensor é projetado com formatos de vídeo (4K, 8K) em mente.

As vantagens de um sensor com menor relação de aspecto (como um sensor quadrado) são que ele pode cobrir com mais eficiência uma abertura circular de um sistema óptico. Além disso, para o mesmo tamanho diagonal do sensor, uma área maior será coberta. A geometria do sensor que proporciona maior taxa de transferência de dados depende do campo de visão (FOV) do seu sistema óptico e das necessidades da sua aplicação.

Como o campo de visão da câmera impacta as técnicas de imagem

O campo de visão (FOV) de uma câmera pode influenciar drasticamente a eficácia de diversas técnicas de imagem científica. Ele afeta:

●Cobertura de imagensUm campo de visão estreito pode deixar de capturar áreas críticas da amostra, enquanto um campo de visão mais amplo captura mais detalhes, mas pode diluir a resolução. Encontrar o equilíbrio certo entre cobertura e detalhes é crucial.
●Resolução e detalhesUm campo de visão (FOV) menor pode aumentar a densidade efetiva de pixels, o que ajuda a capturar detalhes mais nítidos e imagens de alta resolução. Por outro lado, um FOV maior pode comprometer a densidade de pixels e os detalhes, sendo necessária uma otimização cuidadosa para preservar ambos.

●Precisão dos dadosSelecionar o campo de visão (FOV) correto garante que o objeto de imagem seja capturado em sua totalidade, o que é essencial para medições, quantificações e análises precisas. Por exemplo, em imagens de células vivas, um FOV muito pequeno pode não capturar eventos dinâmicos que ocorrem nas bordas do campo, levando a dados incompletos ou enviesados. Por outro lado, um FOV muito amplo pode reduzir os detalhes da imagem, dificultando a identificação de estruturas menores, como organelas nas células.

Campo de visão em microscopia

A microscopia é talvez o exemplo mais ilustrativo de como o campo de visão afeta os resultados da imagem. Em microscópios:

●Ampliação da objetivaObjetivas com maior ampliação reduzem o campo de visão, mas melhoram os detalhes. Objetivas com menor ampliação aumentam o campo de visão, mas reduzem a resolução.
●Considerações sobre o tamanho da amostraO campo de visão (FOV) deve ser suficiente para observar as características de interesse. Por exemplo, a obtenção de imagens de uma amostra de tecido inteira requer um FOV mais amplo, enquanto o estudo de estruturas celulares pode exigir um FOV estreito para maior resolução.
●Técnicas de MicroscopiaO campo de visão (FOV) é crucial em microscopia de campo claro, confocal e eletrônica. Cada técnica impõe requisitos específicos ao projeto da lente, à escolha do sensor e à iluminação para garantir a cobertura e a resolução desejadas.

Campo de visão em diferentes técnicas de imagem

Além da microscopia, o campo de visão (FOV) desempenha um papel significativo em muitas outras aplicações de imagem científica:

●Imagens industriaisCâmeras com amplo campo de visão são usadas para visão computacional, inspeção de componentes grandes e controle de qualidade. Câmeras com campo de visão estreito permitem a inspeção detalhada de pequenas áreas.
●Macroscopia / MacroimagemÚtil em ciência dos materiais, botânica e análise forense. O campo de visão deve equilibrar a cobertura de amostras maiores com detalhes adequados.
●Imagens astronômicasAs câmeras telescópicas exigem campos de visão extremamente estreitos para obter imagens de alta resolução de objetos celestes distantes, enquanto as câmeras de campo amplo capturam porções maiores do céu.

Em cada caso, o campo de visão correto garante a precisão dos dados, a observação eficiente e a qualidade ideal da imagem.

Desafios e limitações do campo de visão da câmera em imagens.

Apesar dos avanços na tecnologia de câmeras, as limitações do campo de visão (FOV) persistem em diversos sistemas de imagem:

●DistorçãoLentes com amplo campo de visão podem introduzir distorção em barril ou almofada, afetando a precisão das medições.
●VinhetagemA iluminação irregular em todo o campo de visão pode levar ao escurecimento das bordas.
●TrocasAumentar o campo de visão (FOV) geralmente reduz a resolução e a densidade de pixels. Reduzir o FOV aprimora os detalhes, mas pode exigir várias imagens para cobrir uma área grande.
●Limitações do sensorAlguns sensores não conseguem capturar totalmente o campo de visão projetado pela lente, causando recorte ou redução da cobertura.

Para superar esses desafios, é necessário selecionar cuidadosamente as combinações de câmera e sensor, os tipos de lente e os parâmetros de imagem. A calibração e as correções de pós-processamento são frequentemente necessárias para garantir dados científicos precisos.

Erros comuns e solução de problemas

Otimizar o campo de visão (FOV) nem sempre é simples. Erros comuns incluem:

●Selecionar o campo de visão (FOV) errado para a tarefa.—utilizando um campo de visão amplo para tarefas de alta resolução ou um campo de visão estreito quando for necessária uma cobertura mais ampla.
●Desalinhamento entre os componentes ópticos e os sensores., o que pode distorcer a imagem capturada e reduzir o campo de visão efetivo.
●Ignorando a compatibilidade entre sensor e lente, causando ultrapassagem ou subexposição do campo de imagem esperado.

Dicas para resolução de problemas:

● Sempre calcule o campo de visão (FOV) esperado antes de tirar a foto.
● Combine cuidadosamente a lente e o sensor para evitar sobreposição ou subposição de foco.
● Utilize lâminas ou grades de calibração para verificar a precisão do campo de visão.
● Para microscopia, certifique-se de que a objetiva, a câmera e o comprimento do tubo sejam compatíveis.

Conclusão

O campo de visão da câmera é um conceito fundamental em imagens científicas que afeta todos os aspectos da aquisição de dados, desde a cobertura e resolução até a qualidade da imagem e a precisão das medições. Compreender como lentes, sensores e técnicas de imagem interagem para definir o campo de visão permite que pesquisadores, técnicos e engenheiros otimizem suas configurações de imagem, minimizem erros e melhorem a confiabilidade dos dados. Seja usandocâmeras sCMOSSeja em câmeras CMOS ou microscópios, selecionar o campo de visão (FOV) correto é crucial para capturar dados confiáveis e acionáveis.