Понимание поля зрения камеры в микроскопии и методах визуализации

Один из ключевых вопросов при съемке деталей — насколько хорошо виден объект съемки? Достижение достаточно большого поля зрения может иметь решающее значение во многих приложениях — цель может заключаться в том, чтобы уместить весь объект съемки в один кадр, увидеть наибольшую совокупность нескольких объектов для получения более точных статистических данных (например, несколько клеток) или включить больше контекста об области вокруг объекта съемки.

Понимание поля зрения (FOV) имеет фундаментальное значение для всех, кто работает с микроскопами, промышленными камерами или другими научными устройствами визуализации. В этой статье будет рассмотрена концепция поля зрения, его роль в системах визуализации, влияние линз и датчиков, распространенные проблемы и практические советы по оптимизации результатов визуализации.

Что такое поле зрения камеры (FOV)?

Поле зрения (FOV) системы можно определить, прежде всего, в пространстве объектов. Для микроскопов это означает размер изображений после применения увеличения. Для линз аналогично поле зрения можно измерить в фокальной плоскости, или как угловое поле зрения. В качестве альтернативы, мы можем определить поле зрения физическим размером конуса или цилиндра света, передаваемого на датчик камеры оптической системой, или тем, что видно камере. Это определяется физическим размером и возможностями датчика камеры и оптических компонентов и не учитывает увеличение или фокусное расстояние.

Поле зрения (FOV) может быть выражено двумя основными способами:

1. Угловое поле зрения– Угол обзора объектива камеры, обычно измеряемый в градусах. Это распространенный показатель для широкоугольных или телескопических камер.
2. Линейное или пространственное поле зрения– Физические размеры наблюдаемой области, часто измеряемые в микрометрах или миллиметрах, особенно в микроскопии.

Поле зрения ограничено наименьшим компонентом поля зрения. При ограничении оптической системой на краях изображения, получаемого камерой, могут наблюдаться темные виньетки или недопустимые оптические аберрации. При ограничении размером сенсора камеры, захваченное изображение будет представлять собой лишь некоторую часть изображения, передаваемого оптической системой.

Рисунок 1: Увеличение поля зрения

Представленный образец — это многоканальное флуоресцентное микроскопическое изображение клеток BPAE.

Ограничения поля зрения

В микроскопических системах каждый компонент оптического тракта, включая объективы, фильтры, дополнительные линзы, диафрагмы, крепления камеры и многое другое, может ограничивать поле зрения.

Большинство микроскопов указывают рекомендуемое максимальное поле зрения с помощью «числа поля». Для большинства старых микроскопов это составляет около 18 мм. Современные микроскопы иногда могут достигать поля зрения более 30 мм, благодаря специализированным оптическим компонентам, разработанным для больших полей зрения.

Типичные оптические компоненты, ограничивающие поле зрения:

●Объектив микроскопаНекоторые объективы, особенно с малым увеличением, могут обеспечивать поле зрения больше заявленного значения. Однако оптическое качество (включая плоскость фокусировки и отсутствие аберраций) не гарантируется за пределами этого значения, поэтому обычно быстро ухудшается по краям изображения.
●Иллюминияn: Для достижения хорошего качества изображения в широком поле зрения необходимы источники освещения и оптические пути, способные обеспечить большую площадь освещения.
●Фильтры и внутренние компонентыЕсли фильтр и другие компоненты не предназначены специально для большего поля зрения, их диаметр составляет около 20 мм, что жестко ограничивает поле зрения, которое может быть достигнуто.
●Крепление для камерыКрепление камеры также может ограничивать поле зрения. Наиболее распространенный тип крепления, C-mount, обеспечивает поле зрения только до 22 мм, в то время как другие варианты позволяют получить поле зрения более 40 мм для камер с большими сенсорами.

Поле зрения в объектном пространстве для микроскопов

Поле зрения в пространстве объектов, то есть та часть объекта съемки, которая фактически видна, можно рассчитать по осям x и y по следующей формуле:

Роль линз в поле зрения

В микроскопах основное увеличение обеспечивает объектив, но часто между объективом и камерой есть возможность дополнительного увеличения или уменьшения. Это можно использовать для изменения размера пикселя камеры с целью повышения чувствительности (уменьшение, дополнительное увеличение < 1) или уменьшения размера пикселя для достижения оптимального коэффициента дискретизации Найквиста (дополнительное увеличение > 1).

Они также используются для увеличения поля зрения или подгонки выходного сигнала микроскопа к камере с меньшим сенсором — оба варианта достигаются за счет уменьшения масштаба. Общее увеличение системы является произведением увеличений каждого увеличивающего компонента.

Недостатки использования дополнительного увеличения

Следует с осторожностью относиться к дополнительному увеличению, поскольку каждый дополнительный интерфейс воздух/стекло, добавленный к оптической системе, в которой каждая линза, разумеется, рассеивает или отражает до 4% проходящего через нее света, означает, что только около 90-95% света достигает следующего оптического элемента.

Кроме того, объективы микроскопов тщательно проектируются и конструируются для получения высококачественного изображения без аберраций, даже по краям поля зрения. Оптика с дополнительным увеличением, напротив, может значительно уступать по качеству. Это наиболее заметно по краям поля зрения – именно в тех областях, которые линза должна была показывать, если используется дополнительная оптика для увеличения поля зрения. По возможности, увеличение следует устанавливать с помощью объектива, а выбор дополнительных увеличительных линз следует тщательно обдумать.

Поле зрения объектива

Как и в случае с микроскопами, разные линзы предназначены для обеспечения разного поля зрения на сенсоре, для разных размеров сенсоров. Как и в случае с микроскопическими объективами, ограничение поля зрения, скорее всего, будет проявляться как сочетание жестких ограничений (оптическое виньетирование) и внесения аберраций по краям изображения. Разница в качестве изображения в центре и по краям линзы может быть больше, чем у микроскопического объектива. Возможность конкретной линзы удовлетворить ваши потребности зависит от вашего применения и может потребовать экспериментального тестирования.

Фокусное расстояние, фокальная плоскость и поле зрения в пространстве объектов для линз

Поле зрения в пространстве объектов (т.е., какая часть объекта съемки находится в поле зрения) зависит от его расстояния до объектива и фокусного расстояния объектива. Поэтому может быть целесообразнее определять поле зрения в плоскости изображения через угловое поле зрения, которое все равно будет зависеть от фокусного расстояния.

Угол обзора линзы по осям x и y определяется следующим образом:

Формулы для расчета угла обзора линзы в направлениях x и y.

Обратите внимание, что при использовании калькуляторов для этого расчета может потребоваться перевод из радиан в градусы.

Характеристики датчика и поле зрения

Датчик камеры играет ключевую роль в определении достижимого поля зрения. Размер датчика, размер пикселя и соотношение сторон камеры — все это влияет на поле зрения.

Рисунок 2: Размеры датчиков

Физический размер сенсора камеры является очень важным фактором, определяющим поле зрения всей системы, при условии, что используемая оптика может задействовать весь сенсор. Сенсоры показаны в масштабе.

Размер сенсора

Физический размер сенсора камеры является очень важным параметром при расчете поля зрения. Многие оптические системы будут в первую очередь ограничены полем зрения камеры, определяемым размером ее сенсора.

Размер сенсора обычно указывается как в миллиметрах по осям x и y, так и по диагонали. Он также может быть рассчитан (как в случае с областями интереса (ROI)) путем умножения размера пикселя на количество пикселей по осям x и y.

Предыдущие поколения технологий датчиков камер, особенно CCD и EMCCD, могли иметь диагональ всего 10 мм или меньше. Поле зрения большинства микроскопов обычно составляло не менее 18 мм. Это было серьезным ограничением. ВнедрениеCMOS-камерыВ сфере научной визуализации значительно увеличились размеры сенсоров: широко распространены сенсоры с диагональю 19 мм, а также доступны сенсоры диаметром до 40 мм и более.

Соотношение сторон сенсора

Важным фактором при определении полезного размера датчика может быть соотношение сторон датчика, то есть ширина датчика, деленная на высоту. Хотя многиенаучные камерыИспользуется соотношение сторон 1, что подразумевает квадратный сенсор; прямоугольные сенсоры с соотношением сторон > 1 очень распространены, когда сенсор разработан с учетом видеоформатов (4K, 8K).

Преимущества сенсоров с меньшим соотношением сторон (например, квадратных сенсоров) заключаются в том, что они могут более эффективно покрывать круглое отверстие оптической системы. Кроме того, при одинаковом размере диагонали сенсора будет покрыта большая площадь. Какая геометрия сенсора обеспечит большую пропускную способность данных, зависит от поля зрения вашей оптической системы и потребностей вашего приложения.

Как поле зрения камеры влияет на методы получения изображений

Поле зрения камеры может существенно влиять на эффективность различных методов научной визуализации. Оно влияет на:

●Покрытие изображенияУзкое поле зрения может не охватывать важные участки образца, в то время как более широкое поле зрения захватывает больше, но может снижать разрешение. Крайне важно найти правильный баланс между охватом и детализацией.
●Разрешение и детализацияУменьшение поля зрения может увеличить эффективную плотность пикселей, что помогает запечатлеть более мелкие детали и получить изображения высокого разрешения. С другой стороны, увеличение поля зрения может ухудшить плотность пикселей и детализацию, поэтому для сохранения обоих показателей требуется тщательная оптимизация.

●Точность данныхПравильный выбор поля зрения (FOV) гарантирует, что объект съемки будет запечатлен полностью, что крайне важно для точных измерений, количественной оценки и анализа. Например, при съемке живых клеток слишком маленькое поле зрения может не учитывать динамические события, происходящие на краях поля, что приводит к неполным или искаженным данным. В то же время очень широкое поле зрения может уменьшить детализацию изображения, затрудняя идентификацию мелких структур, таких как органеллы в клетках.

Поле зрения в микроскопии

Микроскопия, пожалуй, является наиболее наглядным примером того, как поле зрения влияет на результаты визуализации. В микроскопах:

●Увеличение объективаОбъективы с большим увеличением уменьшают поле зрения, но улучшают детализацию. Объективы с меньшим увеличением увеличивают поле зрения, но снижают разрешение.
●Вопросы размера выборкиПоле зрения должно быть достаточным для наблюдения за интересующими объектами. Например, для получения изображения целого образца ткани требуется более широкое поле зрения, тогда как для изучения клеточных структур может потребоваться узкое поле зрения для достижения более высокого разрешения.
●Методы микроскопииПоле зрения (FOV) имеет решающее значение в светлопольной, конфокальной и электронной микроскопии. Каждая методика предъявляет уникальные требования к конструкции линз, выбору сенсора и освещению для обеспечения желаемого охвата и разрешения.

Поле зрения при различных методах визуализации

Помимо микроскопии, поле зрения играет важную роль во многих других областях научной визуализации:

●Промышленная визуализацияКамеры с широким полем зрения используются для машинного зрения, контроля крупных компонентов и контроля качества. Камеры с узким полем зрения обеспечивают детальный осмотр небольших участков.
●Макроскопия / МакроизображениеПоле зрения полезно в материаловении, ботанике и криминалистике. Поле зрения должно обеспечивать баланс между охватом крупных образцов и достаточной детализацией.
●Астрономическая визуализацияТелескопические камеры требуют чрезвычайно узкого поля зрения для получения изображений удаленных небесных объектов с высоким разрешением, в то время как широкоугольная съемка позволяет охватывать большие участки неба.

В каждом случае правильное поле зрения обеспечивает точность данных, эффективное наблюдение и оптимальное качество изображения.

Проблемы и ограничения поля зрения камеры при получении изображений.

Несмотря на достижения в области фототехнологий, ограничения по полю зрения сохраняются в различных системах визуализации:

●ИскажениеШирокоугольные объективы могут вызывать бочкообразные или подушкообразные искажения, влияющие на точность измерений.
●ВиньетированиеНеравномерное освещение по всему полю зрения может привести к затемнению краев.
●КомпромиссыУвеличение поля зрения часто снижает разрешение и плотность пикселей. Сужение поля зрения улучшает детализацию, но может потребовать нескольких изображений для охвата большой области.
●Ограничения датчиковНекоторые датчики не могут полностью захватить проецируемое объективом поле зрения, что приводит к кадрированию или уменьшению охвата.

Для решения этих задач требуется тщательный подбор комбинаций камер и сенсоров, типов объективов и параметров съемки. Часто необходимы калибровка и постобработка для обеспечения точности научных данных.

Распространенные ошибки и способы их устранения

Оптимизация поля зрения не всегда проста. К распространённым ошибкам относятся:

●Выбор неправильного поля зрения для задачи.—используя широкое поле зрения для задач с высоким разрешением или узкое поле зрения, когда требуется более широкий охват.
●Несоосность оптики и датчиков.что может исказить захваченное изображение и уменьшить эффективное поле зрения.
●Игнорирование совместимости сенсора и объективавызывая перерегулирование или недорегулирование ожидаемого поля изображения.

Советы по устранению неполадок:

● Перед началом съемки всегда рассчитывайте ожидаемое поле зрения.
● Тщательно подберите объектив и сенсор, чтобы избежать перерегулирования или недорегулирования.
● Используйте калибровочные слайды или сетки для проверки точности поля зрения.
● При микроскопическом исследовании убедитесь, что объектив, камера и длина тубуса совместимы.

Заключение

Поле зрения камеры — это фундаментальное понятие в научной визуализации, влияющее на все аспекты сбора данных, от охвата и разрешения до качества изображения и точности измерений. Понимание того, как линзы, датчики и методы визуализации взаимодействуют, определяя поле зрения, позволяет исследователям, техникам и инженерам оптимизировать свои системы визуализации, минимизировать ошибки и повысить надежность данных. Независимо от того, используется лиsCMOS-камерыПри использовании CMOS-камер или микроскопов выбор правильного поля зрения имеет решающее значение для получения надежных и пригодных для практического применения данных.