理解顯微鏡和成像技術中的相機視野

捕捉細節的關鍵問題之一是：究竟能看到多少成像物件？在許多應用中，獲得足夠大的視野至關重要——其目的可能是將整個成像對象納入同一畫面，盡可能多地觀察多個物體以獲得更準確的統計數據（例如，多個細胞），或者包含成像對象周圍區域的更多背景信息。

對於任何使用顯微鏡、工業相機或其他科學成像設備的人來說，理解視場角（FOV）至關重要。本文將探討視場角的概念、其在成像系統中的作用、鏡頭和感測器的影響、常見挑戰以及優化成像結果的實用技巧。

什麼是相機視野角（FOV）？

系統的視場角（FOV）首先可以在物空間中定義。對於顯微鏡而言，這意味著放大後影像的大小。對於透鏡，類似地，視場角可以在焦平面上測量，或以角度視場角來衡量。此外，我們還可以根據光學系統投射到相機感測器的光束錐或柱面的物理尺寸來定義視場角，也就是相機可見的範圍。這取決於相機感光元件和光學元件的物理尺寸和性能，而與放大倍率或焦距無關。

視野（FOV）主要有兩種表達方式：

1. 角視場角——相機鏡頭所涵蓋的角度，通常以度為單位測量。這在廣角或長焦應用中很常見。
2. 線性或空間視場– 可觀察區域的物理尺寸，通常以微米或毫米為單位測量，尤其是在顯微鏡下。

視野範圍受限於視野最小的組件。當視野範圍受限於光學系統時，相機影像邊緣可能會出現暗角或無法接受的光學像差。當視野範圍受限於相機感光元件尺寸時，所拍攝的影像僅能捕捉到光學系統所傳輸影像的一部分。

圖1：視野範圍增大

所示樣品為 BPAE 細胞的多通道螢光顯微鏡影像。

視野限制

在顯微鏡系統中，光路中的每個組件，包括物鏡、濾光片、附加透鏡、光圈、相機支架等，都會限制視野。

大多數顯微鏡都用「視場數」來標示其建議的最大視野。對於大多數老式顯微鏡來說，這個數值約為18毫米。現代顯微鏡的視野有時可以超過30毫米，這得益於其配備了專為更大視野設計的專用光學元件。

限制視場角的典型光學元件：

●顯微鏡物鏡某些物鏡，尤其是低倍率物鏡，實際視場數可能超過標稱值。然而，超出此範圍後，其光學品質（包括焦平面和像差控制）無法保證，因此通常會在邊緣處迅速下降。
●照明n：為了在大視野範圍內獲得良好的影像質量，需要能夠提供大照明區域的照明光源和光路。
●過濾器和內部組件除非是專門為更大的視場角設計的，否則許多濾鏡和其他組件的直徑都在 20 毫米左右，這為可實現的視場角設定了一個硬性限制。
●相機支架相機介面也會限制視野範圍。最常見的介面類型 C 型介面只能提供最大 22 毫米的視野範圍，而其他介面則可為配備大尺寸感光元件的相機提供超過 40 毫米的視野範圍。

顯微鏡的物空間視野

物體空間中的視野，也就是我們成像物體實際可見的範圍，可以透過以下公式在 x 和 y 方向上計算：

鏡頭在視野中的作用

在顯微鏡中，物鏡負責主要的放大，但通常在物鏡和相機之間還有額外的放大或縮小選項。這些選項可以用來改變相機像素尺寸以提高靈敏度（縮小，額外放大倍率 < 1），或減少像素尺寸以實現最佳的奈奎斯特取樣（額外放大倍率 > 1）。

它們還可用於增加視場角，或使顯微鏡的輸出影像適配更小的感測器相機——這兩種方法都是透過縮小放大倍率來實現的。系統的總放大倍率是各放大組件放大倍率的乘積。

使用額外放大倍率的缺點

值得注意的是，對於額外的放大倍率，需要謹慎對待，因為在光學系統中，每個額外的空氣/玻璃界面（當然，每個透鏡都會散射或反射高達 4% 的通過它的光線）都會發生這種情況，這意味著只有大約 90%-95% 的光線能夠到達下一個光學元件。

此外，顯微鏡物鏡經過精心設計和製造，即使在視野邊緣也能提供高品質、無像差的影像。而附加放大鏡片的品質則可能顯著降低。這種影響在視野邊緣最為明顯——而這正是使用附加鏡片來擴大視野時，鏡片原本旨在顯示的區域。因此，盡可能使用物鏡來設定放大倍率，而應謹慎考慮是否使用附加放大鏡片。

鏡頭視野

與顯微鏡類似，不同鏡頭的設計旨在為不同尺寸的感測器提供不同的視野。與顯微鏡物鏡類似，視場的限制通常表現為硬性限制（光學漸暈）和影像邊緣像差的共同作用。鏡頭中心和邊緣的成像品質差異可能比顯微鏡物鏡更大。特定鏡頭是否能滿足您的需求取決於您的應用，可能需要進行實驗測試。

鏡頭的焦距、焦平面和物空間視野

物場視野（即成像物體在視野範圍內的範圍）取決於物體與鏡頭的距離以及鏡頭的焦距。因此，用角視場來定義像平面視場可能更有意義，因為角視場仍然取決於焦距。

透鏡在 x 和 y 方向的視角由下式給出：

請注意，使用計算機進行此計算時，可能需要將弧度轉換為角度。

感測器特性和視場角

相機感光元件在決定可實現的視野角方面起著至關重要的作用。感光元件尺寸、像素尺寸和相機的寬高比都會影響視野角。

圖 2：感測器尺寸

相機感測器的物理尺寸是決定整個系統視場角的一個非常重要的因素——前提是所使用的光學元件能夠充分利用整個感測器。圖中感測器按比例顯示。

感測器尺寸

相機感測器的物理尺寸是計算視場角的一個非常重要的參數。許多光學系統的主要限制因素是相機的視野角，而視場角又取決於感光元件的尺寸。

感測器尺寸通常以 x 和 y 方向的毫米測量值以及對角線長度的形式提供。它也可以計算出來（就像感興趣區域 (ROI) 的情況一樣），方法是將像素尺寸乘以 x 和 y 方向的像素數。

前幾代相機感光元件技術，特別是CCD和EMCCD感測器，對角線尺寸可以小至10毫米甚至更小。而大多數顯微鏡的視場數通常至少為18毫米。這是一個嚴重的限制。CMOS相機科學成像技術顯著提高了感測器尺寸，19 毫米對角線感測器已很常見，直徑達 40 毫米甚至更大的感測器也已問世。

感測器縱橫比

在考慮感測器的有效尺寸時，一個重要的因素是感測器的長寬比，即感測器的寬度除以高度。雖然許多感測器都具有較高的長寬比，但其尺寸仍然很大。科學相機使用寬高比為 1 的感測器，這意味著使用正方形感測器；當感測器設計時考慮到視訊格式（4K、8K），寬高比大於 1 的矩形感測器非常常見。

低縱橫比感測器（例如方形感測器）的優點在於，它們能更有效率地覆蓋光學系統的圓形孔徑。此外，在相同的對角線尺寸下，它們可以覆蓋更大的區域。哪種感測器幾何形狀能提供更高的資料吞吐量取決於光學系統的視場角 (FOV) 和應用需求。

相機視場角如何影響影像技術

相機的視野角（FOV）會顯著影響各種科學成像技術的有效性。它影響：

●影像覆蓋範圍較窄的視場角可能會遺漏樣本的關鍵區域，而較寬的視場角雖然能捕捉到更多影像，但會降低解析度。因此，在覆蓋範圍和細節之間找到合適的平衡點至關重要。
●解析度和細節較小的視場角可以提高有效像素密度，從而有助於捕捉更精細的細節和高解析度影像。另一方面，較大的視場角可能會降低像素密度和細節，因此需要仔細優化以兼顧兩者。

●數據準確性選擇合適的視場角（FOV）可確保成像物體被完整捕捉，這對於精確測量、量化和分析至關重要。例如，在活細胞成像中，過小的視場角可能會遺漏視野邊緣發生的動態事件，導致數據不完整或偏差。而過大的視場角則會降低影像細節，使識別細胞內較小的結構（例如細胞器）變得困難。

顯微鏡視野

顯微鏡或許是視場如何影響成像結果最典型的例子。在顯微鏡中：

●物鏡放大倍率高倍物鏡會縮小視野角，但能增強細節表現；低倍物鏡會增加視野角，但會降低解析度。
●樣本量考慮因素視野必須夠大，才能觀察到感興趣的特徵。例如，對整個組織樣本進行成像需要更寬的視野，而研究細胞結構可能需要更窄的視野以獲得更高的解析度。
●顯微鏡技術視野（FOV）在明場顯微鏡、共聚焦顯微鏡和電子顯微鏡中至關重要。每種技術都對鏡頭設計、感測器選擇和照明提出了獨特的要求，以確保所需的覆蓋範圍和解析度。

不同成像技術的視野

除了顯微鏡之外，FOV 在許多其他科學成像應用中也發揮著重要作用：

●工業成像廣角相機用於機器視覺、大型零件偵測和品質控制。窄角相機則用於小區域的精細檢測。
●宏觀成像可用於材料科學、植物學和法醫分析。視野必須在覆蓋較大樣本和提供足夠細節之間取得平衡。
●天文成像望遠鏡相機需要極窄的視場角才能對遙遠的天體進行高解析度成像，而廣角成像則可以捕捉到更大範圍的天空。

在每種情況下，正確的視場角都能確保資料準確性、高效觀測和最佳影像品質。

成像中相機視野的挑戰與局限性

儘管相機技術取得了進步，但各種成像系統仍存在視場角限制：

●失真：寬視野角鏡頭可能會引入桶形或枕形畸變，從而影響測量精度。
●小插曲視野範圍內光照不均勻會導致邊緣變暗。
●權衡取捨增大視場角通常會降低解析度和像素密度。縮小視場角可以增強細節，但可能需要拍攝多張影像才能覆蓋較大區域。
●感測器局限性：有些感測器無法完全捕捉鏡頭投射的視野角，導致畫面裁切或覆蓋範圍縮小。

應對這些挑戰需要仔細選擇相機感測器組合、鏡頭類型和成像參數。通常需要進行校準和後處理校正，以確保獲得準確的科學數據。

常見錯誤及故障排除

優化視野並非總是易事。常見錯誤包括：

●為任務選擇了錯誤的視野範圍—對於高解析度任務，使用寬視場角；對於需要更廣覆蓋範圍的任務，使用窄視場角。
●光學元件和感測器的未對準這會導致拍攝的影像失真，並降低有效視場角。
●忽略感光元件與鏡頭的兼容性導致預期影像場過衝或欠衝。

故障排除提示：

● 成像前務必計算預期視場角。
● 仔細配對鏡頭和感光元件，以避免過衝或欠衝。
● 使用校準載玻片或網格來驗證視場精確度。
● 顯微鏡，請確保物鏡、相機和鏡筒長度相容。

結論

相機視場角是科學成像中的一個基本概念，它影響著資料擷取的方方面面，從覆蓋範圍和解析度到影像品質和測量精度。了解鏡頭、感測器和成像技術如何相互作用以定義視場角，可以幫助研究人員、技術人員和工程師優化成像設定、最大限度地減少誤差並提高數據可靠性。無論使用sCMOS相機對於 CMOS 相機或顯微鏡而言，選擇合適的視場角對於捕捉可靠、可操作的數據至關重要。