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數(shù)碼相機(jī)在顯微技術(shù)中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
1引言
光學(xué)顯微鏡可以把人眼不能分辨的微小物體放大成像,以供人們提取微細(xì)結(jié)構(gòu)信息。為了提高顯微鏡觀察微細(xì)結(jié)構(gòu)的能力,顯微鏡本身的結(jié)構(gòu)原理不斷發(fā)展。例如,偏光顯微術(shù)、干涉顯微術(shù)、相襯顯微術(shù)等。同時(shí),近年來(lái),顯微觀察技術(shù)也在不斷創(chuàng)新,市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種顯微圖像直接與CCD耦合的數(shù)碼顯微鏡,通過(guò)監(jiān)視器或計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行放大觀察,極大地提高了放大率;另一種利用數(shù)碼相機(jī)和顯微鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯微攝影和數(shù)碼顯微存儲(chǔ),然后數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)相連,即時(shí)拍攝圖像,并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。隨著數(shù)碼相機(jī)的分辨力不斷地提高,所拍攝顯微圖像清晰度也在不斷地提升。現(xiàn)側(cè)重研討數(shù)碼相機(jī)與顯微鏡連接的專用轉(zhuǎn)接鏡的應(yīng)用與設(shè)計(jì)。
2顯微鏡觀察技術(shù)進(jìn)展
古典的光學(xué)顯微鏡只是光學(xué)元件和精密機(jī)械元件的組合,它以人眼作為接收器來(lái)觀察放大的像。顯微鏡中所觀察到的影像,只能靠有限的手繪技巧粗略紀(jì)錄。后來(lái)在顯微鏡中加入了攝影裝置,以感光膠片作為可以記錄和存儲(chǔ)的接收器,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是解晰度高,相當(dāng)接近人類肉眼所能辨識(shí)的極限,另外,底片可以較長(zhǎng)時(shí)間保存,相片也可以重復(fù)洗印。缺點(diǎn)是沒有實(shí)時(shí)性,將圖片轉(zhuǎn)化成電子文擋的時(shí)候,細(xì)節(jié)有損失等等。
近代又普遍采用光電元件――電荷耦合器CCD作為顯微鏡的接收器,在顯微鏡的實(shí)像面處裝入電視攝像靶(電荷耦合器CCD),這些光電器件把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的圖像,圖像通常以兩種方式顯示:一種方式是用一個(gè)監(jiān)視器顯示顯微圖像,圖像的放大倍率有很大提高。例如:若采用1/2英寸CCD,它的靶面對(duì)角線尺寸是8mm,監(jiān)視器采用17英寸,那么,電子的放大率是:
顯微鏡總的放大率是:M總=M物鏡×M電子,顯然,與目鏡觀察相比,圖像的放大率得到了很大的提高。另外,不僅人的眼睛能從目鏡觀察中解放出來(lái),而且可以使更多的人同時(shí)進(jìn)行觀察、判別。但是,與目鏡觀察相比,視場(chǎng)損失很大。因?yàn)?一般顯微物鏡像的大小約為<18mm,平場(chǎng)物鏡甚至更大,可達(dá)<24mm～<28mm,而1/2英寸CCD靶面的對(duì)角線為8mm,被顯微物鏡放大的像沒有被充分觀察到。為解決這個(gè)問(wèn)題,通常在顯微物鏡后加一個(gè)附加鏡頭,附加鏡頭將顯微物鏡所成的像縮小,以配合CCD靶面尺寸。此時(shí)顯微鏡的放大倍率為M總=M物鏡×M電子×M附加鏡,這樣視場(chǎng)損失小了,而放大倍率下降了。根據(jù)實(shí)際工作需要,附加鏡頭通常做成可變焦的。
另外一種顯示方式是采用電腦顯示屏顯示,將圖像通過(guò)圖像卡直接輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行各種處理,構(gòu)成了完整的圖像信息采集和處理系統(tǒng)。這種一體化設(shè)計(jì)的數(shù)碼顯微鏡國(guó)內(nèi)與國(guó)外都有產(chǎn)品,它的優(yōu)點(diǎn)是:大大縮減了因沖洗照片而耽誤大量時(shí)間,另外拍攝后的照片即時(shí)傳入到計(jì)算機(jī)的分析軟件,立刻得出分析結(jié)果,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、打印等功能。雖然放大后的圖形進(jìn)入計(jì)算機(jī)后,可以利用計(jì)算機(jī)軟件將圖形進(jìn)行局部放大,總的放大倍率為M總=M物鏡×M電子×M附加鏡×M計(jì)算機(jī),但這個(gè)系統(tǒng)仍然存在視場(chǎng)大小和放大倍率的矛盾。而且,在觀察時(shí)還需要與一臺(tái)計(jì)算機(jī)相連,在各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不是很方便。
這里,提出一種能克服以上不足的新的觀察方法,即將數(shù)碼相機(jī)通過(guò)一個(gè)專門設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接鏡頭與顯微鏡組合,即可拍攝顯微圖像。在這個(gè)系統(tǒng)中,無(wú)需另外購(gòu)買顯微鏡和數(shù)碼相機(jī),只需增加一只轉(zhuǎn)接鏡頭即可。使用時(shí),取出觀察目鏡,將轉(zhuǎn)接鏡頭插入目鏡座,通過(guò)數(shù)碼相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口與數(shù)碼相機(jī)連接,即可拍攝。由于數(shù)碼相機(jī)是全屏拍攝的,所以,顯微物鏡所放大的像可以充分利用,視場(chǎng)沒有損失。另外,系統(tǒng)可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作,使用方便,拍攝后只需將相機(jī)中的存儲(chǔ)卡拿到計(jì)算機(jī)上讀出即可。這樣就不必為顯微鏡專門配備一臺(tái)計(jì)算機(jī)。而且,隨著數(shù)碼相機(jī)的分辨力的不斷提高,所拍攝顯微圖像的清晰度也能提升。因而此系統(tǒng)是實(shí)惠、可行的。
3轉(zhuǎn)接鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)
3.1光學(xué)系統(tǒng)的高斯光學(xué)要求
3.1.1考慮到顯微鏡和數(shù)碼相機(jī)的品牌很多,它們的像差無(wú)法獲知。由于設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)顯微物鏡和數(shù)碼相機(jī)成像是完善的,因而數(shù)碼相機(jī)用一個(gè)理想光學(xué)系統(tǒng)替代,也不需要考慮像差補(bǔ)償問(wèn)題。設(shè)計(jì)采用Olympus數(shù)碼相機(jī),鏡頭可變焦,焦距為6.5mm～19mm,CCD為1/2英寸,靶面尺寸為6.4mm×4.8mm,設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)平場(chǎng)顯微物鏡所成像的視場(chǎng)最大值為<28mm,為充分利用平場(chǎng)顯微物鏡所成像的視場(chǎng),轉(zhuǎn)接鏡的視場(chǎng)應(yīng)與之配合,與之耦合的數(shù)碼相機(jī)的焦距應(yīng)取短焦,因此,轉(zhuǎn)接鏡與數(shù)碼相機(jī)配合圖像將縮小M=28/4.8=5.8倍。因此,轉(zhuǎn)接鏡頭的焦距為f=6.5×5.8=38mm。設(shè)計(jì)時(shí),取轉(zhuǎn)接鏡的焦距f=40mm。
3.1.2轉(zhuǎn)接鏡的F數(shù)應(yīng)與顯微鏡的像方數(shù)值孔徑NA相匹配。
3.1.3設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)系統(tǒng)的瞳窗配合問(wèn)題,它包含兩個(gè)方面內(nèi)容,即兩個(gè)系統(tǒng)光瞳位置和成像位置的配合,視場(chǎng)大小的配合。
3.2轉(zhuǎn)接鏡頭選型
轉(zhuǎn)接鏡用五片三組廣角目鏡構(gòu)成,它將顯微物鏡所成的像成像在無(wú)限遠(yuǎn)處,數(shù)碼相機(jī)將無(wú)限遠(yuǎn)處的像成在1/2英寸的CCD靶面上。光路如圖3所示,顯微物鏡的出射光瞳(也是轉(zhuǎn)接鏡的入射光瞳)它距轉(zhuǎn)接鏡的物面(也是顯微鏡的像面)為160cm;對(duì)數(shù)碼相機(jī)入瞳位置粗略地測(cè)試,結(jié)果表明:在f=6.5mm時(shí),入瞳在鏡內(nèi)約28mm(隨著焦距增大,入瞳位置在鏡內(nèi)深度也增加),考慮到接口位置和安裝位置需要等,轉(zhuǎn)接鏡的出瞳位置取33mm;由于轉(zhuǎn)接鏡頭是插入目鏡筒中的,因此,轉(zhuǎn)接鏡的物方焦點(diǎn)位置需大于36mm。如圖1,為轉(zhuǎn)接鏡頭的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)以上成像關(guān)系,轉(zhuǎn)接鏡頭參數(shù)選擇如下:
(1)焦距f=40mm;
(2)出瞳位置33mm,出瞳尺寸6mm;
(3)像方視場(chǎng)角2X=40°;
(4)物方焦點(diǎn)位置大于36mm。
3.3轉(zhuǎn)接鏡頭設(shè)計(jì)結(jié)果
圖2是轉(zhuǎn)接鏡頭的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線。可以看出,這是一個(gè)比較完善的設(shè)計(jì),該鏡頭的介入不會(huì)影響數(shù)碼相機(jī)的成像質(zhì)量。
3.4全系統(tǒng)光路
如圖3,顯微物鏡將觀察對(duì)象成像在位置2,這也是轉(zhuǎn)接鏡的物面,轉(zhuǎn)接鏡將位置2的物面成像在無(wú)限遠(yuǎn)處,數(shù)碼相機(jī)將無(wú)限遠(yuǎn)處的像成在位置5上。顯微鏡的出瞳也是轉(zhuǎn)接鏡頭的入瞳,轉(zhuǎn)接鏡頭的出瞳也是數(shù)碼相機(jī)的入瞳。
4結(jié)論
以上設(shè)計(jì)結(jié)果經(jīng)實(shí)踐證明是很實(shí)用的,已投產(chǎn)幾百個(gè)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)碼相機(jī)與計(jì)算機(jī)日益普及,數(shù)碼相機(jī)的分辨力和功能在不斷地提高,而價(jià)格卻不斷地下降,用數(shù)碼相機(jī)與現(xiàn)有的顯微鏡通過(guò)轉(zhuǎn)接鏡頭相連,實(shí)現(xiàn)顯微觀察的方法,價(jià)格不高(只需配一個(gè)轉(zhuǎn)接鏡頭),使用方便,有良好的應(yīng)用前景。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
