Цифровой микроскоп — это разновидность традиционного оптического микроскопа, который использует оптику и цифровую камеру для вывода изображения на монитор , иногда с помощью программного обеспечения, работающего на компьютере . Цифровой микроскоп часто имеет собственный встроенный светодиодный источник света и отличается от оптического микроскопа тем, что в нем нет возможности наблюдать образец непосредственно через окуляр. Поскольку изображение фокусируется на цифровой схеме, вся система рассчитана на изображение монитора. Оптика для человеческого глаза опущена.
Цифровые микроскопы варьируются от обычно недорогих цифровых USB-микроскопов до современных промышленных цифровых микроскопов стоимостью десятки тысяч долларов. В недорогих коммерческих микроскопах обычно отсутствует оптика для освещения (например, подсветка Келера и фазово-контрастное освещение) и они больше похожи на веб-камеры с макрообъективом . Оптический микроскоп также может быть оснащен цифровой камерой.
Первый цифровой микроскоп был создан компанией в Токио , Япония , в 1986 году, которая сейчас известна как Hirox Co. LTD . [1] Он включал в себя блок управления и объектив, подключенный к компьютеру. Первоначальное подключение к компьютеру было аналоговым через соединение S-video. Со временем это соединение было изменено на FireWire 800 для обработки большого количества цифровой информации, поступающей с цифровой камеры. Примерно в 2005 году они представили усовершенствованные устройства «все в одном», которые не требовали компьютера, но имели встроенный монитор и компьютер. Затем, в конце 2015 года, они выпустили систему, в которой компьютер снова был отдельным, но подключался к компьютеру через USB 3.0, воспользовавшись преимуществами скорости и долговечности USB-соединения. Эта система также была намного более компактной, чем предыдущие модели, за счет уменьшения количества кабелей и физического размера самого устройства.
Изобретение USB- порта привело к появлению множества USB-микроскопов различного качества и увеличения. Они продолжают дешеветь, особенно по сравнению с традиционными оптическими микроскопами. Они предлагают изображения с высоким разрешением, которые обычно записываются непосредственно на компьютер, а также используют мощность компьютера для встроенного светодиодного источника света. Разрешение напрямую связано с количеством мегапикселей, доступных в конкретной модели: от 1,3 МП, 2 МП, 5 МП и выше.
Основное различие между стереомикроскопом и цифровым микроскопом — это увеличение . В стереомикроскопе увеличение определяется путем умножения увеличения окуляра на увеличение объектива. Поскольку цифровой микроскоп не имеет окуляра, увеличение этим методом определить невозможно. Вместо этого увеличение цифрового микроскопа изначально определялось тем, во сколько раз больший образец воспроизводился на 15-дюймовом мониторе. Хотя размеры мониторов изменились, физический размер используемого чипа камеры не изменился. В результате коэффициенты увеличения и поле зрения остаются такими же, как в исходном определении, независимо от размера используемого монитора. Средняя разница в увеличении оптического и цифрового микроскопа составляет около 40%. Таким образом, кратность увеличения стереомикроскопа обычно на 40% меньше кратности увеличения цифрового микроскопа. [ нужна цитата ]
Поскольку в цифровом микроскопе изображение проецируется непосредственно на ПЗС-камеру, можно получить записанные изображения более высокого качества, чем при использовании стереомикроскопа. Линзы стереомикроскопа изготавливаются с учетом оптики глаза. Присоединение ПЗС-камеры к стереомикроскопу приведет к получению изображения, в котором будут ухудшены возможности окуляра. Хотя изображение на мониторе и записанное изображение при использовании цифрового микроскопа могут быть более высокого качества, применение микроскопа может определять, какой микроскоп предпочтительнее. [ нужна цитата ]
Цифровой окуляр для микроскопов. Программное обеспечение содержит широкий спектр дополнительных аксессуаров, обеспечивающих многоцелевое использование, таких как фазово-контрастное наблюдение, наблюдение в светлом и темном поле, микрофотография, обработка изображений, определение размера частиц в мкм, патологоанатомический отчет и менеджер пациентов, микрофотография, запись видео при движении, рисование и маркировка и т. д.
Типичная 2-мегапиксельная ПЗС-матрица генерирует изображение размером 1600×1200 пикселей. Разрешение изображения зависит от поля зрения объектива, используемого с камерой. Приблизительное разрешение в пикселях можно определить, разделив горизонтальное поле зрения (FOV) на 1600.
Увеличенного разрешения можно добиться путем создания субпиксельного изображения. Метод сдвига пикселей использует привод для физического перемещения ПЗС-матрицы для получения нескольких перекрывающихся изображений. Объединив изображения в микроскопе, можно получить субпиксельное разрешение. Этот метод предоставляет субпиксельную информацию. Усреднение стандартного изображения также является проверенным методом предоставления субпиксельной информации.
Большинство современных цифровых микроскопов имеют возможность измерять образцы в 2D. Измерения выполняются на экране путем измерения расстояния от пикселя к пикселю. Это позволяет измерять длину, ширину, диагональ и круг, а также многое другое. Некоторые системы даже способны считать частицы.
Трехмерные измерения достигаются с помощью цифрового микроскопа путем наложения изображений. Используя шаговый двигатель, система переносит изображения из самой нижней фокальной плоскости в поле зрения в самую верхнюю фокальную плоскость. Затем он реконструирует эти изображения в 3D-модель на основе контраста, чтобы получить цветное 3D-изображение образца. На основе этих 3D-моделей можно провести измерения, но их точность зависит от шагового двигателя и глубины резкости объектива.
2D и 3D мозаику, также известную как сшивание или создание панорамы , теперь можно выполнять с помощью более совершенных систем цифрового микроскопа. При мозаичном 2D-изображении изображение автоматически объединяется в одно целое в реальном времени путем перемещения сцены XY. 3D-мозаика сочетает в себе движение сцены XY 2D-мозаики с движением по оси Z 3D-измерений для создания 3D-панорамы.
Цифровые микроскопы варьируются от недорогих устройств стоимостью примерно от 20 долларов США, которые подключаются к компьютеру через USB-разъем, до устройств стоимостью десятки тысяч долларов. Эти современные системы цифрового микроскопа обычно автономны и не требуют компьютера. [ нужна цитата ]
Некоторые из более дешевых микроскопов, подключаемых через USB, не имеют подставки или имеют простую подставку с зажимными соединениями . По сути, это очень простые веб-камеры с небольшими объективами и датчиками, которые можно использовать для просмотра объектов, расположенных не очень близко к объективу, и которые механически устроены таким образом, чтобы обеспечить фокусировку на очень близких расстояниях. Обычно утверждается, что увеличение можно регулировать пользователем от 10× до 200–400×. [ нужна цитата ]
Для работы устройств, подключаемых к компьютеру, требуется программное обеспечение. Основная операция включает просмотр изображения микроскопа и запись «снимков». Более расширенные функции, доступные даже на более простых устройствах, включают запись движущихся изображений, замедленную съемку, измерения, улучшение изображений, аннотации и т. д. Многие из более простых устройств, подключаемых к компьютеру, используют стандартные возможности операционной системы и не требуют устройства. -специфические драйверы. Следствием этого является то, что многие различные пакеты программного обеспечения для микроскопов могут взаимозаменяемо использоваться с разными микроскопами, хотя такое программное обеспечение может не поддерживать функции, уникальные для более совершенных устройств. Базовые операции могут быть возможны с помощью программного обеспечения, входящего в состав операционных систем компьютера — в Windows XP изображения с микроскопов, не требующие специальных драйверов, можно просматривать и записывать из «Сканеров и камер» на панели управления. [ нужна цитата ]
Более совершенные цифровые микроскопы имеют подставки, которые удерживают микроскоп и позволяют перемещать его вверх и вниз, как и стандартные оптические микроскопы. Калиброванное движение во всех трех измерениях достигается за счет использования шагового двигателя и автоматизированного столика. Разрешение, качество изображения и динамический диапазон зависят от цены. Системы с меньшим количеством пикселей имеют более высокую частоту кадров (от 30 до 100 кадров в секунду) и более быструю обработку. Более быструю обработку можно увидеть при использовании таких функций, как HDR ( расширенный динамический диапазон ). Помимо микроскопов общего назначения, выпускаются приборы, специализированные для конкретных применений. Эти устройства могут иметь диапазон увеличения от 0 до 10 000 раз, являются либо универсальными системами (встроенными в компьютер), либо подключаются к настольному компьютеру. Они также отличаются от более дешевых USB-микроскопов не только качеством изображения, но также возможностями и качеством конструкции системы, что обеспечивает более длительный срок службы систем такого типа. [ нужна цитата ]