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显微镜分辨率、相机分辨率与人眼分辨率之关系

囚牛飞天 531

前言:

今天同学们对“显微镜分辨率计算公式推导”大概比较关切,咱们都想要学习一些“显微镜分辨率计算公式推导”的相关文章。那么小编同时在网上收集了一些关于“显微镜分辨率计算公式推导””的相关文章,希望大家能喜欢,兄弟们快快来学习一下吧!

在显微成像系统中,常常会用分辨率来评价其成像能力的好坏。这里的分辨率通常是指光学系统的极限分辨率以及成像探测器的图像分辨率。最终图像所呈现出的实际分辨率,取决于二者的综合影响。过高的光学分辨率如果没有足够精细的图像分辨率来体现,则实际分辨率会降低到图像分辨率以下;如果相机解析能力过高但光学系统的分辨率低,同样也看不清物体的精细结构。所以在选择相机的时候,我们也不妨根据自己这套系统需要达到的分辨率来综合考虑一下。

1. 光学系统的分辨率

光学系统的分辨率,是指“物”在经过光学系统后的“像”在细节上能被分辨的最小距离。一般我们会用光学系统所能分辨的两个像点的最小距离来表示,大于这个距离的两个像点就能被识别为两个点,而小于这个距离的两个点经过光系统后就会被识别为一个点。

2. 相机的图像分辨率

相机的图像分辨率就是单位距离内的像用多少个像素来显示。以我们的JFMV-M1200C相机为例,芯片的像元大小为 1.85 μm,在 40X物镜的放大倍率下,1 μm的物经光学系统放大为 40 μm的像,这样的像会由 40/1.85 =21.62 个像素来显示,所以图像分辨率为21.62 pixel/μm。反推回实际物体,则图像中的一个像素点表示的实际距离为 1/21.62 = 46.25 nm (其实就是像元尺寸/放大倍数)。根据这个原理,我们可以得出像元尺寸越小,其图像分辨率越高。

3.已有显微镜和相机,希望知道当前成像系统的分辨率究竟是多少

我们可以用木桶理论来考虑这个问题。光学系统的分辨率(光学分辨率)和相机的图像分辨率是整个成像系统分辨率这个“木桶”上的两块“木板”;成像系统的分辨率等于这两块“木板”上的那个短板。

对于显微镜:光学分辨率=λ/2*N.A。其中λ为波长(对于普通生物显微镜卤钨灯波长默认为0.55μm);N.A为物镜的数值孔径。

相机的图像分辨率=2*像元大小/放大倍数

举一个具体的例子:一台生物显微镜,采用N.A0.65的40X倍物镜,光路中没有其他放大;卤钨灯照明

采用JFMV-M1200C相机,像元大小为1.85um。

光学分辨率 = 550nm/2*0.65 = 423nm

相机的图像分辨率 = 2*1.85um/40 =92.5nm

比较二者,光学分辨率较差(即数值较大),所以整个系统的分辨率是受限于光学分辨率的,为423nm。

4. 已有显微镜,希望知道从成像分辨率的角度如何选择相机

首先强调,以下建议仅仅是从成像分辨率的角度。在选择相机时,信噪比常常是更加关键的考量。原则上来说,实际选用的像元大小应小于理想像元大小,像元越小对细节的解析越好(但是小于理想值的1/2以后就无显著性改善了)。

但是从图像信噪比的角度来说,像元越大能够得到更高的信噪比。不同相机除了在像元大小上有所差别,在灵敏度、噪音等方面也是不尽相同。所以在选择成像系统时要充分考虑实际情况来进行多种条件的平衡与取舍。

5.人眼分辨率

如果硬性比较,人眼大约等效于一台50毫米焦距,光圈F4-F32可变,约500万像素,感光度ISO50-ISO6400,快门1/24的不停连续拍摄的相机。镜头约等于3片3组,全部由非球面镜组成。对焦速度极高,在0.5秒内就能完成从最远到最近的切换,永不跑焦。

非近视的情况下,景深极大。 影像处理器大约相当于4块Digital 3,并行工作,而后台的模糊识别处理器,则无法用地球上的计算机来衡量。色彩不好说,一般是认为在32位和48位之间。

但是!人眼更类似于一台视频摄像机,而非静态的照相机。人的眼球反复转动,持续接受外界的光信号,并随时“更新”大脑内的图像细节。同时,大脑将双眼得到的不同信号组合起来,也可增加图像的分辨率。而且,我们经常会转动眼球或者转动脖子,以接受更多的信息。因此,眼球和大脑的有机结合,使人眼的分辨率不仅仅由虹膜上的光受体决定。 根据以上的观点,假设前方有一个四方形的视野,比如一扇开着的窗户。像素值相当于[90(度)×60(弧度/度)×1/0.3]^2=324000000,即3亿2400万像素。但是你其实不会意识到如此多的像素值,仅仅是大脑根据需要,获取“有用”的细节。从另一个方面来说,人眼的可视范围非常宽,几乎达到180度。如果以此计算,即使仅以120度计算,像素就可达到5亿7600万像素。如此高的像素值,确实不是现有的数码相机可以相比的。

通过显微镜获取好的图像,影响因素很多,以上数据都是理论值。实际使用中显微镜物镜的优劣;显微镜照明光源的种类;相机芯片的品质;相机的算法;软件的优化以及显微镜、相机的参数调整都会影响到图像的质量。对图像预览有要求显示屏参数的选择也至关重要。

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