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数码显微镜相机和图像分析基本技术术语的定义

当今大多数显微镜都使用 相机 。相机的特性通常决定着所获取的图像是否可以揭示研究人员想要看到的东西。但是,当深入研究摄影机术语时,技术术语可能会令人不知所措。我们用最简洁的解释汇编了最重要的术语,以提供方向。它们按字母顺序排列。

您可以在此阅读有关数码相机技术背后的基本原理以及显微镜相机如何工作的更多信息。 数码相机技术简介。

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Binning

装仓是一种提高相机帧速率和动态范围,同时通过降低分辨率来降低噪声的技术。它通常用于高速荧光延时实验。而不是读出每个人的数据 像素点 ,相邻像素的数据被合并并一起作为超像素读出。通常使用2x2和8x8之间的合并值。重要的是要注意2x2装箱生成的像素是原始像素大小的4倍。

效果分级取决于相机中使用的传感器类型,如下表所示。

 

速度

数据量

解析度

信噪比

CCD

电磁兼容

CMOS

CMOS

Bit-Depth

位深度 摄像头传感器的图像描述了其转换来自摄像机的模拟信号的能力 像素点 阵列成数字信号,其特征在于灰度级或灰度值。它是AD转换器的功能。位深度越大,可以输出的灰度值越多,可以在图像中复制的细节越多。

Brightness

亮度描述相对 强度 影响人或传感器。在数字图像的情况下,强度是整个传感器的平均值。

颜色查询表(CLUT)

数字图像由单个像素的阵列组成。它们的颜色信息可以存储为数字代码,其中每种颜色均以不同的数值存储。

颜色查询表是一个索引,用于存储这些值,这些值主要基于 RGB 色彩空间,通常用于监视器演示。

针对特定用途选择合适的颜色查询表取决于用户自己的判断和需求。但是,经验表明,某些颜色查询表对于特定应用特别有用。例如CLUT"Green"通常用于记录标有Alexa 488的标本, FITC 或其他类似的荧光染料,它们在绿色光谱范围内发光。另一方面,CLUT"Red" 是 used for samples stained with TRITC, Texas 红, Cy3, or other similar fluorescent dyes, 发射 ting light within the red spectral range.

"CMYK"是一种特殊的颜色查询表,用于处理 CMY K 色彩空间,一般用于打印机系统的彩色输出。

色彩空间(RGB,CMY,CMYK)

在每个成像系统(即监视器,打印输出)中,任何颜色描述都是基于单个基本颜色的组合。成像方法通过加色和减色混合来区分。例如,在黑色监视器屏幕上,必须 发射 某种类型的光以产生给定的颜色。在这种情况下,光的类型基于 r ed, g 保留或 b e( RGB )。

如果所有三种颜色都亮起,则创建白色。如果关闭所有三种颜色,则会创建黑色。人眼以及数码相机和监视器都适用于RGB模型。

另一方面,打印机使用减色混色,因为在像纸这样的材料表面上,必须从白色基材(纸)反射光。结果,打印机需要计算必须添加哪种墨水才能与白色基材一起产生给定的颜色。在这种情况下, cm agenta和 y 埃洛( CMY )–红色,绿色和蓝色的互补色–是光谱中所有其他颜色的基础。在此模型中,所有三种颜色的添加会导致黑色,而所有三种颜色的缺失会导致白色。

注意:实际上,黑色是作为单独的墨水打印的,以避免在彼此之间使用太多颜色,并获得更鲜艳的黑色印象。因此,颜色空间也称为 CMY K ,其中K代表键盘,这是一种特殊的黑色打印设备。

Contrast

图像的对比度取决于所描绘对象与背景之间颜色和强度的差异。用数学公式表示,对比 (C)可描述为比率 %) of 在 tensities (I).

如图所示,样本强度和背景强度之间的差异越显着,对比度将越好。

关于显微镜,为了产生对比,样本必须与光相互作用,例如通过吸收,反射,衍射或荧光。

Deconvolution

去卷积 是一种通过应用数学算法将散焦信息重新分配到显微图像中原始信息的技术。通过这样做,用户可以获得特定焦点级别的更清晰的图片以及他们感兴趣的结构的更逼真的3D印象。

Dwell Time

在共聚焦显微镜中,允许激光束在给定时间内扫描特定区域(在等效图像的​​像素尺寸内)。此时间称为驻留时间。可能的是,延长的保压时间会导致照片漂白并给样品造成压力。

Dynamic Range

动态范围 显微镜相机的信号给出了最低和最高强度信号 传感器 可以同时录制。对于低动态范围传感器,大信号会使传感器饱和,而微弱的信号则会在传感器噪声中丢失。大的动态范围对于荧光成像尤其重要。

Exposure Time

数码相机的曝光时间决定了相机芯片暴露于来自样本的光的持续时间。对于大多数成像应用,此时间取决于光强度,通常在几毫秒到几秒之间。

Gain

数码相机将光子数据转换为数字数据。在此过程中,来自传感器的电子流过前置放大器。 获得 是图像传感器对信号施加的放大倍数。应该注意的是,不仅信号,而且 噪声 被提升。

Gamma (Correction)

人眼对光的感知是非线性的。我们的眼睛不会察觉到两个光子的亮度是一个光子的两倍。我们只会认识到它们比一个要亮。与人眼相反,数码相机的光感 线性的。两个光子产生的信号量是一个的两倍。伽马可视为人眼与数码相机之间的联系。

这可以用以下术语表示,其中V 是输出(检测到的)亮度值和V 是输入(实际)亮度值:

V = V 伽玛

通过更改伽玛(进行伽玛校正),可以使在线性记录相机的帮助下拍摄的数字图像适应人眼的非线性感知。大多数相机芯片均可完成此校正。此外,数字成像软件通常具有自己的伽马校正选项。

Intensity

强度是能量分类。在光学领域,术语辐射强度用于描述对象在每个时间和面积上发出的光能的数量。

Noise

噪声是所有测量固有的不良特性。对于科学图像,这是一个主要问题,因为它会影响您量化感兴趣信号的能力。成像时要考虑的最重要参数是 信噪比 这是图片中的噪声与您要收集的信号量之比。噪声可分为几类:

光学噪音:不必要的光学信号通常是由高背景染色引起的,从而导致样品制备不佳或样品自身荧光较高。

暗噪声: 电子在传感器中的热迁移与积分的长度成正比。可以通过冷却成像传感器或减少曝光时间来克服暗噪声。

读取噪音: 从相机传感器读出电荷时引入信号的电噪声源。可以通过减慢传感器的读出速率来降低读取噪声,从而降低最大可达到的帧速率,或者切换到更高级的帧速率。 传感器类型,即EMCCD和sCMOS传感器。

光子散粒噪声: 由光子撞击传感器的随机特性引起的任何光信号中固有的噪声。这仅在非常弱的照明应用中需要考虑。收集更多的信号可减少图像中散粒噪声的影响。

改善信噪比的最简单方法是通过集成更长或更长时间的照明强度来收集更多信号。这些方法并不总是可行的,此时要求使用低噪点相机。

Nyquist 的 orem

显微镜成像意味着从样品信号到数字图像的采样过程。奈奎斯特定理描述了采样过程的重要规则。

原则上,再现精度随着采样频率的提高而提高。

奈奎斯特定理 描述了采样频率必须大于输入信号带宽的两倍才能从采样数据中重建原始输入。对于数码相机,这主要体现在像素大小上。为了获得最佳结果,像素应始终比要解析的最小结构小三倍,换句话说,最小为3 每个可分辨单元的像素是优选的。

Pixel

相机中的像素是其传感器的基本感光单元。这适用于所有二维数组 感应器 包含 CCD ,EMCD, CMOS 和sCMOS显微镜相机。传感器上的像素数是经常引用的单位,即5百万像素的摄像头具有5,000,000像素。的 像素数 像素分辨率经常会与传感器的分辨率混淆,因为在不同的传感器类型上单个像素的大小可能会发生很大变化。

量子效率(QE)

传感器的量子效率可以指示其灵敏度。量子效率描述了在给定波长下撞击传感器的光子百分比,该百分比将转换为电子。传感器的QE曲线在不同的波长处变化。

RGB /灰度直方图

图像的每个像素都有一定的灰度值。灰度值的范围从纯黑色(0)到纯白色(8位色深为255,12位色深为4095等)。

直方图显示感兴趣区域(ROI)区域内灰度值的分布,即,为每个灰度值确定像素数,结果显示为曲线。

借助直方图,可以优化各种设置,例如相机曝光时间。灰度值(x轴)的平滑分布表明可以最佳利用相机的动态范围。

线轮廓

该工具可以测量灰度值 线性的 感兴趣的区域(ROI),将它们图形化显示为曲线,并对其进行统计处理。

堆栈配置文件

该工具的措施 意思 灰度值使用 感兴趣的区域(ROI),将它们图形化显示为曲线,并对其进行统计处理。

Saturation

数码相机的基本工作原理意味着,撞击光电二极管的光子会感应电子,这些电子被收集,移动并最终转换为数字信号。关于电子的传输,存在两个瓶颈(在一个 CCD 相机):

  • 单个光电二极管的充电容量(全井能力)
  • 相机芯片的最大电荷转移容量

如果超过了任一个,则附加信息将无法由相机处理,从而导致在数字图像中出现伪像(例如,起霜)。

注意: 查找表 发光(O&U) 在 the LAS X软件可以帮助控制饱和度。

显微镜摄像机的传感器类型(CCD,EMCCD,CMOS,sCMOS)

CCD 显微镜相机: 基于显微镜的相机 C ged C up D 服务( CCD 传感器主要用于明场和基本的荧光成像技术中。像其他任何数码相机传感器一样,其单个像素在受到光照射后会产生电荷,最终将电荷转换为数字信号。相比 CMOS 类型的传感器,在一个传感器中仅使用一个输出节点进行数据收集 CCD 传感器。

电磁兼容 显微镜相机: 简而言之,EMCCD(E 电子琴 M 终极的 C ged C up Device)传感器是一个 CCD 传感器加上特殊的 电磁 增益寄存器,它位于传感器和读出电子设备之间。该寄存器放大信号。此外,EMCCD传感器可以用典型峰值进行减薄 量子效率 超过90%。尤其是在极弱光的应用中,得益于使用EMCCD摄像机。

CMOS 显微镜相机:C辅助的 MO 希德 S基于半导体 CMOS 相机最初用于手机和低端相机。由于技术进步, CMOS 显微镜相机成为标准明场显微镜的主要成像设备。与CCD相比, CMOS 相机具有像素内电子功能。他们的读取原理具有数千个读取节点,因此节省了时间 CCD 传感器仅使用一个读数节点。

s CMOS 显微镜相机: 科学的 CMOS 相机(或sCMOS相机)从 CMOS 显微镜相机。这种类型的传感器特别适合科学要求,没有常见的缺点,例如高噪声水平和均匀性差, CMOS 传感器可能会遭受痛苦。它们的快速帧速率,高动态范围和低噪声完美支持高端荧光成像应用。

信噪比

信噪比(SNR)衡量图像的整体质量。 信噪比 越高,图像越好。信号是指传感器收集的,由感兴趣的对象产生并转换为电信号的光子数,而此处的噪声是指光子撞击传感器的随机性。检测到的光子数量的这种波动称为“光子散粒噪声”。其他噪声影响包括检测器的暗电流噪声,来自AD转换器的读取噪声,样本背景,室内照明等。