e-mikroskopy.pl

Leksykon mikroskopii optycznej

05.01.2016 20:30

Leksykon mikroskopowy

 

"Leksykon mikroskopii optycznej" w przystępny sposób wyjaśnia znaczenie specjalistycznych pojęć z obszaru mikroskopii i optyki. Zawarta tu wiedza pozwoli na łatwe, szybkie i świadome poruszanie się po naszym katalogu mikroskopów.

Jeżeli będziesz miał wątpliwości który z naszych mikroskopów wybrać, po prostu napisz lub zadzwoń. Chętnie doradzimy.

 

 

  

 

 

Spis treści


 

Mikroskopia optyczna

Kamery cyfrowe i fotografia 

 Oprogramowanie i analiza obrazu

  Skróty i oznaczenia

 

 

Mikroskopia optyczna


 

Mikroskop optyczny

Mikroskop optyczny to urządzenie służące do obserwacji małych obiektów niewidocznych nieuzbrojonym okiem, bądź struktur przygotowanych wcześniej preparatów. 

 

Budowa mikroskopu

Mikroskop zbudowany jest, w najprostszym ujęciu, z następujących elementów: okular, nasadka okularowa z tubusami, uchwyt rewolwerowy, obiektywy, stolik przedmiotowy, kondensor, układ oświetlenia, podstawa mikroskopu, śruby zgrubnej i dokładnej regulacji ostrości.

 

Podział mikroskopów optycznych

 

Okular

Okulary to soczewka, bądź częściej zespół soczewek w tubusie mikroskopu służących do zbierania i powiększania projekcji obrazu realizowanego przez obiektyw. Okulary zbierają obraz rzeczywisty z obiektywu tworząc obraz pozorny. Najczęściej stosowane są okulary o powiększeniu 10x. Parametry związane z okularami to: powiększenie, numer pola widzenia, regulacja dioptrii. 

  

Obiektyw

Zespół soczewek tworzący odwrócony, rzeczywisty obraz obiektu, struktury, oglądany przez okular lub rzutowany na ekran, kliszę fotograficzną, matrycę półprzewodnikową, katodę elektronowo-optyczną itp. Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się obiektywy : dające obrazy powiększone lub pomniejszone.

 

Parametry charakteryzujące obiektywy

Powiększenie, klasa obiektywu, apertura numeryczna, odległość robocza, realizowana technika obserwacji.
(więcej na ten temat znajdziesz w oddzielnym artykule: Parametry obiektywów mikroskopowych)

 

Klasa obiektywów

Achromatyczne, planachromatyczne, semi-planapochromatyczne, apochromatyczne.

 

Techniki obserwacji

Pole jasne (BF), pole ciemne (DF), kontrast fazowy (PHC), kontrast Hofmanna, kontrast reliefowy (RC), prosta polaryzacja, kontrast interferencyjny Nomarskiego (DIC), techniki fluorescencyjne - epifluorescencja.

 

Jasne pole

Jest podstawową techniką obserwacji w mikroskopii optycznej. Polega na oświetleniu preparatu wiązką światła uformowaną przez kondensor i różnicy pochłaniania (odbijania) przez elementy preparatu światła oświetlającego. Często, gdy elementy preparatu nie są zbyt kontrastowe, wykorzystuje się technikę barwienia, bądź trawienia preparatów tzn. różnicę w przyjmowaniu barwników przez różne elementy preparatu.

 

Ciemne pole

Często wykorzystywana technika - polega na oświetleniu bocznym preparatu, uzyskanym poprzez specjalnej konstrukcji kondensor, bądź układ optyczny formujący wiązkę światła niemalże równolegle do powierzchni preparatu (wiązka światła rozproszonego). Stąd od wypukłych elementów preparatu (bądź wklęsłych mocno odbijających światło - lustrzanych) odbija się szczątkowe oświetlenie wiązki wychodzącej z kondensora, a do obserwatora dociera obraz jasnych elementów na ciemnym tle. Technikę obserwacji w ciemnym polu stosuje się do preparatów dla których barwienie jest niepożądane, bądź z jakichś powodów niemożliwe. Tecnika pola ciemnego pozwala ponadto na uzyskanie obrazu o lepszej szczegółowości.

 

Kontrast fazowy i reliefowy

Polega na zastosowaniu specjalnie dopasowanych przesłon szczelinowych. Wykorzystuje się w tym przypadku wzmocnienie różnic amplitud przechodzących (odbitych) wiązek światła.

Technikę kontrastu fazowego wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie poszczególne elementy preparatu nie różnią się właściwościami absorbcyjnymi, a tylko współczynnikiem załamania światła bądź, grubością.   Ma to miejsce dla preparatów obserwowanych w polu jasnym jako przeźroczyste, a w kontraście fazowym  uwidaczniającym zarysy.  Stosowany również dla preparatów przeżyciowych, gdy barwienie jest niewskazane, bądź niemożliwe, na przykład do obserwacji hodowli komórkowej, czy też osadów w moczu. Kontrast reliefowy, podobny w działaniu do kontrastu fazowego, będący rozwinięciem tej metody, służy do quasi-przestrzennej wizualizacji elementów hodowli komórkowych w naczyniach plastikowych.

 

Prosta polaryzacja

Polaryzacja fali elektromagnetycznej to uporządkowanie kierunków drgań poprzecznych zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych. Inaczej i najprościej ujmując, to wygaszenie wszystkich innych kierunków drgań rozchodzącej się fali światła oprócz jednego kierunku, któremu polaryzator umożliwia (pozwla) przejść przez tenże polaryzator. Polaryzację (polaryzator i anlizator), jako technikę obserwacji w mikroskopii optycznej stosujemy najczęściej do obserwacji struktur krystalograficznych i ujawniania poszczególnych płaszczyzn, bądź jest przydatna do wygaszania niepożądanych refleksów podczas obserwacji, wykonywania zdjęć i analizy obrazu.

 

Kontrast Nomarskiego  - DIC - Kontrast interferencyjny

Technika polega na podziale światła spolaryzowanego przez pryzmat na dwie wiązki i wykorzystanie w ten sposób efektu oświetlenia preparatu przez wiązkę normalną oraz przesunięta (opóźnioną w czasie). Efektem zastosowania tej metody jest uzyskanie obrazu quasi-przestrzennego. W technice Nomarskiego wykorzystuje się polaryzatory oraz specjalnej konstrukcji pryzmaty Wolstona (zmodyfikowane pryzmaty Nicola). Zastosowanie wszędzie tam, gdzie wskazane jest ujawnienie morfologii powierzchni preparatu i obiektów.

 

Techniki fluorescencyjne

Fluorescencja to proces oświetlania preparatu posiadającego zdolność autofluorescencji, bądź z wykorzystaniem fluorochromów, silną wiązką światła w ograniczonym zakresie jego widma. Stosujemy oświetlenie z wykorzystaniem palnika  rtęciowego, ksenonowego, bądź coraz częściej halogenkowego. Nieodłączym elementem zestawu są filtry: wzbudzający i odcinający oraz tzw. lustro dichroiczne. Epifluorescencja polega na obserwacji wzbudzenia elektronów wynikającego z procesu tegoż oświetlenia. W laboratoriach rutynowych stosujemy np. do obserwacji prądków gruźlicy, bądź w serologii kiły. W laboratoriach badawczych np. w cytodiagnostyce. W laboratoriach metalograficznych środki fluorescencyjne po umieszczeniu na powierzchni preparatu i po procesie polerowania, mogą ujawnić np. mikropęknięcia.

 

Powiększenie mikroskopu

Powiększenie mikroskopu realizowane jest poprzez obiektyw, który realizuje w tubusie mikroskopu obraz rzeczywisty, który jest powiększony następnie przez okular dający obraz pozorny. Powstały dzięki takiemu układowi obraz  jest wynikiem, który obserwujemy.

Powiększenie, które uzyskujemy w układzie obiektyw – okular możemy w najprostszy sposób wyliczyć z wzoru:

M = Mob x Moc

gdzie :

M     -      powiększenie mikroskopu (magnification)
Mob.  -     powiększenie obiektywu
Moc   -      powiększenie okularu

 

Powiększenie użyteczne mikroskopu

Wartość ta mówi nam o powiększeniu nie przekraczającym i wynikającym z możliwiości rozdzielczej zastosowanej w danej chwili optyki.

 

Powiększenie całkowite na ekranie monitora

Zobacz tutaj

 

Powiększenie puste (liniowe)

Powiększenie puste to powiększenie obrazu większe od możliwości rozdzielczości optyki.
Obraz w taki sposób powiększony nie wnosi nowych informacji ( szczegółów wynikających z rozdzielczości ), a jest tylko zwyczajnie większy.

 

Apertura numeryczna

Apertura numeryczna (NA – numerical aperture) związana jest z realizacją rozdzielczości. 
Jest to podwójny kąt wyznaczany osią optyczną i opisije się ją wzorem:

NA = n sinθ

gdzie:
n - współczynnik załamania światła w danym ośrodku, medium (powietrze, olejek immersyjny),
θ - połowa maksymalnego kąta, pod którym światło może padać z punktu na przyrząd bez wewnętrznego odbicia.

Czym większa wartość NA, tym większa realizowana rozdzielczość. Większa rozdzielczość wiąże się jednak z mniejszą odległością roboczą oraz mniejszą głębią ostrości.

 

Rozdzielczość optyczna

Rozdzielczość optyczna zależy głównie od zastosowanych obiektywów i posiada ograniczenia związane z prawami fizyki. 
Ograniczeniem jest zakres długości fal światła widzialnego przez człowieka a nie możliwości konstrukcyjnych mikroskopu.

Rozdzielczość optyczna: 

1/d = λ / 2*NA

Zależność  rozdzielczości optycznej od długości fal światła widzialnego wyraża się wzorem :

1/d = λ / 2*n*sinα 

gdzie :

d    -    najmniejsza odległość między dwoma punktami możliwa do ujrzenia w mikroskopie,
α    -     kąt aperturowy obiektywu,
n    -    współczynnik załamania światła w danym medium,
λ    -      długość fali świetlnej.

Po wstawieniu wartości otrzymamy w zależności od wykorzystanej techniki obserwacji rozdzielczość mikroskopu optycznego 0,4-0,5 μm.
Niektóre techniki (mikroskopia konfoklana) pozwalają na uzyskanie rozdzielczości do 120 nm.

 

Odległość robocza

Odległość robocza WD ( working distance ) obiektywu to dystans pomiędzy czołem obiektywu i powierzchnią obserwowanego preparatu. Zależna jest od apertury numerycznej i rozdzielczości. Duże apertury numeryczne NA determinują zazwyczaj małe odległości robocze. Obiektywy o dużych odległościach roboczych warto stosować w sytuacjach agresywnych substancji związanych np. z wybarwianiem, czy trawieniem preparatów oraz gdy chcemy dokonywać manipulacji na samej próbce.

 

System oświetlenia

Obecnie stosuje się dwa systemy :

  • krytyczny
    oświetlenie najprostsze stosowane w modelach edukacyjnych i rutynowych. Charakteryzuje się umieszczeniem źródła światła najczęściej
    bezpośrednio pod kondensorem i zastosowaniu jednej, lub dwóch soczewek. Często stosuje się jedną tylko przesłonę aperturową w kondensorze.
     
  • system oświetlenia Koehlera
    stosowany w modelach rutynowych i badawczych,  to rozwiązanie charakteryzuje się wyprowadzeniem żarówki halogenowej poza ramę mikroskopu oraz możliwości centrowania układu z wykorzystaniem przesłon; polowej i aperturowej.

Rezultatem oświetlenia Kohlera jest precyzyjny, równomierny rozkład wiązki światła oświetlającej preparat oraz nie nagrzewanie preparatu. Istnieją także mieszane systemy oświetlenia.

 

 

Kamery cyfrowe i fotografia


 

Kamera cyfrowa

Kamery mikroskopowe cyfrowe oparte są na matrycach CCD (z ang. Charge-Coupled Device – układ ze sprzężeniem ładunkowym), bądź CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Zasadnicza różnica przetwornika CMOS do CCD, to posiadanie przez każdy element światłoczuły w matrycy CMOS własnego przetwornika ładunku. Sensor optyczny w obydwu typach złożony jest z elementów kryształu krzemu. Rejestruje on natężenie światła, a właściwie ilość padających na niego fotonów.

Specjalny układ odczytuje wartości natężenia prądu wyzwalanego w poszczególnych elementach CCD, czy CMOS i dokonuje ich wzmocnienia. W tej postaci, ciągle analogowej są poddane konwersji do postaci cyfrowej. W ten sposób uzyskiwana jest informacja o jasności danego obrazu. Barwa każdego z punktów obrazu ustalana jest na podstawie analizy podstawowych kolorów składowych: czerwonego, zielonego i niebieskiego ( RGB ). Każdemu z nich przypisany zostaje jeden z kolorów składowych, a rezultat końcowy uzyskuje się dzięki interpolacji odczytu sąsiadujących ze sobą detektorów.

Istotne różnice pomiędzy matrycami CCD oraz CMOS to najogólniej ujmując:
CMOS oferuje zazwyczaj większą szybkość ( odświeżanie ) i niski pobór mocy.
CCD oferuje zazwyczaj większą czułość, większa dynamikę, mniejsze zakłócenia.

 

Rozdzelczość kamery

Rozdzielczość kamery wyrażana jest sumaryczną liczbą wszystkich elementów światłoczułych zastosowanego przetwornika np. 1,3 MPix, 3,2 MPix, 5 MPix, bądź liczbą linii poziomych i pionowych elementów światłoczułych ułożonych w przetworniku np.  1280x1024, 2048x1532, 2592x1944 i wyrażana jest w pikselach, najczęściej z przedrostkiem „mega”. Rozdzielczość kamery jest najczęściej podawanym parametrem, aczkolwiek z punktu widzenia zastosowań w mikroskopii optycznej nie zawsze najważniejszym.

 

Rozdzielczość przetwornika

Rozdzielczość przetwornika określa dyskretną wartość jakie może on wytworzyć i wyraża się ją w bitach. Przetwornik A/C, który przetwarza próbkę sygnału na jedną z 256 wartości liczbowych reprezentuje rozdzielczość 8 bitów (28 = 255)Rozdzielczość przetwornika równa 14 bitów, to 214 = 16384 poziomów kwantyzacji. W przypadku przetworników RGB mówimy o 3 składowych, czyli np. 3x8, 3x10, 3x12, 3x14 bitów.


Wielkość przetwornika

W kamerach spotykamy różne wielkości przetworników np.: 1/3"; 1/1,8"; 1/2";  2/3" i inne.
To od wielkości przetwornika i jego rozdzielczości zależy wielkość pojedynczego piksela, a ta wartość w dużej mierze determinuje czułość urządzenia i stosunek jakości sygnału do szumu


Wielkość piksela

Wielkość pojedynczego elementu światłoczułego w przetworniku wyrażana w mikrometrach np.: 2,2 x 2,2  µm, 3,45 x 3,35 µm.
Zazwyczaj czym większy jest pojedyczny element  światłoczuły (piksel), tym lepsze parametry kamery można uzyskać z zainstalowanego przetwornika, a tymsamym lepszy obraz, szybsze odświeżanie itp.

 

Czas ekspozycji

Zakres czasu ekspozycji to przedział, w którym kamera potrafi zbierać obraz, inaczej to czas otwarcia migawki, w którym detektor rejestruje padające na nie światło. Zamiennie możemy określić  jako czas naświetlania. Czas ekspozycji zależy od natężenia oświetlenia, czułości detektora, wartości tonalnej i barwy fotografowanego preparatu.


Odświeżanie

Odświeżanie obrazu to parametr mówiący o ilości wyświetlanych obrazów (klatek) na sekundę ( fps. frames per second ). Zależy od czułości przetwornika i ilości padającego na nie światła. W mikroskopii optycznej przyjmuje się optymalną wartość odświeżania od kilku do ok. 50 fps.


Binning

Binning to w najprostszym ujęciu łączenie obrazów (informacji) z sąsiadujących elementów przetwornika kamery w jeden piksel. Binning może  przybierać różne wartości: 1x2, 2x2, 3x3, 4x4 itd. Mechanizm ten stosuje się w celu zwielokrotnienia szybkości odświeżania i czułości, gdy nie zawsze jest możliwe ich uzyskanie na wystarczającym poziomie, bądź ważniejsze jest uzyskanie informacji o występowaniu nawet słabego sygnału, niż sama rozdzielczość obrazu.


Mocowanie C-mount

Rodzaj mocowania, znormalizowane parametry gwintu dla kamery i adapterów do mikroskopu. Jest to standard powszechny i uniwersalny, chociaż sptkać mnożna także inne. Oprócz parametru C-monunt przy doborze i mechanicznym połączeniu kamery do mikroskopu należy pamiętać o specyficznym złączu samego adaptera do mikroskopu i odległości fokalnej.

 

PC-interface

Jest to rodzaj połączenia kamery z urządzeniem elektonicznym odbierającym sygnał z kamery. Połączenie może być analogowe, które wymaga dodatkowego dedykowanego przetwornika, montowanego w komputerze, bądź cyfrowe - obecnie najbardziej popularne. Do urządzeń cyfrowych należą złacza typu USB ( standard USB 2.0 oraz pojawiający się już USB 3.0 ) oraz FireWire oznaczane symbolem IEEE 1394 oraz IEEE 1394b. Obecnie coraz częściej w kamerach spotykane są także złącza HDMI w wersji mini oraz łacze bezprzewodowe WiFi. Za najbardziej stabilne, do zastosowań profesjonalnych uważa się złacza FireWire.

 

Powiększenie całkowite na ekranie monitora

Potrzebne informacje to: powiększenie obiektywu, powiększenie adaptera do kamery, przekątna matrycy kamery, przekątna monitora.

Powiększenie całkowite:

Pow_c = Pow_ob * Pow_ad * (Prze_ek / Prze_mt)

 

Gdzie:

Pow_ob - powiększenie obiektywu
Pow_ad - powiększenie adaptera
Prze_ek - przekątna ekranu
Prze_mt - przekątna matrycy kamery (patrz niżej)

 

Wielkość matrycy 1/4" 1/3.2" 1/3" 1/2.5" 1/2" 1/1.8" 2/3"
Przekątna [mm] 4.00 5.68 6.00 7.18 8.00 8.93 11.0

 

Przykład:

Używamy obiektywu 40x z adapterem 0.5x, przekątna matrycy kamery wynosi 1/2" zaś wielkość ekranu 14".
Zgodnie z tabelą, dla matrycy 1/2" przekątna wynosi 8.00mm. Przy okazji pamiętamy, by przekątną ekranu przeliczyć z cali (") na mm.

Powiększenie całkowite =  40 * 0.5 * ((14" * 25.4) / 8)) = 20 * (355.6 / 8) = 20 * 44.45 = 889

Powiększenie całkowite = 889x

 

 

Oprogramowanie i analiza obrazu


 

Oprogramowanie do mikroskopów

Oprogramowanie integrujące mikroskop optyczny, kamerę cyfrową i komputer zaprzęgając te urządzenia do akwizycji i archiwizacji obrazów, umożliwiając często proste pomiary morfometryczne zawartych w nich elementów, a także prowadzenie zaawansowanej analizy. W systemach zmotoryzowanych pozwala sterować podzespołami mikroskopu z poziomu oprogramowania.

 

Akwizycja obrazu

Akwizycja obrazu to przetwarzanie obrazów optycznych na sygnał elektroniczny w celu jego odwzorowania przy pomocy komputera na monitorze LCD. Obraz z mikroskopu pozyskiwany jest kamerą, obecnie najczęściej z sygnałem cyfrowym i przetwarzany za pomocą stosownego oprogramowania.


Archiwizacja obrazu

Archiwizacja obrazu to jego zapis na nośniku tu: elektronicznym. Zapis może być wykonany w formie nieskompresowanej, bądź skompresowanej. Do celów dalszej analizy obrazu zaleca się zapis w formie nieskompresowanej w jednym z popularnych formatów .bmp, bądź .tiff.


Pomiary morfometryczne

Pomiary morfometryczne to czynności mające na celu wyznaczenie parametrów mierzalnych takich jak: długość, średnica, obwód, powierzchnia, kąt i inne. Na obrazie pozyskanym z mikroskopu można je wykonać po przeprowadzeniu kalibracji układu z wykorzystaniem mikrometru stolikowego.


Analiza obrazu

Analiza obrazu mikroskopowego to wyodrębnienie cech lub elementów oraz ustalenie związków zachodzących między nimi, klasyfikując je w grupy w formie numerycznej, lub symbolicznej. W analizie obrazu możemy wyodrębnić następujące etapy: pozyskiwanie obrazu, przetwarzanie, segmentacja, identyfikacja i analiza, klasyfikacja, interpretacja.


Progowanie

Algorytm (narzędzie, filtr) pozwalający w sposób płynny (tu: w zależności od rozdzielczości bitowej) na przekształcania, bądź wskazania/oznaczenia aktywną warstwą określonych interesujących nas elementów pozyskanego z mikroskopu obrazu. Elementy obrazu różnić się mogą kolorem (np. skala: RGB), bądź poziomem bieli/czerni w obrazach monochromatyznych w odniesieniu do tła.

Za pomocą progowania, czyli określania progów zakresu, możemy wyznaczać udział procentowy wskazanych elementów w odniesieniu do całej powierzchni obrazu, bądź w programach bardziej zaawansowanych w obszarze zainteresowania ROI, a także sklasyfikować według interesujących nas parametrów. 

 

Obrazowanie i pomiary 2D, 3D i 4D

Pojęcie 2D, 3D, 4D to obrazowanie, wykonywanie pomiarów i analiza odpowiednio:

  • 2D - w płaszczyźnie X-Y,
  • 3D - w płaszczyśnie X-Y oraz osi Z,
  • 4D - w płaszczyźnie X-Y, osi Z oraz w zależnosci od analizy w funkcji zmiany czasu t, bądź np. temperatury T. 




Skróty i oznaczenia




ACH optyka achromatyczna
AN analizator w zestawie do polaryzacji
ASC achromat super contrast 
nowy rodzaj optyki achromatycznej
AS aperture stop
przesłona aperturowa
APO optyka apochromatyczna
BF bright field 
pole jasne
BD bright field, dark field 
układ do pracy w polu jasnym i ciemnym
CCIS

Color Corrected Infinity Optical System
system optyki korygowanej do nieskończoności (nazwa własna)

DF dark field 
pole ciemne
DIA  oznaczenie w stosunku do oświetlenia transmisyjnego (przechodzącego)
DIC difference interference contrast  
kontrast interferencyjny (Nomarskiego)
EPI oznaczenie w stosunku do fluorescencji pracującej odbiciowo
FL fluorite 
optyka ze szkła fluorytowego
FN field number 
numer pola, oznaczenie średnicy pola widzenia w okularach
FS field stop 
przyslona polowa
HAL oświetlenie halogenowe. Zarówki halogenowe
IR infra red 
do zastosowań w podczerwieni
L long work distance 
o dużej odległości roboczej (dot. obiektywów, kondensorów)
LB light blue - filtr niebieski
LED oświetlenie diodowe
LBD light balance daily light
filtr światła dziennego (odmiana niebieskiego
M material 
oznaczenie stosowane często dla urzadzeń do nauk technicznych
N.A. numerical aperture 
apertura numeryczna
ND neutral density 
przyciemnienie neutralne (filtr światła)
O, oil na obiektywach oznacza obiektyw imersyjny
P, POL polaryzation
polaryzacja, polaryzator
PH, PHC phase contrast 
kontrast fazowy
PL optyka planachromatyczna
R reflected 
światło odbite
RC relief contrast 
kontrast reliefowy.
UIS Uniwersal Infinity System 
system optyki korygowanej do nieskończonosci (nazwa własna)
UV ultra violet 
do zastosowań w UV (ultrafiloecie)
transmited 
światło przechodzące
TRF transmited & reflected frame 
rama do prowadzenia obserwacji w świetle przechodzącym i odbitym
W.D. working distance 
odległość robocza
optyka korygowana do nieskończoności

 



Opublikowane w: ▒ Poradnik mikroskopowy
Autor:

Krzysztof Józwa, reededycja Jan Iwanicki

Wybrani producenci