显微成像分析仪

一、前沿2009年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖的一半授予美国科学家威拉德• 博伊尔和乔治• 史密斯，因为他们于1969年发明了半导体集成电路成像技术,CCD感应器。经过四十年的发展，CCD技术由实验室逐步走向了市场，具有越来越广阔的应用。CCD数码成像对摄影产生了革命性的影响。在感光胶片之外，人们可以通过电子电路捕捉图像，这些以数字形式存在的图像更加易于处理和分发。数字图像已经成为许多研究领域中不可替代的重要工具。数码成像技术应用到显微镜上，以替代以往的胶卷拍摄，现在已经广泛应用了。以前我们用胶卷来进行显微拍摄，要等一卷拍完，冲洗出来才能确定拍摄的图像是否清晰，如果拍摄的图像不理想，而显微观察的样品又失效了，就需要重新制作样品，给研究工作带来很大的不便，而现在使用显微数码相机来拍摄显微图像，所见即所得，当时就是保存处理，甚至统计分析，极大的提高了工作效率。二、显微数码成像系统的组成显微数码成像系统包括CCD/CMOS专业相机，图像采集处理软件，显微镜接口，数据传输线等，其中最核心的设备是CCD和CMOS图像传感器，前者由光电耦合器件构成，后者由金属氧化物器件构成。两者都是光电二极管结构感受入射光并转换为电信号，主要区别在于读出信号所用的方法。CCD(Charge Coupled Device ，感光耦合组件)上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。CCD的结构分三层 ，第一层“微型镜头”“ON-CHIP MICRO LENS”，这是为了有效提升CCD的总像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准面积，在每一感光二极管上(单一像素)装置微小镜片。CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。第三层：感光层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。数码成像的核心器件除CCD,现在越来越多的使用CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS和CCD一样同在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。CMOS的优势在于成本低，耗电需求少，便于制造， 可以与影像处理电路同处于一个芯片上，缺点是较容易出现杂点。三 显微镜成像系统相关参数对CCD/CMOS数码成像系统的结构和原理有了一个基本了解后，我们再对成像系统的一些基本参数作一个说明。在实际应用中，很多用户对像素多少很敏感，一上来就提到我要多少万像素的成像系统，其实在专业成像应用中，像素多少只是影响成像的一个因素，还有其他很多指标，包括分辨率，感光器件大小，动态范围,灵敏度，量子效率，信噪比等。感光器件的面积大小是衡量显微成像系统质量的一个重要指标，感光器件的面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。当前数码成像系统中较常应用的感光器件规格如下：1英寸（靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm），2/3英寸， 1/2英寸，1/3英寸，另外有时也用到1/1.8英寸,1/2.5英寸的CCD/CMOS感光器件。 像素是CCD/CMOS能分辨的最小的感光元件，显微数码成像系统的像素由低到高有：45万左右，140万左右，200万左右，300万左右，500万左右，900万像素，甚至还有更高的达到2000万像素以上。一般来说，像素越高，图像分辨率越高，成像也就越清晰，但有时候图像分辨率达到一定程度后，就不是影响成像质量的主要指标了。比如图像分辨率高，噪声也很高时，成像质量也不会很好。暗电流是导致CCD噪音的很重要的因素。暗电流指在没有曝光的情况下，在一定的时间内，CCD传感器中像素产生的电荷。我们在做荧光拍摄的时候，需要的曝光的时候比较长，这样导致CCD产生较多的暗电流，对图像的质量影响非常大。通常情况下通过降低CCD的温度来最大限度的减少暗电流对成像的影响。Peltier制冷技术一般可将CCD温度降低5-30°C，在长时间拍摄或一次曝光超过5-10秒，CCD芯片会发热，没有致冷设备的芯片，“热”或者白的像素点就会遮盖图像，图像会出向明显的雪花点。CCD结构设计、数字化的方法等都会影响噪音的产生。当然通过改善结构、优化方法，同样能减少噪音的产生。显微荧光或其他弱光的拍摄对CCD噪音的降低要求很高，应选用高分辨率数字冷却CCD成像系统，使其能够捕获到信号极其微弱的荧光样品图像，并且能够最大程度的降低噪音，减少背景，提供出色的图像清晰度。所以一般在荧光及弱光观察时需要选择制冷CCD。在显微数码成像过程中，对于荧光及弱光的拍摄，除了制冷降低热噪声外，还可使用 BINNING技术提高图像的灵敏度，BINNING像素合并是一种非常有用的功能，它可被用来提高像素的大小和灵敏度，比如摄像头像素大小为5u,当经过2x2合并后，像素大小为10u，3X3合并后，像素大小为15u, 这是图像的整体像素变少了，但成像的灵敏度可提高9倍。动态范围表示在一个图像中最亮与最暗的比值。12bit表示从最暗到最亮等分为212＝4096个级别，16bit即分为216个级别，可见bit值越高能分出的细微差别越大，一般CMOS成像系统动态范围具有8-10bit, CCD以10-12bit为主，少部分可达16bit。对动态范围进行量化需要一个运算公式，即动态范围值 = 20 log (well depth/read noise)，动态范围的值越高成像系统的性能就越好。量子效率也称像素灵敏度，指在一定的曝光量下,像素势阱中所积累的电荷数与入射到像素表面上的光子数之比。不同结构的CCD其量子效率差异很大。比如100光子中积累到像素势阱中的电荷数是50个，则量子效率为50％（100 photons = 50 electrons means 50% efficiency）。值得注意的是CCD 的量子效率与入射光的波长有关。对显微数码成像系统的参数有了整体认识后，在实际应用中选择合适型号的产品就比较容易了。高分辨率显微数码成像技术在国外已有二十来年的发展历史，产品目前已比较成熟。国外的专业数码产品有多个品牌，比较著名的有德国的ProgRes，美国Roper Scientific的系列产品，另外OLYMPUS、NIKON、LEICA、ZEISS等显微镜厂家也有一些配套的专业数码成像系统 。其中CCD成像系统主要采用SONY及KODRA公司的芯片，因此相关产品性能差别不是很大。国内专业数码成像产品的设计制造时间还不长，但随着配套技术的成熟，100万像素以上的CCD/CMOS专业数码成像产品开始陆续推出，主要的专业厂家有北京的大恒、微视、杭州欧普林，广州明美等企业。北京大恒早期主要研发生产图像采集卡，目前可以量产140万像素的CCD摄像头，130万/200万/320万/500万像素CMOS摄像头，主要用到工业领域。

显微镜(microscope)简称光镜，是一种将肉眼无法看清楚的微生物体进行光学放大成像的常用仪器。在生命科学、材料科学、基础科学及众多的微观领域中都离不开显微镜。1590年.荷兰的Han，父子始创放大10倍显微镜。175.8年，Dollond制成消色差透镜，提高了显微镜放大倍数。1873年，德国科学家Abbe设计成近代显微镜。1953年.上海江南光学仪器厂国产显微镜诞生，并陆续生产了荧光、相衬、偏光等专用显微镜。生物及医用显微镜可分为光学放大及电子放大两大类。前者按用途可分为普通型、特种型、高级型显微镜和手术显微镜。普通型生物显微镜仅供一般用途使用，通常的农用与医用显微镜、倒税显微镜均属这一类。特种型生物显微镜可作某些专用的观察和研究。暗场生物显微镜、荧光显微镜、偏光显微镜、相衬和干涉相衬显微镜等均属于这一类。高级型生物显微镜系指大型多用途的生物显微镜.研究用生物显微镜和万能研究用生物显微镜等属于这一类。一、显微镜放大成像系统显微镜光学系统由物镜和目镜两部分组成。因为被观测的物体本身不发光，而要借助于外界照明，故显微镜需要有一个照明系统，这些部分都是由较复杂的透镜组成，尤其物镜更为复杂。下图是显微镜成像的光路原理图，图中的物镜和目镜均用薄透镜表示。http://www.yi7.com/file/upload/201201/07/14-00-33-93-1.jpg显微镜成像原理显微镜的物体AB处于物镜的2倍焦距之内一倍焦距之外，它首先通过物镜成一放大的倒立实像A'B'，且使之位于目镜的物方焦平面上或焦平面以内很靠近的地方，然后目镜将这一实像再次成一个正立虚像A"B"于无限远或人眼明视距离之外，以供眼睛观察。显微镜对物体进行2次放大，因此与放大镜相比，具有更高的放大倍率，能观察到肉眼所不能直接观察的微小物体，分辨更细小的细节。在这里目镜相当于放大镜，只不过这时放大镜的物是物镜所成的像而已。由于物镜所成的像是实像.因而可在实像处(即目镜的物方焦平面处)安放各种用途分划板.供对准或测量用。二、显徽镜的放大率与分辨本领1.显微镜的分辨本领 分辨本领主要指接物镜分辨被检查物体细微结构的能力，也就是说在显微镜下判别的最小微粒的大小或两点之间最短距离及某物点最小直径的限度，便叫做显微镜的分辨本领.或称为鉴别率。通常用d表示:http://www.yi7.com/file/upload/201201/07/14-00-33-14-1.jpg式中.A表示波长;n sins (NA)表示数值孔径。 从式中可知，显微镜的分辨率主要取决于光的波长和数值孔径这两个因素。d值越小，分辨本领也就越强，越能看清物体的细微结构。鉴别率计算单位是Um. 显微镜的鉴别率的提高只有两个办法: (1)增大物镜的数值孔径(镜口率)。从图可以看出，影响数值孔径(n sina)的因素有两个:其一为物体上某点射人物镜光锥角(镜口角)的一半(sina);其二为检品与物镜间媒质的折射率n。即数值孔径为NA = n sine镜口角半数最大能到900，故si na的最大值为1.00，这时物镜的焦距最短而曲度也很大，制造上是极为困难的。即使能办到，在干燥系中的镜口率只有1 x sin90“（控气n二1)。若再增大镜口率便只有从媒质着手，所以便有水、甘油，石蜡油和香柏油等浸润均匀媒质的应用，确实改进了镜口率不少.它最高可到1.40。如果用澳萘液可达1.67左右，更接近盖片和透镜的折射率。http://www.yi7.com/file/upload/201201/07/14-00-33-51-1.jpghttp://www.yi7.com/file/upload/201201/07/14-00-33-44-1.jpg (2)缩短光源的波长:采用紫外线作光源，波长可到0.1Um，这样放大倍数比自然光放大的倍数大3-4倍，普通紫外线光波在0.2 Um左右，即使能产生出0.1 Um波长的紫外线.一般透镜也将把它吸收干净.无法利用。显微镜的最大数位孔径可达1.5 Um左右，在这种情形下: http://www.yi7.com/file/upload/201201/07/14-00-33-33-1.jpg即在这种显微镜里，仍可分辨的两点间最短距离差不多等于所用光波波长的1/30假定绿光的光波的波长http://www.yi7.com/file/upload/201201/07/14-00-33-23-1.jpg那么显微镜能分辨的最短距离为:http://www.yi7.com/file/upload/201201/07/14-00-33-89-1.jpg 则这台显微镜的最高分辨距离也超不过。.182 Um。肉眼在明视距离(250 mm)能分辨的两点之间最短距离为0.1 mm，约为上述d值的560倍.因此I台光学显徽镜的放大率有100()倍也就足够了。这是因为光的本性及光的绕射现象就限制了显徽镜的放大极限。凡是光波超过微粒直径的2倍时，光线就很方便地绕过微粒而继续前进，所以普通干燥系显微镜的最大鉴别率只能达到光源波长的1/2，直径小到0.2 5m的微粒就无法被光学显微镜发觉。虽然后来应用浸润系方法，如油镜，提高了折射率，其鉴别率也只不过能提高到光源波长的1/3而已。而且还要用最好的透镜才能达到。