专家指南:如何选择显微镜上的相机[选购宝典]

【字体: 时间:2019年03月06日 来源:生物通

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  目前市场上有许许多多的显微镜可供选择,单就相机而言,它们的各种复杂参数就让人云里雾里。如何选择一款最适合的相机,也许你该听听专家的意见。

成像技术的进步,以及配套工具的发展,正为我们呈现出一个五彩斑斓的生物学世界。如今,我们可以观察细胞网络,窥探细胞内部,并实时观察各种生物学过程。这一切,都离不开显微镜。

显微镜相机捕获了一个不为人知的微观世界,让我们对大自然的复杂精巧赞叹不已。目前市场上有许许多多的显微镜可供选择,单就相机而言,它们的各种复杂参数就让人云里雾里。如何选择一款最适合的相机,也许你该听听专家的意见。

CCD vs. CMOS

Olympus的高级产品和战略规划师Takeo Ogama认为:“第一个关键点是选择合适的光学组件,能够捕捉各种现象,然后是选择与之匹配的相机。如果物镜的光学分辨率低于你要观察的结构,那么任何相机都帮不上忙。”

通常人们会根据传感器的类型来选择相机。CMOS(互补金属氧化物半导体)和CCD(电荷耦合器件)是两种最常见的传感器。这两种传感器的光电转换原理相同,但是信号的读出过程不同。考虑到灵敏度、噪声和暗电流噪声等,人们总认为CCD会逐渐取代CMOS,而CMOS也被认为是一种经济的替代品。

不过,经过多年的发展,CMOS传感器似乎开始“咸鱼翻身”。据Andor公司显微镜产品专家Alan Mullan介绍,自2010年左右推出科学级CMOS(sCMOS)传感器以来,行间传输CCD传感器已不再那么受欢迎。他认为,sCMOS正取代CCD成为显微镜中的“全能王”。

Ogama也持有类似的观点。“目前,在高端显微镜中,sCMOS已成为最常用的解决方案。sCMOS的唯一缺点是缺乏长时间曝光的能力,因为它会对图像造成太大的噪声,”他说。CCD相机仍然是长时间曝光的首选。此外还有适用于最低光照条件的EMCCD(电子倍增CCD)。Ogama认为,EMCCD非常灵敏,可用来捕捉快速的生物现象。

如何选择相机?

根据传感器类型来选择相机是一种办法,但不是唯一的办法。Thorlabs Scientific Imaging公司的首席技术专家Ash Prabala认为,量子效率(QE)和读取噪声(Nr)是决定相机灵敏度的两个关键变量。因此,在选购时需要考虑信噪比(SNR)。

据Prabala介绍,在极低的光照条件(小于10个光子/像素)下,EMCCD提供最高的信噪比。随着光照水平的增加,sCMOS相机也是不错的选择,比如Thorlabs的Kiralux Compact科学级CMOS相机。

Mullan认为:“相机列出了许多参数,而你很难确定哪些参数真正重要,以及它们对图像质量到底有没有影响。此外,一些关键的参数可能无法同时达到。”例如,调整读取噪声可能会影响速度。他认为最重要的三个参数是:灵敏度、分辨率和速度。

同时,你还要研究一下动态范围、快门模式以及附带的软件包。如果你感到有点不知所措,不用慌。现在的资源很多很多。一个简单的办法是登陆公司的网站,比如Olympus的Camera Finder页面。通常,你可以对多个产品进行比较。

另外,所有专家都提醒,如果没有用你自己的样品做过演示,千万不要买。这是确定哪款相机满足您需求的唯一方法。Ogama总是强调取舍,正所谓有得也有失。如果你现在无法确定相机的主要用途,那么可以选择全能型的sCMOS。

事实上,sCMOS总是被专家反复推荐。Mullan表示,无论是明场还是荧光成像,无论是单一还是混合成像,sCMOS也许都是最佳选择,比如Andor的Zyla 4.2 PLUS。对于单纯的荧光成像,他建议考虑Andor的超灵敏Sona背照式相机,以获得更高的灵敏度和更大的视野。

对于普通成像,Ogama推荐使用DP74冷却型CMOS相机。对于那些不需要荧光的客户,Olympus最畅销的型号是UC90 4K USB3.0相机和DP27 500万像素USB3.0相机。

Ogama的终极建议是:任何高端相机都无法检测到低端显微镜所丢失的信息。从另一方面来说,若使用低端相机,那么搭配顶级物镜也没有意义。“平衡,这就是显微镜专家为帮助客户找到最佳解决方案而做的事情。”

五个考虑因素

  1. sCMOS相机是如今的“全能型”相机。若需要在不同光照水平下使用显微镜,可考虑这个选项。记住,在极低光照条件下,EMCCD相机可能更适合。CCD相机仍然分为许多种,具体取决于您的参数。
  2. 对显微镜的相机而言,相机灵敏度可能是最重要的参数。共聚焦或光场显微镜等技术本身就是低光度,因此必须使用灵敏的相机。换句话说,明视场显微镜不需要同样的灵敏度。
  3. 灵敏度取决于信噪比(SNR),当然越高越好。为了获得最佳的信噪比,相机的量子效率(QE)要高,而读取噪声(Nr)要低。噪声取决于所需的曝光类型。
  4. 分辨率指的是相机可捕捉的细节量,取决于像素大小和视野。在较低的放大倍数下,较小的像素可提供较高的空间分辨率。不过,与较大的像素(如EMCCD相机)相比,信噪比会更低。关键是确定一种像素大小,既能提供足够的分辨率,又能提供良好的信噪比。
  5. 速度应当取决于捕获的现象。例如,钙成像就需要尽可能快的帧速率。相机必须足够灵敏,才能快速曝光。当速度是关键考虑因素时,sCMOS或EMCCD相机也许是合适的选择。

 

(作者:Lauren Tanabe / 生物通编译)

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