Jeśli macie jakiekolwiek pytania dotyczące artykułu, gdzieś popełniłem błąd albo napisałem coś niejasno, proszę piszcie.
Dodatkowo postaram się w najbliższych dniach napisać post, opierając się całkowicie na tym artykule, o wyborze lustrzanki do mikroskopów PZO, z podstawowym wyposażeniem: obiektywy achromatyczne; kondensor K3P/K51 + okulary projekcyjne PZO.
Nieprzetłumaczony artykuł:
Kod: Zaznacz cały
krebsmicro.com/relayDSLR/relayoptics1.htmlPrzemyślenia dotyczące wyboru projekcji przekaźnika optycznego używając lustrzanki cyfrowej (oraz innych „bez obiektywowych” rejestratorów) dla mikrofotografii.
Charles Krebs
17 Lipiec , 2006
Ten artykuł został napisany w celu dostarczenia wskazówek w wyborze optyki do prawidłowego używania lustrzanek cyfrowych w celu mikrofotografii. Może być on również przydatny w przypadku innych typów kamer cyfrowych bez przymocowanego na stałe obiektywu. Chociaż wiele z tego, co zostało omówione w dzisiejszym artykule dotyczy zarówno aparatów ze stałym obiektywem oraz aparatów kompaktowych, skupia się on jednak na optycznym typie projekcji z wykorzystaniem aparatów, które umożliwiają projekcję bezpośrednio na matrycę bez przymocowanego na stałe obiektywu do ciała aparatu.
Ten artykuł nie ma on na celu być obszerną rozprawą na temat cyfrowego obrazowania w mikrofotografii. Część z was może chcieć przeczytać krótki opis powodu, dla którego napisałem ten artykuł:
Kod: Zaznacz cały
krebsmicro.com/relayDSLR/discl_purpose.html_____
[Tłumaczenie wspomnianego wcześniej powodu, dla którego powstał ten artykuł, jest do informacja dodatkowa, zupełnie niepotrzebna do zrozumienia artykułu]
Początkowo zacząłem pisać ten artykuł na papierze i w formie arkusza, aby uporządkować ten temat dla mnie samego. Paru moich znajomych uznało go za przydatny, a część z nich zasugerowała, że może przydać się innym. W żadnych wypadku nie jest to obszerna analiza tego tematu. Nie będę omawiać tutaj twierdzenia o próbkowaniu [Nyquisttheory]. Nie będę zagłębiać się w komplikacje i problemy wynikające z używania filtru Bayer’a [Bayer patternfilter], który jest powszechnie używany we współczesnych lustrzankach cyfrowych (z wyjątkiem Sigma D10), również powszechnie stosowanego w wielu kamerkach dedykowanych do mikroskopów. Nie będę się zagłębiać w możliwe zmiany rozdzielczości, w przypadku używania różnych długości fali światła monochromatycznego. Wszystkie te zagadnienia i inne, są istotne i warte dyskusji, i wszystkie mają wpływ na dziś omawiany temat. Jednak, wykraczają one poza obszar, który chciałbym tu omówić.
Mam nadzieje, że ten tekst zapełni lukę pomiędzy bezużytecznymi uproszczeniami, a pracami, które zagłębiają się w takie szczegóły, że przyprawiają wiele osób o ból głowy.
Jeśli pojawią się jakiekolwiek błędy w nomenklaturze, błędy merytoryczne lub błędy językowe, przepraszam za nie. Nie krępuj się i skontaktuj się ze mną w sprawie poprawek lub uwag. Proszę jednak pamiętaj o celu tego artykułu. Chciałbym, aby prezentowane informacje były trafne i łatwe do zrozumienia.
Charles Krebs
12 Maj. 2006
_____
Używając aparatu cyfrowego do mikrofotografii, bardzo istotne jest odpowiednie dobranie rozmiaru matrycy, wymiaru obrazu w pikselach oraz powiększenia optyki przekaźnika.
Obiektyw mikroskopu optycznego tworzy okrągły obraz obiektu, który jest tworzony „w powietrzu” i jest zlokalizowany wtorze okularów. (Zazwyczaj jest to 10mm poniżej krawędzi toru okularu). Jest on zazwyczaj określany jako obraz pośredni (można spotkać sięw niektórych artykułach z określeniem „obraz pierwotny”). Użyteczna część tego okrągłego obrazu ma średnicę około 20mm. W nowszych mikroskopach może mieć on średnicę 25mm lub większą, a w starszych mikroskopach może mieć średnicę 18 mm lub mniejszą. Naszym celem w fotografii cyfrowej jest to, aby wziąć ten obraz pośredni i z użyciem dodatkowych elementów optycznych [okularów projekcyjnych], lub bezpośrednio „umieścić” go na matrycy aparatu. Musimy się upewnić, że specyfikacja matrycy umożliwia nagrywanie detali determinowanych przez obiektyw mikroskopu, oraz zarejestruje odpowiednią część obrazu pośredniego.
Okular mikroskopu pokrywa lub “widzi” pewną część obrazu pośredniego i kieruje go do twojego oka. Do określenia wielkości tego obrazu, służy specyfikacja znana jako numer pola FN [field number (FN)], i odpowiada ona średnicy obrazu pośredniego, jaką można zobaczyć przez dany okular. Typowy zestaw okularów 10x ma FN około 20mm. Więc użytkownik mikroskopu używający okularów 10X zazwyczaj zobaczy większość użytecznego obrazu dostarczanego przez obiektywy mikroskopu. W mikrofotografii obraz pośredni jest dostarczany do powierzchni matrycy aparatu, zazwyczaj poprzez optykę pośrednią. Jeśli matryca ma średnicę 20mm, to pasuje do średnicy obrazu pośredniego. W takim wypadku powiększenie optyki pośredniej rzędu 1X byłoby właściwe. Jeśli matryca ma średnicę 9mm, jest znacznie mniejsza niż średnica obrazu pośredniego. Jeśli chcemy zarejestrować większość tego co widzimy przez okulary, obraz pośredni musi zostać pomniejszony poprzez optykę pośrednią tak aby pasował do średnicy matrycy. W innym wypadku zarejestrujemy tylko środkowy fragment tego co widzimy przez okulary. W tych przypadkach optyka pośrednia powinna mieć powiększenie o wartości mniejszej niż 1. Jeśli matryca ma średnicę większą niż 20mm, musimy wtedy zwiększyć obraz pośredni za pomocą optyki pośredniej, tak aby pasował on wielkością do matrycy. Tutaj wartość powiększenia optyki pośredniej będzie miała wartość większą niż 1. Warto tutaj podkreślić, że w praktyce raczej nie dobiera się optyki pośredniej by kamera rejestrowała „dokładnie” to co widzimy przez okulary. Zazwyczaj rejestrowany obraz jest mniejszy w stosunku do tego widocznego w okularach. Wybór zależy od użytkownika mikroskopu (wybór rozmiaru matrycy i powiększenia optyki pośredniej) tak by jak najlepiej spełniał jego indywidualne potrzeby.
Jak na razie przyjrzeliśmy się dopasowaniu obrazu pośredniego do matrycy aparatu. Następnie musimy zająć się pikselami matrycy (ich liczba, i rzeczywisty fizyczny rozmiar każdego z indywidualnych pikseli) jeśli matryca ma odpowiednio uchwycić obraz, który na niej umieścimy.
Limit rozdzielczości obiektywu jest determinowany przez jego NA – aperturę numeryczną. Dla naszych celów, limit rozdzielczości można obliczyć w następujący sposób:
r = .61 λ /NA
Gdzie r jest najmniejszą odległością między dwoma rozróżnialnymi szczegółami w obrazie, tak zwana granica rozdzielczości.
λ – jest długością fali światła
NA – jest to apertura numeryczna obiektywu.
Aby osiągnąć taką rozdzielczość, NA kondensora musi być takie samo lub większe niż NA obiektywu. Jeśli NA kondensora jest mniejsze niż NA obiektywów, wtedy „system” NA będzie średnią z NAkondensora i NA obiektywu: (NAobiektywu + NAkondensora)/2
Rzeczywisty rozmiar „najmniejszego r” który pojawia się w obrazie pośrednim może być określony poprzez pomnożenie obliczonego wymiaru obrazu pośredniego przez powiększenie obiektywu.
Następnie, rzeczywisty rozmiar limitu rozdzielczości, taki jak zmierzony w obrazie pośrednim, na powierzchni matrycy jest determinowany przez ilość o jaką obraz pośredni jest powiększany lub redukowany przez jakąkolwiek optykę pośrednią. (Jeśli korzystasz z projekcji bezpośredniej – jeśli matryca jest spozycjonowana tak, że obraz pośredni pada bezpośrednio na powierzchnię matrycy, bez interwencji optyki pośredniej – wtedy „powiększenie” wynosi 1).
Kiedy ustalimy rozmiar limitu rozdzielczości na matrycy, możemy ustalić największy fizyczny rozmiar piksela, który umożliwi nam zarejestrowanie detali. Minimalna ilość, którą musisz posiadać to przynajmniej dwa piksele które występują w najmniejszym r.
Twierdzenie Nyquista lub Twierdzenie o próbkowaniu Nyquist-Shannona pokazuje, że musisz pobierać próbkę dwukrotnie większą (lub większą) (to na pewno o to chodzilo?) od najwyższej częstotliwości, którą chcesz odtworzyć.
Można zauważyć, że najbardziej „wymagające” z powszechnie używanych obiektywów (tak długo jak gęstość pikseli i ich rozmiar są zachowane) będą te o stosunkowo małym powiększeniu i wysokim NA.: 4X PlanApo i 10X PlanApo które mają NA odpowiednio około 0,16 oraz 0.40.
Określiliśmy wymagany rozmiar piksela (największy dopuszczalny piksel). Zauważ, że maksymalny rozmiar potrzebnych pikseli jest określony wyłącznie przez optykę, która tworzy obraz, i jest niezależny od fizycznych wymiarów matrycy. Jeśli piksele na matrycy są większe niż rozmiar, który określiliśmy, wtedy ta matryca jest nieodpowiednia dla naszej optyki. Gdy tak jest, oznacza to, że musimy zmodyfikować (zwiększyć) powiększenie zastosowanej optyki pośredniej. [Musimy użyć okularów projekcyjnych o większym powiększeniu.]
Dzięki powyższym informacjom możemy określić minimalną liczbę pikseli na matrycy o danym rozmiarze. Jest to określone przez wymagany fizyczny rozmiar piksela i ogólne wymiary fizyczne matrycy naszego aparatu. Ponadto, część z tego, co jest widziane przez okulary, która jest rejestrowana, jest teraz również ustalona, w oparciu o wymiary czujnika i powiększenie optyki przekaźnikowej.
Kolumna D w arkuszu kalkulacyjnym jest ważną liczbą do rozważenia. Pokazuje średnicę pola, które zostanie zarejestrowane dla różnych rozmiarów czujników na podstawie wprowadzonych informacji. Powinno to być porównane z widokiem widzianym przez okulary. Jak wspomniano powyżej, typowy zestaw okularów 10X będzie miał numer pola (FN) około 20 mm. Zobaczysz okrąg o średnicy 20 mm z pośredniego obrazu utworzonego przez obiektyw. W zależności od rozmiaru matrycy i optyki przekaźnika, zarejestrujesz pewną część obrazu pośredniego, ale ta wartość może się bardzo różnić od tej widzianej przez okulary. Aby uniknąć pomyłki ze specyfikacją okularu, oznaczyłem numer w kolumnie D „FNOS”, aby wskazać „numer pola matrycy”. Jeśli porównasz ten numer do FN (numeru pola) okularów, będziesz w stanie określić, ile z tego, co faktycznie zobaczysz, zostanie zarejestrowane w danej kombinacji. Na przykład, jeśli FNOS wynosi 9-10 mm, oznacza to, że zarejestrujesz około połowy średnicy obrazu widzianego przez typowe okulary 10X. Jeśli FNOS ma wartość „4”, będziesz rejestrować okrągłą część obrazu pośredniego o średnicy 4 mm. Jest to zaledwie 1/5 średnicy obrazu widzianego przez okulary 10X. Dla większości ludzi jest to uważane za zbyt małą część. Od Ciebie zależy, czy FNOS jest odpowiedni do Twoich celów.
Dla punktu odniesienia… okular projekcyjny 2,5X był czymś w rodzaju standardowej rekomendacji, gdy błona fotograficzna o wymiarach 35 mm była powszechnie używana do mikrofotografii. Oparty na rozmiarze 36x24 mm „matrycy” FNOS z okularem projekcyjnym 2.5X ma nieco ponad 17 mm.
Możesz zwiększyć FNOS, zmniejszając powiększenie przekaźnika. Należy jednak zachować ostrożność, ponieważ znacznie zmniejszy to fizyczny rozmiar piksela wymaganego do zapisania najdrobniejszych szczegółów. Przy zastosowaniu najbardziej wymagających obiektywów nie jest możliwe uzyskanie dużego FNOS z niektórymi małymi matrycami, stosowanymi w wielu produkowanych obecnie kamerach mikroskopowych.
Bardzo interesujące jest zwrócenie uwagi na specyfikację jednej z „wysokiej klasy” kamer mikroskopowych Zeissa, AxioCam MRc5. Fizyczny rozmiar matrycy wynosi 8,7 x 6,6 mm (2/3”). Rozmiar piksela wynosi 3,4x3,4 mikrona. Liczba pikseli wynosi 2584 (H) x 1936 (V).
Po wprowadzeniu do arkusza wartości obiektywów planapo 10/0.40 lub 4/0,16, okaże się, że wymagany rozmiar piksela wyniesie 3,4 mikrona i liczba wymaganych pikseli w wymiarze-x dla tej matrycy wyniesie 2560. Oczywiście to nie przypadek, że kamera Zeissa ma dokładnie takie specyfikacje.
Spójrzmy teraz na kilka praktycznych rozważań.
W prawie wszystkich starszych mikroskopach o skończonej długości tubusa, obiektyw nie korygował w pełni wszystkich aberracji optycznych. Z założenia niektóre poprawki końcowe są wykonywane przez okulary poglądowe lub projekcyjne. Najczęstszą (ale nie jedyną) aberracją korygowaną przez okulary była CDM (różnica chromatyczna w powiększeniu).
Godnym uwagi wyjątkiem jest seria Nikon CF, która była przeznaczona na tubus160 mm, ale wszystkie niezbędne korekcje były wykonywane przez obiektyw.
Niestety, nie było standaryzacji między producentami, jeśli chodzi o dokładną ilość i rodzaj korekcji, jaką ma wykonać okular. Więc najbezpieczniejszym podejściem jest używanie okularów poglądowych i projekcyjnych, które producent zaprojektował do współpracy z ich obiektywami. Należy wspomnieć, że wiele osób osiągnęło zadowalające, a nawet doskonałe wyniki przy użyciu mieszanki optyki różnych producentów, ale jest to duże ryzyko i każdy przypadek musi być rozpatrywany indywidualnie.
W praktyce oznacza to, że użytkownicy systemów skończonych muszą mieć nadzieję, że optyka, której używają do przekazywania obrazu na matrycę, zapewnia również wszelkie niezbędne korekty końcowe obrazu.
We wszystkich nowszych systemach optycznych na nieskończończoną długość tubusa obraz jest w pełni skorygowany w momencie dotarcia do okularu. (W niektórych przypadkach wszystkie korekty są wykonywane przez obiektywy, w innych ostatnia korekta jest dokonywana za pomocą soczewki tubusowej). W rezultacie użytkownicy optyki korygowanej na nieskończoność (i skończonej używający serii Nikon CF 160 mm) mają nieco łatwiej, ponieważ optyka przekaźnika musi być wysokiej jakości i o odpowiednim powiększeniu, ale/jednak nie są potrzebne żadne unikalne poprawki aberracji. Daje to również możliwość niektórym użytkownikom systemów optycznych skorygowanych na nieskończoność do bezpośredniego wyświetlania obrazu utworzonego przez obiektyw (i soczewkę) na matrycę aparatu bez żadnych innych elementów optycznych. Zazwyczaj te nowsze systemy dostarczają użytecznego obrazu pośredniego o średnicy większej niż wspomniane powyżej 20 mm (w zakresie 25 mm). W tej sytuacji fizyczny rozmiar matrycy jest ważnym czynnikiem. Obecne lustrzanki Canon i Nikon mają matrycę o przekątnej około 27 mm, więc powstałe obrazy będą musiały zostać przycięte. Kamera z rozmiarem matrycy „4/3” ma średnicę matrycy około 21,5 mm, zapewniając bardzo ładne dopasowanie dla obrazu pośredniego. Jeśli używasz obiektywów o wysokim NA i niskim powiększeniu (przekaźnik 1X lub „projekcja bezpośrednia” z obiektywu), należy zadbać o to, aby specyfikacja pikseli matrycy sprostała temu zadaniu. Często przekonasz się, że rozmiar i gęstość pikseli nie są wystarczające dla tych wymagających obiektywów. Arkusz kalkulacyjny jest pomocny w badaniu tej sytuacji.
Gdy skończona optyka była normą, obrazy były zazwyczaj rejestrowane na błonie fotograficznej lub Polaroid’zie. 4x5 ”był wtedy powszechnym wymiarem błony, a 35 mm, o wymiarach ramy 24x36 mm, był małym formatem. W rezultacie powszechnie występującymi okularami projekcyjnymi były te o powiększeniach w zakresie od 2,5X do 10X, aby powiększyć pośredni obraz wytworzony przez obiektyw do pożądanego formatu błony fotograficznej. Z pewnością nie było potrzeby dostosowywania obrazu do błon fotograficznych o wymiarach 5x7, a nawet mniejszych [jak obecne matryce]. Istnieje Olympus NFK 1.67X, który został stworzony do wykorzystania z obiektywami serii LB (oraz prawdopodobnie inne okulary projekcyjne o małym powiększeniu, o których nie wiem), ale 2.5X jest na ogół najmniejszym powiększeniem spotykanym w okularach projekcyjnych. W przypadku użycia okularu projekcyjnego 2,5X z jedną z lustrzanek o zredukowanej ramie (Canon Rebel, 20D, 30D i Nikon) większość tych korpusów będzie spełniać wymagania dotyczące wielkości pikseli nawet dla najbardziej wymagających celów, a FNOS będzie mieć około 11 mm. (Niektórzy mogą uznać, że to za mało, ale należy zauważyć, że jest to prawie identyczne z FNOS uzyskanym za pomocą wyżej wspomnianej kamery mikroskopowej Zeiss). Gdy lustrzanka o zredukowanej ramie jest używana z okularem projekcyjnym Olympus NFK 1.67X otrzymamy FNOS będzie mieć średnicę około 16-17mm. „Specyfikacje” spadają nieco poniżej wymaganych przez obiektywy planapo 4/0,16 i 10/0,40, jeśli są używane w maksymalnej NA.
Ale znowu należy podkreślić, że te(bez te) obiektywy, stosowane na maksymalnym NA, przedstawiają najbardziej ekstremalne wymagania. Zdecydowana większość obiektywów jest znacznie mniej „wymagająca”. Nawet jeśli masz takie obiektywy, musisz zastanowić się, czy są one rzeczywiście używane w maksymalnej NA. Zazwyczaj sub-stage membrana [nie znam odpowiedniego tłumaczenia] jest zamykana przynajmniej w niewielkiej ilości. Jeśli w rzeczywistości „używasz” 90% maksymalnego NA tych obiektywów, te aparaty spełniają wymagania stawiane przez te obiektywy, gdy są używane z okularami projekcyjnymi 1.67X.
Wiele niedrogich kamer mikroskopowych (rurkowych, umieszczanych bezpośrednio w torze okularu lub tubie trinokularowej) wykorzystuje matryce 1/3 ”lub ½”. Nie znam żadnych rozwiązań przekaźnikowych dla skończonych systemów optycznych, które zapewniałyby potrzebną redukcję dla tak małych czujników, zapewniając jednocześnie wymaganą korektę. Waga tej ostatecznej korekty dla jakości obrazu prawdopodobnie będzie się różnić w zależności od zastosowanych obiektywów i tolerancji użytkownika.
Na końcu należy poruszyć kwestię filtrów wzorcowych Bayer. Z wyjątkiem lustrzanek cyfrowych Sigma wykorzystujących matrycę Foveon, wszystkie obecne lustrzanki cyfrowe wykorzystują matryce CCD lub CMOS z filtrem mozaikowym Bayer. Dotyczy to również wielu „dedykowanych” kamer mikroskopowych. W pewnych okolicznościach (takich jak monochromatyczne czerwone, zielone lub niebieskie światło z obiektami monochromatycznymi) rozdzielczość i dokładność kolorów mogą być niższe niż oczekiwane. Rzadko zdarza się to w przypadku fotografii „konwencjonalnej” i dla większości użytkowników nie będzie poważnym problemem również w mikrofotografii. Jednak fotografowie powinni zawsze być świadomi cech swojego sprzętu, aby w razie potrzeby mogli uwzględnić wyjątkowe okoliczności. W mikroskopii możemy spotkać się z takimi warunkami. Czasami sugeruje się, że zielone światło może być wykorzystywane z obiektywami achromatycznymi, które wykazują duże ilości aberracji chromatycznej. To często minimalizuje efekt rozmycia, jaki aberracja chromatyczna może powodować na obrazie. Użytkownicy mikroskopów mogą napotkać próbki, które mają mało „twardych” szczegółów i są barwione monochromatycznie. W takich sytuacjach matryce pokryte wzorem Bayera mogą rejestrować mniej szczegółów niż można by oczekiwać. Jest to bardziej prawdopodobne, gdy pracujemy przy minimalnym limicie próbkowania wynoszącym dwa piksele na każdy odróżniający się szczegół, co zazwyczaj rzadko ma miejsce.
Jeśli spodziewasz się, że często możesz spotkać się z tymi okolicznościami, możesz zagrać „bezpiecznie”. Analizując możliwe konfiguracje w arkuszu kalkulacyjnym, rozważ sytuację, w której rozmiar piksela jest 1.4X większy niż on fizycznie mierzy. Najgorszym scenariuszem byłoby użycie monochromatycznego światła niebieskiego lub czerwonego, wtedy można rozważyć w arkuszu rozmiar piksela, który jest 2x większy niż w rzeczywistości.
Następująca strona zawiera sekcję z omówieniem tej sytuacji:
Kod: Zaznacz cały
olympusmicro.com/primer/digitalimaging/cmosimagesensors.htmlKod: Zaznacz cały
micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/digitalimagebasics.htmlKod: Zaznacz cały
microscopyu.com/tutorials/java/digitalimaging/pixelcalculator/index.html