考虑采购体视显微镜时的关键因素

更新时间:2023-09-18      点击次数:285



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体视显微镜通常是实验室或生产现场对样品进行三维感知时的第一选择。用户经常花费大量时间通过目镜对样品进行显微分析、观察、记录或解剖。因此必须认真选择显微镜以确保满足用户的需求。本文建议用户在评估和选择显微镜之前,仔细思考自身的需求。本文还描述了哪些关键因素会影响体视显微镜的性能,这对于用户的具体应用而言非常重要。




什么时候应该优先选择体视显微镜?


体视显微镜的特点在于能够生成样品的三维图像。因此,它们特别适合用于制造环境中的显微分析和重复作业、质量控制、研发,或者故障分析。它们还能用于生命科学领域的标本分类、筛选和处理,以及学校教室和大学实验室的教学活动。


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图1:对汽车行业的零部件生产进行显微分析:使用体视显微镜以近垂直照明方式拍摄的链轮图像




步骤1:

了解您的需求


开始选择体视显微镜之前,您应该思考使用显微镜的应用类型以及使用地点和设置这些因素对于您的决定会产生重要影响。



思考样品


需要观察哪些类型的样品?是否需要适应不同类型的样品,或者只是为了实现高效率而适应同一类样品?需要观察哪些样品结构?您是否需要观察反射样品,例如金属零部件,或者查看孔洞?样品会有多大?如果您专注于生命科学应用,是否需要荧光成像?


您查看的样品种类和大小决定了使用哪种照明类型,物镜下方需要多少空间,以及选择哪种载物台。 


思考应用


您究竟需要如何处理样品?除了观察样品,您是否需要记录和测量?您是否需要与同事或学生讨论图像或测量结果?您的任务是否涉及在使用显微镜观察样品的同时,对样品进行筛选分类或处理?


这些问题的答案会影响到显微镜在设置选项,例如,是否使用带显示屏的独立解决方案,是否需要单独的显示器,分享功能是否重要,或者是否需要相机进行记录。


思考用户


显微镜是否有多位用户,如果是,有多少位?每位用户使用显微镜的时间有多长? 


根据用户数量,显微镜应当能够快速适应每位用户的喜好和体型。如果用户长时间使用显微镜,符合人体工程学的配件对于防止因重复动作引起身体损伤至关重要。


思考预算


需要多少台显微镜,有多少预算? 


有各种价位的体视显微镜可供选择。了解您预算多少,有助于您优先考虑或者挑选符合自身需求的模块化解决方案。请记住,模块化解决方案的初始投资尽管看起来更高,但从长远来看,由于其用途广泛,可以满足不同用户需求,以及拥有种类繁多的配件,它们或许可以为您节省资金。




步骤2:

做出明智的决定


在评估不同选项时,必须清楚了解决定体视显微镜性能的关键因素以及使用这类显微镜的用户。以下概述了需要思考的关键因素。这些要点简要描述了最为重要的方面。概述后面的深入探讨将为您提供有关上述每个方面的更多详细信息。



01

变焦范围、放大倍率、物场(视场)和工作距离

体视显微镜光学器件的变焦范围定义了高和低放大倍率之间的缩放范围。通常以相同放大倍率工作的用户不需要较大的变焦范围。如果工作流程需要在物镜下处理样品或搜索样品以找到感兴趣区域,那么可能需要较大的变焦范围,因为那样可以让您从查看概览快速切换到微小细节。


根据具体的目镜,在相同的放大倍率下,可以看到更大或更小的视场或物场。更大的视场允许用户在样品上保持更好的定位。


工作距离是指样品顶部与物镜前镜片之间的距离。对于显微分析和重复作业或者样品分类,较大的工作距离会很有帮助,因为这可以帮助您在使用显微镜观察样品时更方便地处理样品。


02

景深、分辨率和数值孔径(NA)

景深表示用户认为有多少样品(就垂直高度而言)处于对焦状态。它与数值孔径、分辨率和放大倍率呈负相关。


分辨率代表用户可以在样本中看到多少细节。 


数值孔径与浸没样品和物镜的介质的折射率以及透镜收集的最大光锥角度有关。数值孔径越大,分辨率越高,但景深通常降低。


FusionOptics结合了更高的分辨率和更大的景深。


03

光学系统质量

光学系统质量决定了样品的成像精度


色差和球差是导致彩色条纹和图像失真的光学现象。


根据样品和任务的不同,对于光学系统质量可能会有不同的要求,例如,如果看到样品的真实颜色很重要,则需要光学器件进行颜色校正。


如果需要视觉呈现样品细节,例如,对于研发(R&D)等应用,建议使用更具透光性的光学器件。

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图2:物镜和显微镜光学器件的质量在很大程度上决定了图像质量


04

照明 

照明应均匀地照亮整个视场,提供良好的对比度,并显示样品的真实颜色。参考文献12列出的文章显示了不同照明的示例及其对图像的影响。 


重要的是,照明可以满足所用显微镜和预期应用的要求。

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图5:照明决定了可以看到样品中的哪些细节。


05

人体工学

如果用户长时间通过目镜观察,他们会有拉伤肌肉的风险,进而导致肌肉骨骼类疾病。此类健康问题可能导致注意力无法集中、工作效率下降,甚至缺勤。


符合人体工学的配件可帮助用户在使用显微镜时保持正确的姿势。


显微镜的可调功能,如变焦和对焦旋钮,可帮助用户自定义操作和设置,这在有多个用户时尤为重要。


1

变焦范围、放大倍率、物场(视场)和工作距离

体视显微镜的总放大倍率是物镜、变焦光学器件和目镜的放大倍率的乘积


物镜的放大倍率是固定值。变焦光学器件能够在变焦系数范围内改变放大倍率。目前的放大倍率同样是固定值。


为了确定通过目镜观察到的样品的总放大倍率,需要将物镜、变焦光学器件和目镜的放大倍率相乘


总放大倍率的公式为:MTOT VIS = MO × z × ME,其中:

MTOT VIS表示总放大倍率(VIS代表“视觉");

MO表示物镜放大倍率(1×代表没有额外透镜的Greenough根林诺夫显微镜)

Z表示变焦系数;

ME表示目镜放大倍率。


通常MO的值介于0.32×到2×之间,z的值介于0.63×和16×之间,ME的值介于10×和40×之间。



放大倍率对视场/物场的影响

目镜观察时,可以看到一个称为视场(FOV)的圆形区域。视场的直径取决于总放大倍率。例如,目镜的放大倍率为10×,则视场数为23。视场数意味着在物镜和变焦光学器件的综合放大倍率为1×的情况下,通过目镜观察到的视场直径为23毫米。


工作距离是对焦时物镜前镜片与样品顶部之间的距离。通常,着放大倍率的增加,物镜的工作距离会减少。工作距离会直接影响体视显微镜的操作使用,特别是需要留出一定空间以便操作样品的显微分析、重复作业以及质量控制任务。





2

景深、分辨率和数值孔径(NA)




景深、放大倍率和分辨率之间的关系 

景深与数值孔径、分辨率以及放大倍率呈负相关


为了获得样品良好的视觉效果,适当调整显微镜设置可以在景深和分辨率之间实现最佳平衡。特别是在低倍率下,可以通过降档,即减少数值孔径来显著增加景深。目标是根据样品特征的大小和形状实现分辨率和景深的平衡




采用FusionOptics技术优化三维图像


体视显微镜的一项精密光学功能,利用徕卡显微系统的FusionOptics技术同时获得高分辨率和大景深。一条光路提供更高分辨率和更低景深的图像,另一条光路提供更低分辨率和更大景深的图像。人脑可以将这两张单独的图像合成为一张具有高分辨率和高景深的图像。


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图3:体视显微镜有条独立的光路(1)。借助FusionOptics技术,一条光路可提供大景深(2),另一条光路可以提供高分辨率(3)。人脑可将两幅图像合成为一幅优化的三维图像(4)。





3

光学系统质量




消色差或复消色差透镜

色差是一种失真现象,其原因是镜头未能将所有颜色聚焦到同一个会聚点。这是因为透镜对不同波长的光(透镜的色散)具有不同的折射率。照射在远离球面中心轴线的位置的光线折射到靠近中心的位置时,就会发生球面相差. 


优秀的光学设计旨在减少消除色差和球面相差。以下几类物镜可以用于限制这些问题的影响:


消色差

针对聚焦在同一平面上的两种波长(红色和绿色)进行色度校正。


非常适合可见光谱范围内的标准应用,因为真实色彩再现并不重要,主要评估几何特征。


复消色差

针对聚焦在同一平面上的三种波长(红色、绿色和蓝色)进行色度校正。


适用于在可见光谱范围内外具有最高规格的应用,因为这种应用中的彩色条纹可能会令人不安,例如那些需要快速切换和结构共定位的应用。


平面

未针对视场平坦度或平面度进行校正的镜头会在整个视场范围内显示不均匀的焦点。


图像平坦度校正对于许多应用都很用,尤其是需要大视场的应用。





4

不同照明类型


入射光

用于不透明样品根据样品纹理和应用要求,可以使用许多不同的入射光照明解决方案,以便对样品的相关细节和特征进行合理对比。 


透射光

用于各种透明样品,从细胞和模型生物等生物样品到聚合物和玻璃等材料。


标准透射光明场照明

用于所有类型的透明样品。可以提供高对比度以及充分的色彩信息。


倾斜透射光照明

用于接近透明的无色样品。样品可以达到出色的对比度和视觉清晰度。


暗场照明

用于样品平坦区域的小型特征,后者在明场下不易看到,例如闪亮或明亮样品上的裂缝、孔隙、细小突起等。它还可用于显示尺寸低于分辨率限制的样品结构。





5

人体工学

详细内容:人体工学设计,高效获取结果 


通常,每个人的体质和工作习惯各不相同。因此,显微镜目镜的高度可能并不适合每位用户。如果观察高度太低,观察者在工作时必须向前弯曲身体,导致颈部肌肉紧张。为了补偿这种高度差,建议使用可变双目镜。徕卡显微系统提供种类广泛的人体工学配件,有助确保工作流程高效执行


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图4:ErgoTube目镜镜筒有助用户确保身体和头部始终处于最为放松的位置,让手臂得到良好支撑,腿部拥有足够空间,并且舒适地坐在椅子上。



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