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考慮采購體視顯微鏡時的關鍵因素
發布時間：2024-01-11
體視顯微鏡通常是實驗室或生產現場對樣品進行三維感知時的第一選擇。用戶經常花費大量時間通過目鏡對樣品進行顯微分析、觀察、記錄或解剖。因此必須認真選擇顯微鏡以確保滿足用戶的需求。本文建議用戶在評估和選擇顯微鏡之前，仔細思考自身的需求。本文還描述了哪些關鍵因素會影響體視顯微鏡的性能，這對于用戶的具體應用而言非常重要。
什么時候應該優先選擇體視顯微鏡？
體視顯微鏡的特點在于能夠生成樣品的三維圖像。因此，它們特別適合用于制造環境中的顯微分析和重復作業、質量控制、研發，或者故障分析。它們還能用于生命科學領域的標本分類、篩選和處理，以及學校教室和大學實驗室的教學活動。
圖1：對汽車行業的零部件生產進行顯微分析：使用體視顯微鏡以近垂直照明方式拍攝的鏈輪圖像
步驟一：了解您的需求
開始選擇體視顯微鏡之前，您應該思考使用顯微鏡的應用類型以及使用地點和設置這些因素對于您的決定會產生重要影響。
思考樣品
需要觀察哪些類型的樣品？是否需要適應不同類型的樣品，或者只是為了實現高效率而適應同一類樣品？需要觀察哪些樣品結構？您是否需要觀察反射樣品，例如金屬零部件，或者查看孔洞？樣品會有多大？如果您專注于生命科學應用，是否需要熒光成像？
您查看的樣品種類和大小決定了使用哪種照明類型，物鏡下方需要多少空間，以及選擇哪種載物臺。
思考應用
您究竟需要如何處理樣品？除了觀察樣品，您是否需要記錄和測量？您是否需要與同事或學生討論圖像或測量結果？您的任務是否涉及在使用顯微鏡觀察樣品的同時，對樣品進行篩選分類或處理？
這些問題的答案會影響到顯微鏡在設置選項，例如，是否使用帶顯示屏的獨立解決方案，是否需要單獨的顯示器，分享功能是否重要，或者是否需要相機進行記錄。
思考用戶
顯微鏡是否有多位用戶，如果是，有多少位？每位用戶使用顯微鏡的時間有多長？
根據用戶數量，顯微鏡應當能夠快速適應每位用戶的喜好和體型。如果用戶長時間使用顯微鏡，符合人體工程學的配件對于防止因重復動作引起身體損傷至關重要。
思考預算
需要多少臺顯微鏡，有多少預算？
有各種價位的體視顯微鏡可供選擇。了解您預算多少，有助于您優先考慮或者挑選最符合自身需求的模塊化解決方案。請記住，模塊化解決方案的初始投資盡管看起來更高，但從長遠來看，由于其用途廣泛，可以滿足不同用戶需求，以及擁有種類繁多的配件，它們或許可以為您節省資金。
步驟二：做出明智的決定
在評估不同選項時，必須清楚了解決定體視顯微鏡性能的關鍵因素以及使用這類顯微鏡的用戶。以下概述了需要思考的關鍵因素。這些要點簡要描述了最為重要的方面。概述后面的深入探討將為您提供有關上述每個方面的更多詳細信息。
1.變焦范圍、放大倍率、物場（視場）和工作距離
體視顯微鏡光學器件的變焦范圍定義了最高和最低放大倍率之間的縮放范圍。通常以相同放大倍率工作的用戶不需要較大的變焦范圍。如果工作流程需要在物鏡下處理樣品或搜索樣品以找到感興趣區域，那么可能需要較大的變焦范圍，因為那樣可以讓您從查看概覽快速切換到微小細節。
根據具體的目鏡，在相同的放大倍率下，可以看到更大或更小的視場或物場。更大的視場允許用戶在樣品上保持更好的定位。
工作距離是指樣品頂部與物鏡前鏡片之間的距離。對于顯微分析和重復作業或者樣品分類，較大的工作距離會很有幫助，因為這可以幫助您在使用顯微鏡觀察樣品時更方便地處理樣品。
2.景深、分辨率和數值孔徑（NA）
景深表示用戶認為有多少樣品（就垂直高度而言）處于對焦狀態[1]。它與數值孔徑、分辨率和放大倍率呈負相關。分辨率代表用戶可以在樣本中看到多少細節[2]。
數值孔徑與浸沒樣品和物鏡的介質的折射率以及透鏡收集的最大光錐角度有關。數值孔徑越大，分辨率越高，但景深通常降低[1,3]。
FusionOptics結合了更高的分辨率和更大的景深[4]。
3.光學系統質量
光學系統質量決定了樣品的成像精度
色差和球差[5]是導致彩色條紋和圖像失真的光學現象。
根據樣品和任務的不同，對于光學系統質量可能會有不同的要求，例如，如果看到樣品的真實顏色很重要，則需要光學器件進行顏色校正。
如果需要視覺呈現樣品細節，例如，對于研發（R&D）等應用，建議使用更具透光性的光學器件。
圖2：物鏡和顯微鏡光學器件的質量在很大程度上決定了圖像質量
4.照明
照明應均勻地照亮整個視場，提供良好的對比度，并顯示樣品的真實顏色。參考文獻12列出的文章顯示了不同照明的示例及其對圖像的影響。
重要的是，照明可以滿足所用顯微鏡和預期應用的要求。[6]
圖5：照明決定了可以看到樣品中的哪些細節
5.人體工學
如果用戶長時間通過目鏡觀察，他們會有拉傷肌肉的風險，進而導致肌肉骨骼類疾病。此類健康問題可能導致注意力無法集中、工作效率下降，甚至缺勤。
符合人體工學的配件可幫助用戶在使用顯微鏡時保持正確的姿勢[7]。
顯微鏡的可調功能，如變焦和對焦旋鈕，可幫助用戶自定義操作和設置，這在有多個用戶時尤為重要。
1.深入探討
變焦范圍、放大倍率、物場（視場）和工作距離
體視顯微鏡的總放大倍率是物鏡、變焦光學器件和目鏡的放大倍率的乘積[8]。
物鏡的放大倍率是固定值。變焦光學器件能夠在變焦系數范圍內改變放大倍率。目前的放大倍率同樣是固定值。
為了確定通過目鏡觀察到的樣品的總放大倍率，需要將物鏡、變焦光學器件和目鏡的放大倍率相乘。
總放大倍率的公式為：MTOT VIS = MO × z × ME，其中：
MTOT VIS表示總放大倍率（VIS代表“視覺”）；
MO表示物鏡放大倍率（1×代表沒有額外透鏡的Greenough根林諾夫顯微鏡）；
Z表示變焦系數；
ME表示目鏡放大倍率。
通常MO的值介于0.32×到2×之間，z的值介于0.63×和16×之間，ME的值介于10×和40×之間。
放大倍率對視場/物場的影響
目鏡觀察時，可以看到一個稱為視場（FOV）的圓形區域[8]。視場的直徑取決于總放大倍率。例如，目鏡的放大倍率為10×，則視場數為23。視場數意味著在物鏡和變焦光學器件的綜合放大倍率為1×的情況下，通過目鏡觀察到的視場直徑為23毫米。
工作距離是對焦時物鏡前鏡片與樣品頂部之間的距離。通常，隨著放大倍率的增加，物鏡的工作距離會減少。工作距離會直接影響體視顯微鏡的操作使用，特別是需要留出一定空間以便操作樣品的顯微分析、重復作業以及質量控制任務。
2.深入探討
景深、分辨率和數值孔徑（NA）
景深、放大倍率和分辨率之間的關系
景深與數值孔徑、分辨率以及放大倍率呈負相關。[1-3]
為了獲得樣品良好的視覺效果，適當調整顯微鏡設置可以在景深和分辨率之間實現最佳平衡。特別是在低倍率下，可以通過降檔，即減少數值孔徑來顯著增加景深。目標是根據樣品特征的大小和形狀實現分辨率和景深的平衡。
采用FusionOptics技術優化三維圖像
體視顯微鏡的一項精密光學功能，利用徠卡顯微系統的FusionOptics技術同時獲得高分辨率和大景深[4]。一條光路提供更高分辨率和更低景深的圖像，另一條光路提供更低分辨率和更大景深的圖像。人腦可以將這兩張單獨的圖像合成為一張具有高分辨率和高景深的圖像。
圖3：體視顯微鏡有條獨立的光路（1）。借助FusionOptics技術，一條光路可提供大景深（2），另一條光路可以提供高分辨率（3）。人腦可將兩幅圖像合成為一幅優化的三維圖像（4）。
3.深入探討光學系統質量
消色差或復消色差透鏡
色差是一種失真現象，其原因是鏡頭未能將所有顏色聚焦到同一個會聚點。這是因為透鏡對不同波長的光（透鏡的色散）具有不同的折射率。照射在遠離球面中心軸線的位置的光線折射到靠近中心的位置時，就會發生球面相差[5].
優秀的光學設計旨在減少或徹底消除色差和球面相差。以下幾類物鏡可以用于限制這些問題的影響[9,10]：
消色差
針對聚焦在同一平面上的兩種波長（紅色和綠色）進行色度校正。
非常適合可見光譜范圍內的標準應用，因為真實色彩再現并不重要，主要評估幾何特征。
復消色差
針對聚焦在同一平面上的三種波長（紅色、綠色和藍色）進行色度校正。
適用于在可見光譜范圍內外具有最高規格的應用，因為這種應用中的彩色條紋可能會令人不安，例如那些需要快速切換和結構共定位的應用。
平面
未針對視場平坦度或平面度進行校正的鏡頭會在整個視場范圍內顯示不均勻的焦點。
圖像平坦度校正對于許多應用都很用，尤其是需要大視場的應用。
4.深入探討
不同照明類型
入射光
用于不透明樣品根據樣品紋理和應用要求，可以使用許多不同的入射光照明解決方案，以便對樣品的相關細節和特征進行合理對比。
透射光
用于各種透明樣品，從細胞和模型生物等生物樣品到聚合物和玻璃等材料。
標準透射光明場照明
用于所有類型的透明樣品。可以提供高對比度以及充分的色彩信息。
傾斜透射光照明
用于接近透明的無色樣品。樣品可以達到出色的對比度和視覺清晰度。
暗場照明
用于樣品平坦區域的小型特征，后者在明場下不易看到，例如閃亮或明亮樣品上的裂縫、孔隙、細小突起等。它還可用于顯示尺寸低于分辨率限制的樣品結構。
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