Digitale Bildgebung in der Mikroskopie: Häufig gestellte Fragen

Autor Takeo Ogama - 24 März, 2020

Haben Sie Fragen zur digitalen Bildgebung? Da die digitale Bildgebung ein beliebtes Tool zur Aufnahme von Proben unter dem Mikroskop und die Konservierung von Objektträgern ist, werden uns häufig Fragen zu diesem Thema gestellt.

Hier beantworten wir die wichtigsten Fragen über diese gefragte Technologie.

Was ist digitale Bildgebung?

Digitale Bildgebung ist ein weit gefasster Begriff, mit dem die elektronische Aufzeichnung von Bildern gemeint ist. So gut wie alles kann digital erfasst werden – von einer Sonnenuntergangsszene über ein Mikroskoppräparat bis hin zu einem gescannten Dokument.

Was ist ein Digitalbild?

Ein Digitalbild setzt sich aus einer Reihe von Pixeln oder Bildelementen zusammen. Der Computer liest die Bilddatei und zeigt die Pixel an, sodass er ein Bild auf dem Monitor erzeugt.

Was sind die Vorteile der digitalen Bildgebung?

Digitale Bildgebung hat vier Hauptvorteile für die Mikroskopie:

Dauerhafte Aufzeichnung: Es können unendlich viele Kopien desselben Digitalbilds angefertigt werden, ohne dass die Bildqualität leidet. Infolgedessen trägt die digitale Bildgebung dazu bei, wissenschaftliche Objektträgerpräparate zu konservieren und Probleme mit abnehmender Präparatqualität zu vermeiden.
Teilen/Versenden von Bildern: Digitalbilder können elektronisch an Kollegen gesendet werden, wodurch sich die Kosten für den Versand von Objektträgern für ein gemeinsames Projekt einsparen lassen.
Bildanpassung: Mit Bearbeitungsprogrammen wie unserer Bildanalysesoftware cellSens für Mikroskope können Sie digitale Originalbilder leicht verändern, um Probleme wie schlechten Kontrast und übermäßiges Bildrauschen mit nur wenigen Klicks zu beheben.
Quantitativ analysieren: Die digitale Bildgebung liefert Daten für die quantitative Bildanalyse, die zu neuen Erkenntnisse führen können. Beispielsweise können Sie Datenpunkte mit früheren Imaging-Ergebnissen in Ihrer Datenbank vergleichen.

Wie lässt sich die digitale Bildqualität für die Mikroskopie verbessern?

Um die Qualität Ihrer Mikroskopbilder zu verbessern, wählen Sie die geeignete Optik und eine Kamera mit Funktionen, die zu Ihrer Anwendung passen.

Wir bieten Online-Ressourcen, die Ihnen bei der Suche nach Mikroskopobjektiven und Kameras für Ihr Forschungsprojekt helfen. Ein guter Start ist dieser Blog. Sehen Sie sich unbedingt diese Blogartikel zur Orientierung an: Wie man das richtige Mikroskopobjektiv findet: 10 wichtige Fragen, und 4 Tools zur Auswahl der richtigen Mikroskopkamera.

Welche Funktionen einer digitalen Mikroskopkamera sind am wichtigsten?

Es gibt eine ganze Reihe von Faktoren, die zur Bildqualität beitragen. Im Allgemeinen kann man jedoch bei der Auflösung und der Empfindlichkeit der Kamera beginnen. Die Empfindlichkeit bestimmt, wie gut der Kamerasensor Licht von der Probe detektiert. Die Auflösung gibt an, wie viele Details eine Kamera erfassen kann. Allerdings müssen diese Funktionen auf die Optik, das System und die Anwendung abgestimmt sein.

Betrachten wir folgendes Beispiel: Eine Kamera mit hoher Auflösung passt nicht gut zu einem Objektiv mit kleiner NA, da sie die Informationen zur Struktur der Probe, die durch die Optik verloren gehen, nicht wiederherstellen kann. Der Grund dafür ist, dass die Lichtstreuung größer ist als der Pixelabstand der Kamera. In diesem Fall ist also eine Kamera mit niedrigerer Auflösung besser für ein Objektiv mit geringer NA geeignet.

Oder es müssen beispielsweise Beobachtungen im Wellenlängenbereich von 700–900 nm durchgeführt werden. Hierbei ist es wichtig, eine Kamera auszuwählen, die diese längeren Wellenlängen erkennen kann.

Es gibt noch viele weitere Faktoren, die zu berücksichtigen sind. Lesen Sie daher unbedingt unser Whitepaper: Was bei der Auswahl einer Mikroskopkamera zu beachten ist.

Welcher Typ von Mikroskopkamera-Sensor sollte ausgewählt werden?

Jeder der vielen unterschiedlichen Sensortypen hat seine eigenen Vor- und Nachteile:

CCD ist eine Abkürzung für „Charge-Coupled Device“, (ladungsgekoppeltes Halbleiterelement). Einfach ausgedrückt ist ein CCD ein Halbleiterchip mit lichtempfindlichen Bereichen, der als Sensor in Digitalkameras eingesetzt wird. CCD-Sensoren erfassen Licht und wandeln sie in elektrische Ladungen um. Diese liefern die digitalen Pixeldaten, aus denen ein Bild zusammengesetzt ist. In der Vergangenheit waren CCD-Sensoren die beste Wahl für wissenschaftliche Anwendungen. Doch mit dem Aufkommen neuer Sensortechnologie wird diese ältere Technologie immer seltener eingesetzt.
EMCCD steht für „Electron Multiplying Charge-Coupled Device“ (elektronenvervielfachendes ladungsgekoppeltes Halbleiterelement). Ein EMCCD ist eine Art von CCD-Sensor, der lichtschwache Signale oberhalb des vom CCD detektierten Hintergrundrauschens verstärkt. Bei konventionellen CCD fallen sehr schwache Signale typischerweise unter das vom Sensor detektierte Hintergrundrauschen, was ihre Bildverarbeitungsfunktionalität bei Anwendungen, die eine schnelle Bildfrequenzerfassung bei extrem schwachem Licht erfordern, einschränkt.
EMCCD-Kameras sind bekannt dafür, dass sie schwaches Licht erkennen – weshalb sie oft auch als Schwachlichtkameras bezeichnet werden. Da sie sich durch hohe Empfindlichkeit auszeichnen, sind sie nützliche Tools bei der Erfassung schneller biologischer Phänomene bei sehr schwachem Licht.
CMOS steht für „Complementary Metal-Oxide Semiconductor“ (komplementärer Metalloxidhalbleiter) und repräsentiert den Nachfolger der CCD-Technologie. Der erste und wichtigste Unterschied zwischen CMOS und CCD ist die Auslesearchitektur für die Erkennung des Signalelektrons.
Dank des Mehrfach-Ausleseverstärkers für einzelne lichtempfindliche Dioden ermöglichen CMOS-Sensoren eine wesentlich höhere Auslesegeschwindigkeit als CCD-Sensoren. Für dieses schnelle Auslesen muss jedoch eine Rolling-Shutter-Verzerrung in Kauf genommen werden. Da Scans zur Datenerfassung mit CMOS schnell über das gesamte Bild hinweg durchgeführt werden anstatt jeden einzelnen Pixel sofort zu erfassen, kann der Unterschied bei der Belichtungszeit gelegentlich zu Verzerrungen führen.
Mit CCD-Sensoren dagegen kann diese Verzerrung vermieden werden, indem die eingehenden Photonen während der Speicherung der Ladung erfasst werden, was das Auslesen aller Pixel zur gleichen Zeit ermöglicht.
Während CMOS-Sensoren im Vergleich zu CCD-Sensoren früher ein niedrigeres Signal-Rausch-Verhältnis boten, findet man heute viele hochwertige CMOS-Kameras. Darüber hinaus lässt sich dank der Einführung von Global-Shutter-CMOS die Rolling-Shutter-Verzerrung vermeiden.
sCMOS ist die Abkürzung für „scientific Complementary Metal-Oxide Semiconductor“ (wissenschaftlicher komplementärer Metalloxidhalbleiter). sCMOS-Sensoren sind CMOS-Sensoren mit großer Pixelgröße und wenig Rauschen. Sie bieten eine höhere Empfindlichkeit als herkömmliche CMOS-Sensoren. In der Regel werden sCMOS gekühlt, um den Dunkelstrom zu minimieren und damit ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, so wie dies auch bei CCD-Sensoren der Fall war.
Der wichtigste Unterschied zwischen sCMOS- und EMCCD-Kameras besteht darin, dass mit sCMOS-Kameras keine Langzeitbelichtungen durchgeführt werden können. EMCCD-Kameras werden für lange Belichtungen oder Biolumineszenz-Imaging-Anwendungen mit schwachen Fluoreszenzsignalen vorgezogen, während sCMOS-Kameras geschätzt werden, weil sie zusammen mit einer Vielzahl von Bildgebungstechniken einsetzbar sind.

Welche die am besten geeignete Digitalkamera ist, hängt letztlich von Ihrer speziellen Anwendung ab. Zögern Sie daher nicht, uns zu kontaktieren, wenn Sie Fragen haben.

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