카메라 해상도

이미징에서 해상도는 여전히 구별할 수 있는 표본의 두 지점 사이의 최단 거리로 정의됩니다. 이는 카메라의 해상도가 1μm인 경우 샘플에서 1μm 이상 떨어져 있는 물체를 확인할 수 있음을 의미합니다. 그러나 물체가 1 µm보다 가까우면 이미징 시스템은 물체를 구분할 수 없으며 하나의 물체로 나타납니다. 그렇기 때문에 더 작은 샘플로 작업할 때 미세한 세부 사항을 해결하기 위해 더 높은 해상도(나노미터 크기까지)가 중요합니다.

 

그림 1: 해상도는 물체를 구별하는 능력입니다.

 

최대 해상도, 가장 중요한 현미경 해상도와 카메라 해상도에 영향을 미치는 이미징 시스템 내에는 여러 가지 요인이 있습니다. 

 

카메라 해상도

카메라 해상도는 센서 픽셀 크기와 총 배율이라는 두 가지 주요 요소에 따라 달라집니다. 더 작은 카메라 픽셀과 더 큰 배율은 더 높은 해상도로 이어지지만 전자는 감도 비용(더 큰 픽셀은 더 민감함)을, 후자는 시야를 희생합니다(더 높은 배율은 이미징 영역을 줄임). 픽셀 크기에 대한 확대 효과는 그림 2에 설명되어 있습니다.

 

그림 2: 배율이 픽셀 크기에 미치는 영향.

 

이 다이어그램에서 6.5 µm 픽셀 카메라 센서는 10x, 40x 및 60x의 세 가지 다른 현미경 대물렌즈와 함께 사용됩니다. 이러한 대물렌즈는 배율에 따라 픽셀 크기를 줄여 배율이 높을수록 상대적으로 픽셀이 작아집니다.

현미경 대물렌즈는 배율에 비례하여 픽셀 크기를 줄입니다. 즉, 60x 대물렌즈가 있는 6.5um 픽셀 카메라를 사용할 때 샘플의 픽셀 크기는 실제로 6.5/60 = 0.108um 또는 108nm이므로 해상도가 매우 높아집니다.

 

빛의 회절 한계

해상도가 이 나노미터 규모에 도달하기 시작하면 고려해야 할 다른 문제, 즉 빛의 회절 한계가 있습니다. 샘플과 카메라 사이에서 빛이 회절(확산)되는 방식으로 인해 약 200nm의 분해능에 엄격한 제한이 있습니다(사용된 빛의 파장에 따라 일반적인 녹색 형광의 경우 제한은 ~220nm임).

 

이 회절 한계로 인해 표준 형광 현미경 검사에서는 분해 가능한 가장 작은 물체를 감지하기 위해 ~200nm의 하한에 도달할 수 있는 이미징 설정을 사용하는 것이 일반적입니다. 이보다 낮은 분해능을 시도하는 것은 표준 현미경으로는 불가능하므로 최적의 분해능 수준입니다.

 

나이퀴스트 샘플링

카메라 해상도에 영향을 미치는 또 다른 요소는 스웨덴 엔지니어 Harry Nyquist의 이름을 딴 Nyquist 샘플링으로 알려져 있습니다. 기본적으로 이미징 시스템은 해상도를 단일 픽셀의 크기와 일치시키는 경우가 많습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 두 물체가 서로 옆에 있으면 픽셀도 옆에 있습니다. 이로 인해 이러한 개체를 별도의 개체로 해결하는 것이 훨씬 더 어려워집니다.

 

샘플에서 인접한 기능을 가장 잘 분리하려면 이들 사이에 적어도 하나의 픽셀이 있어야 합니다. 즉, 최상의 해상도를 얻으려면 하나가 아닌 두 개의 카메라 픽셀에 일치해야 합니다. 즉, 픽셀 수가 두 배가 되고 더 많은 세부 사항을 확인할 수 있으므로 샘플링 속도가 두 배가 됩니다. 이 두 배의 샘플링 속도는 Nyquist 샘플링으로 알려져 있으며 최대 해상도는 샘플의 가장 작은 물체보다 두 배 높아야 합니다.

 

그림 3: 나이퀴스트 샘플링.

 

첫 번째 예에서 카메라 센서 픽셀은 개체보다 작지만 세부 사항을 완전히 확인할 수 없으므로 이미지가 거짓이 됩니다. Nyquist 샘플링을 사용하면 센서 픽셀의 크기가 절반이므로 두 배의 속도로 샘플링 할 수 있으며 샘플 내의 세부 사항이 해결됩니다.

 

Nyquist 샘플링 아래에서 작동하는 것을 언더샘플링이라고 하고 그 이상에서 작동하는 것을 오버샘플링이라고 합니다. 일반적으로 Nyquist에 최적화된 이미지를 만드는 것이 가장 좋습니다. 운 좋게도 카메라 회사는 대부분의 연구원이 표준 배율(20x, 40x, 60x 및 100x가 일반적으로 생명 과학 분야에서 사용됨)을 사용하여 이미지를 촬영한다는 사실을 알고 있습니다. 카메라 픽셀 크기가 매우 구체적인 이유 중 하나는 특정 배율까지 일치하기 때문입니다.

 

20x 또는 40x에서의 이미징은 ~4 µm 픽셀과 일치합니다(40x에서 ~100 nm).

60x에서의 이미징은 6.5 µm 픽셀과 일치합니다(60x에서 108 nm).

100x에서의 이미징은 11 µm 픽셀과 일치합니다(100x에서 110 nm).

 

따라서 일반적으로 60x 배율을 사용하여 샘플을 가장 잘 캡처하는 경우 최상의 해상도를 얻으려면 6.5µm 픽셀이 있는 카메라와 일치해야 합니다. 이 조합은 Nyquist에 최적화되어 미세한 세부 사항을 해결할 수 있습니다.

 

일부 이미징 시스템은 아마도 카메라가 현미경에 부착되는 마운트에서 추가 광학 및 렌즈를 사용한다는 점을 염두에 두십시오. 이미지 품질은 최악의 렌즈만큼만 좋을 것이며 시스템의 해상도는 최악의 구성 요소에 의해 제한됩니다. Nyquist에 근접하려면 카메라와 현미경의 해상도가 일치해야 합니다.