천문학에 큰 것부터 미세하게 작은 것까지
저조도 현미경과 천문학의 역동적인 영역에서는 속도 저하 없이 넓은 시야각과 고해상도를 추구하면서 이미징 기술의 진화를 주도하고 있습니다. Oxford Instruments는 과학자들에게 최첨단 카메라를 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 현미경을 포함한 여러 가지 다양한 애플리케이션을 위해 제작되었으며 천문학 분야에서 10년간 쌓아온 전통을 바탕으로 한 First Light Imaging의 Andor CB2 24B를 소개합니다.
Why Andor CB2 24B?
Scientific CMOS camera |
Read the Specification Sheet for more information.
넓은 영역에 걸쳐 작은 픽셀 피치를 제공하는 소니의 CMOS IMX530 센서를 중심으로 설계된 Andor CB2 24B 카메라는 넓은 샘플 시야각에서 고감도와 고해상도를 결합한 획기적인 제품입니다. 2x2 온칩 비닝 덕분에 Andor CB2 24B는 판독 노이즈의 두 배 없이 기본 2.74µm 픽셀을 5.78µm로 변환할 수 있는 독보적인 기능을 제공합니다. 장시간 노출이 필요한 실험의 경우, 암전류가 매우 낮은 Andor CB2 24B는 경쟁 제품과 차별화됩니다. 이 카메라는 스티칭/모자이싱의 필요성을 억제하고 고속 스냅샷 이미징이 가능하여 현미경 특징과 역학에 대한 획기적인 고속 광역 시야 라이브 이미징을 지원합니다.
| Main features | |
| Sensor size (W x H) | 5328 x 4608 (24.5 MP) |
| Pixel pitch | 2.74 um (5.48 um with 2x2 on-chip binning) |
| Dynamic range | 80 dB (HDR) |
Speed (full frame, 12-bits) | 74 fps |
| Interface | CoaXPress 2.0 (CXP-12, 4 ports) |
| Readout noise | 1.30 e- RMS |
| Dark current | 0.0015 e-/p/s at -20°C |
| Full well capacity (0 dB) | 9500 e- |
| Mechanical features | |
| Size | H77.5 x W93.0 x L177.5 mm |
| Weight | 1.1 kg |
| Max Power consumption | 60 W |
| Front filter thread | C-/TFL- Mount |
이 카메라는 통합 액체 냉각 회로와 팬 덕분에 -20°C까지 높은 수준의 냉각 성능을 제공합니다. 따라서 생체 발광 생체 내 이미징이나 천문학처럼 노출 시간이 긴 분야에서도 유연하게 카메라를 사용할 수 있습니다. 고속 애플리케이션에서는 센서 안정화 기능을 통해 초점면 위치의 반복 정밀도를 보장합니다.
이 카메라는 퍼스트 라이트 비전 그래픽 사용자 인터페이스와 관련 SDK(C, C++; C#, Python, MATLAB, LabVIEW, Halcon)에 완전히 통합되어 있습니다. 또한 널리 사용되는 현미경 촬영 소프트웨어 플랫폼인 Micromanager에 통합되어 있습니다.
Introduction to Resolution in Microscopy
High resolution fluorescence image of U2-OS cells labeled with phalloidin-AlexiaFluo 568 (actin)
천문학에서와 마찬가지로 현미경의 해상도는 구별할 수 있는 두 점 사이의 최단 거리를 의미합니다. 주로 현미경 해상도와 카메라 해상도라는 두 가지 요소에 의해 결정됩니다.
현미경 해상도는 대물렌즈의 수치 조리개(NA)와 시료의 방출 파장의 함수입니다. 그러나 궁극적으로 510nm(녹색광)에서 약 220nm인 회절 한계에 의해 제한됩니다. 카메라 해상도는 현미경이 해상할 수 있는 것을 감지하는 카메라의 능력으로, 주로 픽셀 크기에 의해 결정되지만 신호 대 노이즈 비율도 해상도 측면에서 중요한 요소입니다.
Fluorescence image of U2-OS cells.
Green : septine. Red : actine.
대물렌즈 배율은 현미경 분해능에 영향을 미치지 않으며, 수치적 조리개만 중요합니다. 100배, 1.30 NA 대물렌즈는 40배 1.30 NA 대물렌즈와 동일한 분해능을 갖습니다. 더 낮은 배율 대물렌즈를 사용하면 시야가 크게 늘어나고, 100배에서 40배로 확대하면 시야가 450% 증가합니다. 이는 왼쪽 그림에 나와 있습니다.
현미경 시스템을 설계할 때 목표는 현미경의 회절 한계 분해능을 센서의 두 픽셀과 맞추는 것입니다. 이를 나이퀴스트 샘플링이라고 하며 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
A small pixel pitch allows for lower magnification to be used which increases the field-of-view, while maintaining the resolution.
Field-of view at the sample level is defined by the equation:
현미경에서 넓은 시야를 포착하는 것은 철저한 표본 분석을 달성하는 데 중요합니다. Andor CB2 24B는 기존의 한계를 뛰어넘어 해상도를 손상시키지 않으면서도 관대한 시야를 제공합니다. 센서 수준에서의 이러한 성과는 현미경학자가 샘플을 인식하고 분석하는 방식을 변화시킬 것입니다.
Use Case #1: From the Astronomically Large…
Context
Andor CB2 24B는 실제 천문 응용 프로그램에서 성능을 평가하기 위해 신중하게 테스트되었습니다. 풀 프레임과 고감도 비닝 모드를 모두 활용하여 Andor CB2 24B 카메라가 고품질 천문 데이터를 캡처하는 기능을 철저히 평가하는 것을 목표로 했습니다. 천문 관측에서 긴 노출 시간은 일반적으로 여러 이미지를 결합하여 달성되며, 50초의 노출이 표준 값입니다.
Methods
이 연구에서는 두 가지 아마추어 천문 관측 장비를 사용하여 냉각형 Andor CB2 24B 카메라의 성능을 철저히 평가했습니다.
Andor CB2 24B prototype coupled to a 102 mm lens
풀 프레임 모드를 테스트하기 위해 Andor CB2 24B는 102mm 사양과 500mm 초점 거리를 특징으로 하는 광학 렌즈에 결합되었습니다. 이미징 시스템은 오른쪽에 나와 있습니다. 렌즈인 APO ED(FCD 100 유리)는 2.4µm/arsec의 하늘 측정 스케일에서 1.6°의 시야각으로 이미지를 캡처하는 데 필요한 구성을 제공했습니다. 즉, 1.16arcsec/픽셀입니다.
비닝 모드를 평가하기 위해 Andor CB2 24B는 코마 보정기와 RAF LRVB 구성과 함께 초점 거리가 1870mm인 406mm 망원경과 페어링되었습니다. 이 설정으로 50분각 시야에서 하늘의 측정 스케일을 9.1µm/초각, 즉 0.6초각/픽셀로 달성할 수 있었습니다.
Results
우리는 넓은 시야에서 천체의 복잡한 세부 사항을 포착하는 Andor CB2 24B 카메라의 다재다능함과 성능을 선보입니다. 이러한 결과는 다양한 관찰 구성에서 Andor CB2 24B 카메라의 뛰어난 이미징 기능을 강조합니다.
A color-composite image of the Pleiades, also known as M45
Andor CB2 24B in full frame mode (45 x 50s exposure)
A black and white image of the M109 galaxy Andor CB2 24B in binning mode (60 x 50s exposure)
Let us now shift our focus from the infinite world of astronomy to the realm of microscopy…
Use Case #2: … to the Microscopically Small
Context
여기에 표시된 작업의 목적은 저배율 현미경을 위한 Andor CB2 24B 카메라의 부가가치를 설명하는 것입니다. 고품질 대물렌즈는 저배율과 큰 수치 조리개를 결합할 수 있습니다. 이 사용 사례에서 현미경 해상도는 작은 점 확산 함수(PSF)를 제공하며, 작은 픽셀 크기는 큰 이점이 될 것입니다.
Large Field-of-View Imaging
U2-OS cells fixed and fluorescently labeled, observed with Andor CB2 24B using a 10x objective with a numerical aperture of 0.45.
Green : septin. Red : actin.
Andor CB2 24B와 함께 10X 대물렌즈를 사용하면 20X보다 단일 획득에서 4배 더 많은 세포를 포착하면서도 더 높은 배율과 표준 대형 픽셀 카메라로 달성하는 것과 비슷한 수준의 전체 정보를 얻기 위해 이미지를 디지털로 확대할 수 있는 기능을 유지합니다. 넓은 샘플 영역에서 형광 신호의 위치와 분포를 결정하고 정량화하는 연구의 경우 저배율 Andor CB2 24B 획득이 주요 관심사입니다.
High Resolution
현미경에서 주류 과학용 sCMOS 카메라는 6.5μm 픽셀 피치를 선보이며, 60배의 배율에서 나이퀴스트 기준을 충족하도록 최적화되었습니다. 수치 조리개가 0.45인 10배 대물렌즈를 사용하는 것은 이러한 카메라에 제한적입니다. 실제로 14μm의 PSF는 2.15픽셀에 불과하며, 이는 이미지의 적절한 샘플링에 필요한 나이퀴스트 기준에 매우 가깝습니다. 이러한 유형의 대물렌즈에 Andor CB2 24B를 사용하면 6.5μm 카메라보다 더 나은 품질의 이미지를 얻을 수 있습니다.
6.5μm 카메라에서 나이퀴스트 기준을 간신히 충족하는 다른 배율의 경우, 접근 가능한 세부 사항 측면에서 Andor CB2 24B를 사용하면 일반적으로 더 나은 이미지를 얻을 수 있습니다.
Fluorescence images of U2-OS cells, actin labeling with phalloidin-AlexaFluor 568. Display of the same areas (zoomed in), showing that details are more visible on the Andor CB2 24B than on a 6.5 μm pixel pitch camera.
Andor CB2 24B |
Conclusion
이 논문에서 보고한 Andor CB2 24B 카메라의 포괄적인 평가는 천문학과 현미경 모두에서 다양한 응용 분야에서 놀라운 다재다능함과 성능을 입증했습니다.
Andor CB2 24B 카메라의 탁월하고 적응력이 뛰어나며 다재다능한 이미징 기능은 특히 현미경에서 잘 드러났습니다. 이 카메라는 광범위한 시야에서 고해상도 이미지를 제공하고 미세한 표본에 대한 자세한 분석과 통계적 탐색을 용이하게 합니다.
천문 관측을 통해 우리는 플레이아데스 성단과 M109 은하의 놀라운 이미지에서 입증된 것처럼 넓은 시야에서 천체의 복잡한 세부 사항을 포착하는 카메라의 능력을 보여주었습니다.
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