デジタル顕微鏡

デジタル顕微鏡は、従来の光学顕微鏡のバリエーションで、光学系とデジタルカメラを使用して、コンピュータ上で実行されるソフトウェアによって画像をモニターに出力します。デジタル顕微鏡には、独自のLED光源が内蔵されていることが多く、接眼レンズを通してサンプルを直接観察する機能がない点で光学顕微鏡とは異なります。画像はデジタル回路に焦点が当てられるため、システム全体がモニター画像用に設計されています。人間の目のための光学系は省略されています。

デジタル顕微鏡には、通常は安価なUSB デジタル顕微鏡から、数万ドルもする高度な産業用デジタル顕微鏡まで、さまざまな種類があります。低価格の市販顕微鏡は、通常、照明用の光学系 (ケーラー照明や位相差照明など) を省略しており、マクロ レンズ付きのウェブカメラに似ています。光学顕微鏡には、デジタル カメラを取り付けることもできます。

初期のデジタル顕微鏡は、 1986年に東京の会社（現在は株式会社ヒロックスとして知られている）によって作られました。 [ 1 ]^これには、コンピュータに接続されたコントロールボックスとレンズが含まれていました。コンピュータへの最初の接続は、Sビデオ接続を介したアナログでした。時が経つにつれて、デジタルカメラからの大量のデジタル情報を処理するため、その接続はFireWire 800に変更されました。2005年頃、コンピュータを必要とせず、モニタとコンピュータが内蔵された高度なオールインワンユニットが導入されました。その後、2015年後半に、USB接続の速度と長寿命を活用し、再びコンピュータは別個であるが、USB 3.0でコンピュータに接続されたシステムをリリースしました。このシステムは、ケーブルの数とユニット自体の物理的サイズが削減され、以前のモデルよりもはるかにコンパクトになりました。

USBポートの発明により、品質と倍率の異なるさまざまなUSB 顕微鏡が誕生しました。特に従来の光学顕微鏡と比べると、価格は下がり続けています。高解像度の画像を提供し、通常はコンピューターに直接記録され、内蔵 LED 光源にもコンピューターのパワーが使われます。解像度は、特定のモデルで利用できるメガピクセル数に直接関係しており、1.3 MP、2 MP、5 MP 以上となっています。

実体顕微鏡とデジタル顕微鏡の主な違いは倍率です。実体顕微鏡では、倍率は接眼レンズの倍率と対物レンズの倍率を掛けて決定されます。デジタル顕微鏡には接眼レンズがないため、この方法では倍率を見つけることはできません。代わりに、デジタル顕微鏡の倍率は、もともと 15 インチ モニターでサンプルが何倍大きく再現されるかによって決定されていました。モニターのサイズは変化しましたが、使用されるカメラ チップの物理的なサイズは変化していません。その結果、倍率の数値と視野は、使用するモニターのサイズに関係なく、元の定義と同じです。光学顕微鏡とデジタル顕微鏡の倍率の平均的な差は約 40% です。したがって、実体顕微鏡の倍率は通常、デジタル顕微鏡の倍率よりも 40% 小さくなります。^[要出典]

デジタル顕微鏡では画像が CCD カメラに直接投影されるため、実体顕微鏡よりも高品質の画像を記録することが可能です。実体顕微鏡のレンズは目の光学系に合わせて作られています。実体顕微鏡に CCD カメラを取り付けると、接眼レンズを犠牲にした画像になります。デジタル顕微鏡ではモニター画像と記録画像の品質が高くなりますが、顕微鏡の用途によってどちらの顕微鏡が適しているかが決まる場合があります。^{[引用が必要]}

顕微鏡用デジタル接眼レンズ ソフトウェアには、位相差観察、明視野および暗視野観察、顕微鏡写真、画像処理、μm 単位の粒子サイズ測定、病理レポートおよび患者管理、顕微鏡写真、移動ビデオの記録、描画およびラベル付けなどの多目的機能を提供する幅広いオプション アクセサリが含まれています。

一般的な 2 メガピクセル CCD では、1600×1200 ピクセルの画像が生成されます。画像の解像度は、カメラで使用されるレンズの視野角によって異なります。おおよそのピクセル解像度は、水平視野角(FOV) を 1600 で割ることで算出できます。

解像度の向上は、サブピクセル画像を作成することで実現できます。ピクセル シフト方式では、アクチュエータを使用して CCD を物理的に動かし、複数の重なり合った画像を撮影します。顕微鏡内で画像を組み合わせることで、サブピクセル解像度を生成できます。この方法ではサブピクセル情報が得られますが、標準画像を平均化することも、サブピクセル情報を提供する実証済みの方法です。

高性能のデジタル顕微鏡システムのほとんどは、サンプルを 2D で測定する機能を備えています。測定は、ピクセル間の距離を測定することで画面上で行われます。これにより、長さ、幅、対角線、円などの測定が可能になります。粒子をカウントできるシステムもあります。

デジタル顕微鏡では、画像のスタッキングによって 3D 測定が行われます。システムはステップ モーターを使用して、視野内の最も低い焦点面から最も高い焦点面まで画像を撮影します。次に、これらの画像をコントラストに基づいて 3D モデルに再構成し、サンプルの 3D カラー画像を作成します。これらの 3D モデルから測定を行うことができますが、その精度はステップ モーターとレンズの被写界深度によって決まります。

2D および 3D タイリング (ステッチングまたはパノラマ作成とも呼ばれる) は、より高度なデジタル顕微鏡システムで実行できるようになりました。2D タイリングでは、XY ステージを移動することで、画像がリアルタイムでシームレスに自動的にタイリングされます。3D タイリングでは、2D タイリングの XY ステージ移動と 3D 測定の Z 軸移動を組み合わせて、3D パノラマを作成します。

デジタル顕微鏡には、USB コネクタを介してコンピューターに接続する 20 ドル程度の安価なものから、数万ドルもするものまであります。これらの高度なデジタル顕微鏡システムは通常、自己完結型で、コンピューターを必要としません。^{[引用が必要]}

USB 経由で接続する安価な顕微鏡の中には、スタンドがないものや、クランプ式のジョイントが付いたシンプルなスタンドが付いているものもあります。これらは本質的には、小さなレンズとセンサーを備えた非常にシンプルなウェブカメラで、レンズにそれほど近くない被写体を見るのに使用できます。非常に近い距離で焦点を合わせることができるように機械的に配置されています。倍率は通常、10 倍から 200 ～ 400 倍までユーザーが調整できると言われています。^[要出典]

コンピュータに接続するデバイスを操作するにはソフトウェアが必要です。基本的な操作には、顕微鏡画像の表示と「スナップショット」の記録が含まれます。より高度な機能は、より単純なデバイスでも実行でき、動画の記録、タイムラプス写真、測定、画像強調、注釈などが含まれます。コンピュータに接続するより単純なユニットの多くは、標準のオペレーティング システム機能を使用しており、デバイス固有のドライバーは必要ありません。この結果、さまざまな顕微鏡ソフトウェア パッケージをさまざまな顕微鏡で相互に使用できますが、そのようなソフトウェアは、より高度なデバイスに固有の機能をサポートしていない場合があります。基本的な操作は、コンピュータのオペレーティング システムの一部として含まれているソフトウェアで実行できる場合があります。Windows XP では、特別なドライバーを必要としない顕微鏡の画像は、コントロール パネルの「スキャナーとカメラ」から表示および記録できます。^{[引用が必要]}

より高度なデジタル顕微鏡ユニットには、標準的な光学顕微鏡と同様に、顕微鏡を保持し、ラックを上下に動かすことができるスタンドがあります。ステップモーターと自動ステージを使用することで、3次元すべてで調整された動きが可能です。解像度、画像品質、ダイナミックレンジは価格によって異なります。ピクセル数が少ないシステムは、フレームレートが高く（30fps〜100fps）、処理が高速です。処理が高速であることは、HDR（ハイダイナミックレンジ）などの機能を使用する場合にわかります。汎用顕微鏡に加えて、特定のアプリケーションに特化した機器が製造されています。これらのユニットは、最大0〜10,000倍の倍率範囲を持ち、オールインワンシステム（コンピューター内蔵）またはデスクトップコンピューターに接続できます。また、画像の品質だけでなく、機能やシステム構造の品質も安価なUSB顕微鏡とは異なり、これらのタイプのシステムはより長い寿命をもたらします。^{[引用が必要]}

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