Per rispondere a queste domande, è importante avere una conoscenza di base sui principi di ottica e sulle loro applicazioni nella visione industriale. Le ottiche standard vengono generalmente classificate in base a lunghezza focale e diaframma, anche se esistono altre caratteristiche importanti che devono essere valutate nella scelta di un’ottica..

Occorre inoltre valutare il modo in cui la risoluzione di ottica/telecamera influisce sul contenuto informativo dell’immagine generata, e pertanto sul tipo di elaborazione necessaria per l’immagine. Ad esempio, una telecamera con un numero maggiore di pixel produce un’immagine più grandee quindi richiede maggiore tempo di elaborazione a parità di algoritmi. Ma se l’ottica non arriva alla risoluzione dei singoli pixel, questa elaborazione aggiuntiva non genera alcuna informazione supplementare.

Bright fieldanddark fieldmicroscopy PDF

DIC creates contrast in a specimen by creating a high-resolution image of a thin optical section. With differential interference contrast microscopy, two closely spaced parallel rays are generated and made to interfere after passing through an unstained sample. The background is made dark and the interference pattern is particularly sharp at boundaries. Specimens will appear really bright in contrast to the dark background.

Dark fieldillumination

È essenzialmente uguale all’attacco passo C, ma con una lunghezza focale di flangia più corta (di 5 mm). Viene utilizzato prevalentemente in applicazioni in spazi ridotti dove servono telecamere quanto più possibile compatte.

L’aberrazione sferica è un tipo di distorsione che si verifi ca nelle ottiche provviste di lenti sferiche. Le lenti sferiche non focalizzano la luce in un unico punto, ma la diffondono, creando un’immagine che appare sfuocata. Questo problema può essere risolto con l’uso di lenti asferiche che focalizzano la luce correttamente. L’immagine seguente illustra il principio di funzionamento delle lenti asferiche.

È il tipo di attacco più diffuso nelle applicazioni di visione industriale, con una vasta gamma di ottiche e accessori disponibili.

L’iride regolabile all’interno delle ottiche prevede normalmente incrementi fissi di 1.0, 1.4, 2.0, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22. Ogni incremento rappresenta una riduzione della quantità di luce che passa attraverso l’ottica pari al 50%.

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Per proiettare l’immagine corretta sul sensore, la telecamera richiede un’ottica adeguata. Non tutte le ottiche hanno la stessa qualità e molte non sono adatte alla visione industriale. La qualità dell’ottica diventa fondamentale quando sono necessarie immagini ad alta risoluzione, in particolare nelle applicazioni industriali e scientifiche che effettuano misurazioni, riconoscimenti o comparazioni geometriche. La qualità degli elementi di vetro interni di un’ottica è determinante per la bontà dell’immagine prodotta.

Dark field vs bright field microscopy: Bright field microscopy uses the most basic and the common type of optical microscope. Bright field microscopes usually have many components and the light sources used are either a halogen lamp or LED. This type of microscope tends to have low contrast owning to the biological samples transmitting most of the light. Staining if often required to combat this problem, which comes with the disadvantage that live imaging is difficult due to staining killing the cells. Dark field microscopy is generally preferred therefore over light field. With a dark field microscope a special aperture is used to focus incident light meaning the background stays dark. The light does not pass directly through the sample being studied. Instead light is reflected off the specimen, making it appear to be emitting light. Brightfield microscopy shows clear magnification while the dark field image shows minute details.

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Esistono altri fattori da considerare, ad esempio il fatto che l’MTF peggiora allontanandosi dall’asse centrale dell’ottica verso i bordi del sensore. Questo deterioramento può essere nell’ordine delle due o tre volte, pertanto è importante valutare se è necessario avere una risoluzione costante su tutta l’immagine e si possono accettare distorsioni dell’oggetto inquadrato ai bordi dell’immagine. La capacità di risoluzione delle ottiche è di grande importanza nella visione industriale. Il fattore più importante da valutare per l’abbinamento di un’ottica e una telecamera digitale è che la prima sia in grado di gestire una risoluzione fi no ai singoli pixel del sensore della telecamera. La dimensione del pixel varia da telecamera a telecamera, in base alla risoluzione del sensore (numero di pixel) e alle sue dimensioni. Più piccoli sono i pixel, maggior sarà la risoluzione richiesta all’ottica. La risoluzione ottica richiesta può essere calcolata attraverso la formula seguente:

ioLight has invented a portable microscope, with a resolution of better than 1μm, which produces beautiful pictures of animal and plant cells and displays them directly onto your tablet or mobile phone.

Il termine “distorsione” indica un’alterazione nella rappresentazione geometrica di un oggetto sul piano dell’immagine. Ad esempio, un rettangolo può assumere la forma di un “cuscino” o di un “barile”. La prima è una distorsione di tipo “positivo”, la seconda è di tipo “negativo”. La distorsione dell’immagine può causare seri problemi nella visione industriale. Se infatti è necessario effettuare delle misure sull’oggetto, è fondamentale che l’immagine sia una riproduzione fedele dell’oggetto stesso. A volte è possibile realizzare una piccola correzione della distorsione attraverso algoritmi di compensazione che sono però costosi dal punto di vista computazionale. Pertanto è molto importante valutare le proprietà di distorsione di un’ottica prima di adottarla nel proprio sistema di visione. Normalmente la distorsione viene indicata con una percentuale.

Le dimensioni dei sensori delle telecamere sono indicate in unità imperiali, ma non corrispondono esattamente alle dimensioni fi siche reali del sensore, in quanto si tratta di “formati” ereditati dall’era pre-digitale quando molte telecamere utilizzavano tubi a vuoto.

Tanto più chiuso è il diaframma, tanto maggiore sarà la profondità di campo. Teoricamente, una telecamera con un’apertura infinitamente piccola ha una profondità di campo infinita, ma richiede una quantità di luce infinita. Nella pratica, si deve sempre trovare il giusto compromesso fra luce e apertura del diaframma per ottenere una profondità di campo accettabile.

L’apertura relativa di un’ottica (indicata anche come f-stop o f-number) indica la quantità di luce massima che può passare attraverso l’ottica. Il numero f di un’ottica viene definito come il rapporto fra la lunghezza focale dell’ottica e il diametro di apertura massima del diaframma, regolato attraverso un’iride all’interno dell’ottica. In pratica, tanto più ampio è il diametro fisico della combinazione ottica/iride, tanto più piccolo è il valore f, e tanto più grande sarà la quantità di luce che passa attraverso l’ottica: il risultato è quello di poter lavorare con minore quantità di luce. Le ottiche con numeri f molto bassi sono costituite da lenti grandi e quindi costose.

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Phase contrast microscopes were invented to combat the problem of live cell study with a bright field microscope. Phase contrast microscopy is an optical microscopy technique in which phase shift is converted into change in amplitude/intensity of light. The phase shifts when light travels through dense medium and its velocity decreases, concurrently there is a shift in the phase. When the two waves meet at a certain point it will result in a destructive interference, decreasing amplitude and thereby density. Phase contrast microscopy is useful for looking at specimens that are both colourless and transparent.

La distorsione dell’ottica è causata dalla rifrazione della luce nel vetro della lente. Poiché le lenti non sono composte da un vetro con spessore uniforme e le superfici non sono piatte, la rifrazione varia nelle diverse aree della lente, raggiungendo solitamente i livelli massimi lungo i bordi. L’effetto è particolarmente evidente negli obiettivi a grandangolo (con lunghezza focale corta), che possono presentare distorsioni periferiche notevoli. Nelle ottiche di alta qualità la distorsione viene limitata attraverso l’uso di lenti multistadio, anche se non esiste un’alternativa ai grandangoli per applicazioni di misura.

The light microscope, or optical microscope, is a microscope that uses visible light and a system of lenses to magnify images. These days there are many complex designs of them which have been developed with the aim of improving resolution and sample contrast.

This type of microscope was developed in response to drawbacks with fluorescence microscopes (principally that they use high intensity UV light which means the samples are continuously exposed to it, causing photo bleaching and blurring in some samples). Two major modifications were made to address this downside: use of laser light instead of mercury arch lamp and images taken using a digital camera with a pin hole. The pin hole functions to allow light of only one focal plane to be focused on the digital camera. A laser beam focused and scanned over the sample produces 3D and 2D images therewith.

Questo valore viene usato per classificare le ottiche macro e microscopiche, ma può essere riferito all’ingrandimento di qualsiasi tipo di ottica, poiché determina il campo di vista (FOV) di una telecamera. L’ingrandimento è una funzione delle caratteristiche dell’ottica e della distanza dell’oggetto. Fare riferimento al diagramma successivo per calcolare il rapporto fra FOV, distanza di lavoro e lunghezza focale dell’ottica.

Gli attacchi da 42, 58 e 72 mm sono meno diffusi degli altri e vengono utilizzati prevalentemente per applicazioni lineari o ad altissima risoluzione.

L’ottica ideale dovrebbe produrre un’immagine che corrisponde perfettamente all’oggetto, completa di tutti i dettagli, le variazioni di luminosità e senza produrre distorsioni. Nella pratica ciò non è possibile, poiché tutte le ottiche hanno un effetto di filtro passa-basso. L’attenuazione di una data frequenza (o dettaglio) viene classificata come funzione di trasferimento della modulazione (MTF), che fornisce un’indicazione dell’efficienza di trasferimento dell’ottica. In breve, le strutture più grandi, ad esempio linee ben distanziate, vengono generalmente trasferite con un contrasto relativamente buono. Le strutture più piccole, come le linee fitte e sottili, non vengono trasferite altrettanto bene.

Bright fieldlighting

È il sistema di attacco delle telecamere SLR della Nikon. In virtù del suo formato grande, viene normalmente utilizzato con telecamere lineari e ad alta risoluzione

Lo standard più diffuso per le telecamere industriali è l’attacco passo C, ma esistono altri tipi di attacchi, come ad esempio il passo CS usato principalmente nei sistemi TV a circuito chiuso (CCTV). Per telecamere con sensori più grandi e telecamere lineari ad alta risoluzione si utilizzano principalmente attacchi passo F (standard Nikon), 42 mm, 58 mm e 72 mm. Le figure seguenti mostrano le differenze fra i diversi tipi di attacchi. È importante notare come sia possibile montare un’ottica con attacco C su una telecamera con attacco CS, aggiungendo un tubo di estensione di 5 mm. Al contrario, montando un’ottica con attacco CS su una telecamera con attacco C non sarà possibile regolare la messa a fuoco..

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I tubi di estensione possono essere montati su ottiche standard per ottenere un campo di vista specifico, ma l’operazione determina una serie di alterazioni.

A polarising microscope is an optical microscope composed of a detector, lenses and polarising filters. Its process includes illumination of the sample with polarised light and is useful for better visualisation and understanding of birefringent materials (materials that have two different refractive indices). This microscope is operated through the use of a polarized filter can be turned and fixed in the light path beneath the specimen, usually below the stage. This particular device is known for its anti-reflective properties which is deemed essential for deep analysis of an isotropic particles that requires high integrity of light transmission.

La maggior parte delle ottiche è provvista di una ghiera per la regolazione della messa a fuoco. Questa ghiera in realtà non modifica la distanza focale, bensì regola il “back focus” (la distanza effettiva fra il sensore e il piano focale della lente), permettendo di mettere a fuoco oggetti a varie distanze. Il montaggio dell’ottica rispetto al piano dell’immagine (sensore) è determinante ed esistono diversi sistemi di riferimento per garantire il corretto posizionamento dell’ottica.

La vignettatura è causata dalle parti meccaniche interne dell’ottica che bloccano i raggi luminosi; le ottiche di alta qualità sono meno soggette alla vignettatura. Come mostra l’immagine a fianco, gli effetti della vignettatura possono essere ridotti usando un’ottica più grande, in modo tale che questo effetto venga proiettato al di fuori dell’area del sensore.

È importante considerare il sistema nel suo insieme quando si specifica la risoluzione. Molte telecamere megapixel moderne usano sensori di piccole dimensioni per ridurre i costi. Questi sensori hanno però pixel molto piccoli e, pertanto, hanno bisogno di ottiche di qualità superiore, quindi più costose, per compensare la minor dimensione dei pixel. A volte può essere vantaggioso scegliere una telecamera megapixel più costosa, con pixel più grandi, che richiede ottiche meno sofisticate.

Nella maggior parte delle applicazioni di visione si impiegano ottiche a lunghezza focale fissa mentre le ottiche con zoom (motorizzato o manuale) sono poco utilizzate in quanto le parti mobili rendono difficile, se non addirittura impossibile, ottenere misure ripetibili. Le ottiche a fuoco fisso sono inoltre ideali per le applicazioni di visione in quanto i pezzi vengono solitamente presentati alla telecamera in una posizione sostanzialmente invariabile e ad una distanza fissa dalla telecamera.Esistono molti produttori di ottiche che forniscono diversi tipi di obiettivi.

Tutte le immagini acquisite con ottiche presentano una variazione di intensità dal centro verso la periferia. Poiché questo fenomeno può influire sull’idoneità di un’ottica per una determinata applicazione, spesso è necessario analizzare le prestazioni dell’ottica in relazione a questo effetto, detto vignettatura.

Le ottiche standard sono generalmente progettate per mettere a fuoco oggetti da infinito a una distanza minima di messa a fuoco (MOD), normalmente limitata dalla corsa meccanica della lente. È possibile ridurre il valore della distanza MOD mediante l’uso di tubi di estensione che vengono interposti fra la telecamera e l’ottica, aumentando così la lunghezza focale di flangia. Questo metodo viene utilizzato anche per restringere il campo di vista (FOV) di un’ottica.

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I tubi di estensione sono molto utili ma devono essere usati solo se necessario. È preferibile scegliere ottiche di qualità superiore studiate per lavorare a distanze più ridotte, evitando così di degradare l’immagine.

Fluorescence microscopy is done with an optical microscope that uses a mercury arch lamp as a source of UV light. The microscope will also comprise excitation filter, dichromatic mirror and an emission filter. Fluorescence, used to observe the specimen, begins where a molecule absorbs light of high frequency and emits light of lower frequency. Fluorescence microscopy uses reflected light. In a fluorescence microscope the light source travels in a different trajectory than in the basic light microscope. An advantage of fluourescence microscopy is that it can be used to detect and visualise multiple fluorescent molecules e.g. cells glowing as they are doing their work. iOLight sell a microscope for mobile digital fluorescence microscopy, which is also great for field microscopy uses.

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Ogni standard prevede una determinata posizione del sensore (piano dell’immagine) rispetto all’attacco dell’ottica: tale posizione viene definita come distanza focale della flangia. La lunghezza focale f di un’ottica è la misura (solitamente in mm) della distanza fra il centro ottico dell’obiettivo e il piano dell’immagine. La luce che parte da un oggetto all’infinito interseca l’asse ottico dell’obiettivo nel punto focale f. Nelle telecamere per sistemi di visione, come in qualsiasi telecamera, il sensore coincide con il piano dell’immagine (punto focale) dell’ottica.

Fluorescence microscopy is done with an optical microscope that uses a mercury arch lamp as a source of UV light. The microscope will also comprise excitation filter, dichromatic mirror and an emission filter. Fluorescence, used to observe the specimen, begins where a molecule absorbs light of high frequency and emits light of lower frequency. Fluorescence microscopy uses reflected light. In a fluorescence microscope the light source travels in a different trajectory than in the basic light microscope. An advantage of fluourescence microscopy is that it can be used to detect and visualise multiple fluorescent molecules e.g. cells glowing as they are doing their work. iOLight sell a microscope for mobile digital fluorescence microscopy, which is also great for field microscopy uses.

Per qualsiasi ottica, all’aumentare della frequenza spaziale, esiste un punto in cui la modulazione è pari a zero. In termini semplici, questo limite viene definito limite di risoluzione, o capacità di risoluzione dell’ottica, e viene normalmente indicato in coppie di linee per millimetro (lp/mm) oppure, nel caso di alcune ottiche macro, come dimensione minima della linea in μm.