Viele Wissenschaftler und Laboranten erwarten von mikroskopischen Bildern, dass sie genau die Farben zeigen, die sie durch ihre Okulare sehen. Pathologen beispielsweise nutzen Farben, um Gewebe zu erkennen, während den Zytologen eine Papanicolaou-Färbung hilft, Zelltypen anhand von Farbunterschieden auseinanderzuhalten.

Wie also lässt sich die Farbwahrnehmung des menschlichen Auges in mikroskopischen Bildern nachahmen? Dazu muss zunächst klar sein, wie sich die Farbwahrnehmung des menschlichen Auges von der Farbdarstellung durch Mikroskopkameras und Monitore unterscheidet.

Unser heutiger Blogartikel befasst sich damit, wie die menschliche Farbwahrnehmung funktioniert und wie sie mit Kameratechnologie von Olympus für die Mikroskopie reproduziert werden kann.

Die Entwicklungsgeschichte des menschlichen Auges – weshalb wir nachts keine Farben sehen können

Im menschlichen Auge gibt es zwei verschiedene Arten von Lichtsinneszellen: Stäbchen und Zapfen. Stäbchenzellen sind empfindlicher als Zapfenzellen und ermöglichen das Sehen bei schwachem Licht und in der Nacht. Der Mensch hat etwa 20 Mal so viele Stäbchenzellen wie Zapfenzellen, möglicherweise, weil unsere Vorfahren viel Zeit wach im Dunkeln verbrachten. Da diese Zellen jedoch keine Farben unterscheiden können, hat das menschliche Auge Schwierigkeiten, nachts Farben zu erkennen.

Zapfenzellen dagegen sind nicht in der Lage, schwaches Licht zu erkennen, können aber Farben identifizieren. Damit dies funktioniert, gibt es drei verschiedene Arten von Zapfen:

• L-Zapfen für die Erkennung von längerwelligem Licht
• M-Zapfen für die Erkennung von Licht mittlerer Wellenlänge
• S-Zapfen für die Erkennung von kürzerwelligem Licht

Die Evolution des Sehvermögens

Unsere Vorfahren hatten ursprünglich vier Arten von Zapfen: für ultraviolettes (UV) sowie für blaues, grünes und rotes Licht. Fische und Vögel sehen heute immer noch in diesem breiten Wellenlängenbereich. Nachdem jedoch unsere Vorfahren die Zapfen für UV- und grünes Licht zunächst verloren hatten, kamen infolge einer Mutation der L-Zapfen die M-Zapfen für die Wahrnehmung von grünem Licht dazu.

Diese bessere Farbauflösung hat unseren Vorfahren möglicherweise das Sammeln von Nahrung bei Tageslicht erleichtert. Unsere Evolutionsgeschichte hat also zur jetzigen spektralen Empfindlichkeit unseres Auges geführt, die in der folgenden Tabelle dargestellt ist. Es ist gut erkennbar, dass M- und L-Zapfen nahe beieinander liegende Wellenlängen erkennen, da sich die M-Zapfen aus den L-Zapfen entwickelt haben.

Abb. 1 Spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges (die Empfindlichkeit der einzelnen Peaks wurde normalisiert)

Nachahmung des menschlichen Sehvermögens mit einer Mikroskopkamera

Kamerasensoren, wie zum Beispiel ein ladungsgekoppeltes Halbleiterelement (charge-coupled device, CDD) oder ein komplementärer Metalloxidhalbleiter (complementary metal-oxide semiconductor, CMOS) mit einem Bayer-Filter weisen dagegen eine andere spektrale Empfindlichkeit auf, wie in der folgenden Tabelle gezeigt. Ebenso kann ein PC-Monitor, dessen Lichtspektrum auf einem RGB-Signal basiert, ein Spektrum nicht so darstellen, wie es von einer physischen Probe ausgeht. Olympus Kameras nutzen eine spezielle Behandlung, um die Farben, die das menschliche Auge sieht, auf einem Computermonitor wiederzugeben.

Abb. 2 Spektrale Empfindlichkeit eines Kamerasensors

Wie Mikroskopkameras eine genaue Farbwiedergabe ermöglichen

Die meisten Kamerasensoren sind auch im Bereich über 700 nm empfindlich, was dazu führt, dass die aufgenommenen Bilder durch das Infrarotlicht rötlich aussehen. Da das menschliche Auge IR- oder IR-nahes Licht nicht wahrnimmt, haben Farbkameras einen Infrarot(IR)-Sperrfilter. Außerdem wird eine spezielle Bildverarbeitungstechnik für die Mikroskopie eingesetzt. Diese wandelt Signale vom Sensor in Bilddaten um, die auf einem Monitor angezeigt werden können und die Reaktionsfähigkeit menschlicher Zapfenzellen imitieren. (Abb.  3).

Dies ist leichter gesagt als getan, denn bei diesem Prozess müssen das Beleuchtungsspektrum des Mikroskops sowie auch die spektralen Eigenschaften von Probe, Farbstoffen, Farben, Kamera und PC-Monitor klar sein und berücksichtigt werden. Auf der Grundlage unserer Mikroskopdaten und der Kenntnis der Proben, die in der Biologie häufig untersucht werden, konnten wir jedoch Farbwiedergabetechniken für unsere Mikroskopkameras entwickeln.

Dank dieser Technologie können wir eine breite Palette von Mikroskopkameras mit hervorragender Farbwiedergabe anbieten. Nutzen Sie unser Tool zur Kameraauswahl, um die beste Kamera für Ihre Anwendung zu finden.

Abb.  3 Farbwiedergabetechnik von Olympus zur Nachahmung des Farbwahrnehmung des menschlichen Auges

 

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