[Pixelgröße] Eine der wichtigsten Kameraspezifikationen zur Optimierung der Bildgebung.

Die Pixelgröße einer Kamera bezeichnet die physikalischen Abmessungen (Breite und Höhe) jedes einzelnen Pixels auf dem Kamerasensor und wird typischerweise in Mikrometern (μm) gemessen. Sie ist eine entscheidende Spezifikation, die sowohl die Empfindlichkeit der Kamera als auch ihre Fähigkeit, feine Details zu erfassen, beeinflusst. Die Bildpixelgröße (die sich aus der Sensorpixelgröße und der Vergrößerung des optischen Systems ergibt) spielt jedoch eine direktere Rolle bei der Bestimmung vieler Abbildungseigenschaften.

 

1. Die Beziehung zwischen Sensorpixelgröße und Bildpixelgröße

 

Sensorpixelgröße vs. Bildpixelgröße:

 

Die Sensorpixelgröße entspricht der physikalischen Größe eines einzelnen Pixels auf dem Sensor. Die Bildpixelgröße ergibt sich jedoch aus der Sensorpixelgröße dividiert durch die Systemvergrößerung.

Die Vergrößerung des optischen Systems (die durch die optischen Komponenten wie Linsen oder Mikroskopobjektive bestimmt wird) spielt eine entscheidende Rolle für die effektive Bildpixelgröße.

 

Auswirkungen optischer Systeme:

 

Systeme mit fester Brennebene (z. B. Mikroskopobjektive) vs. fokussierbare Systeme (z. B. herkömmliche Kameraobjektive):

Bei Systemen mit fester Brennebene steht die Pixelgröße in direktem Zusammenhang mit der Vergrößerung; größere Pixel können mehr Licht sammeln und bieten somit eine höhere Lichtempfindlichkeit.

Bei fokussierbaren Systemen kann die Vergrößerung durch Ändern des Abstands zum Motiv oder durch Verwendung von Zoomobjektiven angepasst werden, was wiederum die effektive Bildpixelgröße verändert.

 

2. Empfindlichkeit und Pixelgröße

 

Größere Pixel und höhere Empfindlichkeit:

 

Größere Pixel können mehr Licht einfangen und so die Lichtempfindlichkeit der Kamera verbessern, insbesondere bei schwachem Licht.

Analogie: Größere Pixel sind wie ein Eimer im Vergleich zu einem Becher zum Auffangen von Regenwasser – die größere Fläche sammelt mehr Photonen, was die Empfindlichkeit erhöht.

Wenn sich beispielsweise die Größe eines Pixels sowohl in X- als auch in Y-Richtung verdoppelt, vervierfacht sich die Pixelfläche, was bedeutet, dass es viermal so viele Photonen einfangen kann.

 

Vorteile der Bildgebung bei schwachem Licht:

 

Durch die Vergrößerung der Pixel wird die Fähigkeit der Kamera, schwache Lichtsignale zu erfassen, deutlich verbessert, wodurch die erforderliche Belichtungszeit bzw. die Lichtstärke reduziert wird.

 

3. Pixelgröße vs. Bildauflösung

 

Kompromiss bei der Auflösung:

 

Größere Pixel können zwar die Lichtempfindlichkeit verbessern, aber auch die Fähigkeit verringern, feine Details aufzulösen.

Beispiel: Ein 1 μm großes Pixel hat Schwierigkeiten, Details aufzulösen, die kleiner als 2 μm sind, da die benachbarten Strukturen ineinander verschwimmen.

Der Grad der Pixelierung nimmt mit zunehmender Pixelgröße zu, was bedeutet, dass feinere Details im Bild undeutlich werden.

 

Einschränkungen des optischen Systems:

 

Die Auflösung des optischen Systems ist ebenfalls ein begrenzender Faktor für die Darstellung feiner Details. Jedes optische System hat eine Grenze, ab der eine Verkleinerung der Pixelgröße die Auflösung nicht mehr verbessert, sondern die Empfindlichkeit verringert.

Bei Systemen, die auf Mikroskopobjektiven basieren, bestimmt in erster Linie die numerische Apertur (NA) diese Auflösungsgrenze.

 

4. Anpassung der Pixelgröße an das optische System

 

Ideale Pixelgröße für Mikroskope mit hoher numerischer Apertur:

 

Eine Kamera mit einer Pixelgröße von 6,5 μm passt ideal zu 60x-Mikroskopobjektiven mit hoher numerischer Apertur.

Kameras mit 10 oder 11 μm großen Pixeln eignen sich am besten für 100-fache Objektive mit hoher numerischer Apertur.

Größere Pixel können eine höhere Empfindlichkeit erzielen, kleinere Pixel verbessern jedoch nicht unbedingt die Detailauflösung; sie sind nur dann nützlicher für die Erfassung feinerer Bilddetails, wenn das optische System eine solche Auflösung unterstützen kann.

 

5. Fazit: Die richtige Balance zwischen Pixelgröße, Empfindlichkeit und Auflösung finden

 

Kompromiss bei der Pixelgröße:

Größere Pixel eignen sich besser für Aufnahmen bei schwachem Licht und verbessern die Empfindlichkeit, gehen aber auf Kosten der Fähigkeit, feine Bilddetails aufzulösen.

Kleinere Pixel verbessern zwar die Bildauflösung, können aber die Lichtempfindlichkeit verringern, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen.

 

Systemabgleich:

Die ideale Pixelgröße einer Kamera hängt vom verwendeten optischen System ab. Bei Systemen mit höherer Vergrößerung (wie z. B. Mikroskopen mit hoher numerischer Apertur) muss die Pixelgröße mit dem Auflösungsvermögen des optischen Systems und der beabsichtigten Bildgebungsanwendung in Einklang gebracht werden.