2022/02/25Rozmiar piksela w aparacie odnosi się do fizycznych wymiarów (szerokości i wysokości) każdego pojedynczego piksela na matrycy aparatu, zazwyczaj mierzonych w mikrometrach (μm). Jest to kluczowa wartość, która wpływa zarówno na czułość aparatu, jak i jego zdolność do rejestrowania drobnych szczegółów. Jednak rozmiar piksela obrazu (wynikający z rozmiaru piksela matrycy i powiększenia układu optycznego) odgrywa bardziej bezpośrednią rolę w określaniu wielu właściwości obrazu.
1. Związek między rozmiarem piksela czujnika a rozmiarem piksela obrazu
Rozmiar piksela czujnika a rozmiar piksela obrazu:
Rozmiar piksela czujnika to fizyczny rozmiar pojedynczego piksela czujnika. Natomiast rozmiar piksela obrazu jest określany poprzez podzielenie rozmiaru piksela czujnika przez powiększenie systemu.
Powiększenie układu optycznego (określane przez elementy optyczne, takie jak soczewki lub obiektywy mikroskopu) odgrywa kluczową rolę w efektywnym rozmiarze piksela obrazu.
Wpływ systemów optycznych:
Systemy o stałej płaszczyźnie ogniskowej (np. obiektywy mikroskopowe) kontra systemy z regulacją ostrości (np. konwencjonalne obiektywy aparatów fotograficznych):
W układach o stałej ogniskowej rozmiar piksela jest bezpośrednio związany z powiększeniem, a większe piksele mogą zbierać więcej światła, zapewniając większą czułość.
W systemach z regulacją ostrości powiększenie można regulować, zmieniając odległość od obiektu lub używając obiektywów zmiennoogniskowych, co z kolei zmienia efektywny rozmiar pikseli obrazu.
2. Czułość i rozmiar piksela
Większe piksele i czułość:
Większe piksele mogą zbierać więcej światła, co zwiększa czułość aparatu, zwłaszcza w warunkach słabego oświetlenia.
Analogia: Większe piksele są jak wiadro w porównaniu do szklanki do zbierania deszczówki — większa powierzchnia zbiera więcej fotonów, co zwiększa czułość.
Na przykład, jeśli rozmiar piksela podwoi się zarówno w kierunku X, jak i Y, powierzchnia piksela zwiększy się czterokrotnie, co oznacza, że może on zebrać cztery razy więcej fotonów.
Zalety obrazowania przy słabym oświetleniu:
Większy rozmiar pikseli znacznie poprawia zdolność kamery do rejestrowania słabych sygnałów świetlnych, skracając wymagany czas ekspozycji lub poziom światła.
3. Rozmiar piksela a rozdzielczość obrazu
Kompromis w zakresie rozdzielczości:
Większe piksele mogą poprawić czułość, ale mogą też pogorszyć zdolność rozróżniania drobnych szczegółów.
Przykład: piksel o wielkości 1 μm będzie miał trudności z rozróżnieniem szczegółów mniejszych niż 2 μm, ponieważ sąsiadujące ze sobą elementy będą się rozmywać.
Stopień pikselizacji wzrasta wraz ze wzrostem wielkości pikseli, co oznacza, że drobniejsze szczegóły obrazu staną się niewyraźne.
Ograniczenia układu optycznego:
Rozdzielczość układu optycznego jest również czynnikiem ograniczającym rozdzielczość drobnych szczegółów. Każdy układ optyczny ma limit, powyżej którego zmniejszenie rozmiaru piksela nie poprawi rozdzielczości, a jedynie obniży czułość.
W przypadku układów składających się z obiektywu mikroskopowego, granicę rozdzielczości określa przede wszystkim apertura numeryczna (NA).
4. Dopasowanie rozmiaru piksela do systemu optycznego
Idealny rozmiar piksela dla mikroskopów o wysokiej liczbie atomowej NA:
Kamera o rozmiarze piksela 6,5 μm idealnie współpracuje z obiektywami mikroskopowymi o wysokiej aperturze numerycznej 60x.
Do obiektywów o wysokiej rozdzielczości NA 100x najlepiej nadają się kamery z pikselami o wielkości 10 lub 11 μm.
Większe piksele mogą zapewnić większą czułość, ale mniejsze piksele niekoniecznie poprawiają rozdzielczość szczegółów; są one bardziej przydatne do rejestrowania drobniejszych szczegółów obrazu tylko wtedy, gdy układ optyczny obsługuje taką rozdzielczość.
5. Wnioski: równoważenie rozmiaru piksela, czułości i rozdzielczości
Kompromis w kwestii rozmiaru pikseli:
Większe piksele lepiej sprawdzają się przy obrazowaniu przy słabym oświetleniu i poprawiają czułość, ale kosztem jest możliwość rozróżniania drobnych szczegółów obrazu.
Mniejsze piksele poprawiają rozdzielczość obrazu, ale mogą zmniejszać czułość, zwłaszcza w warunkach słabego oświetlenia.
Dopasowanie systemu:
Idealny rozmiar piksela kamery zależy od używanego układu optycznego. W przypadku systemów o większym powiększeniu (takich jak mikroskopy o wysokiej aperturze numerycznej), rozmiar piksela musi być zrównoważony zdolnością rozdzielczą układu optycznego i planowanym zastosowaniem.
