Почему размер пикселя имеет значение при сборе света для микроскопии

Физический размер пикселей на сенсоре — очень важная характеристика камеры. Здесь размер пикселя определяется как размер повторяющегося элемента в сетке пикселей по осям «x» и «y» (то есть параллельно самому сенсору). Это также известно как «шаг пикселя». Фактическая ширина светочувствительной части пикселя или физическая глубина пикселя в сенсоре учитываются в других характеристиках, а не размером пикселя.

Рисунок 1: Определение размера пикселя

Размер пикселя камеры по осям x и y определяется размером повторяющегося элемента в сетке пикселей камеры, а не физическим размером какого-либо компонента пикселя (например, микролинз).

По мере совершенствования производственных процессов для датчиков, пиксели миниатюризировались.

Это крайне желательно для потребительских камер и камер мобильных телефонов, где меньшая площадь сенсора снижает его стоимость. Однако для таких камер пользователь вряд ли когда-либо узнает размер пикселя, поскольку он, скорее всего, не будет отображаться в технических характеристиках камеры. Так почему же размер пикселя важен в научной визуализации?

В научной визуализации меньший размер не всегда означает лучшее качество. Размер пикселя влияет на два важных фактора: способность камеры различать мелкие детали и чувствительность камеры, определяемую её способностью эффективно захватывать фотоны. Упрощённое эмпирическое правило гласит: чем меньше пиксель, тем больше деталей можно запечатлеть на изображении, но тем менее чувствительной будет камера.

Роль размера пикселя в микроскопии

Размер пикселя относится к физическим размерам отдельных датчиков, из которых состоит изображение. Эти датчики собирают фотоны от света, проходящего через образец или отражающегося от него. В цифровых системах обработки изображений количество пикселей на датчике и их размер определяют, сколько света может быть собрано и насколько детально захватывается изображение.

Размер пикселя камеры или детектора в микроскопе напрямую влияет на его характеристики. Меньшие пиксели имеют более высокую плотность на сенсоре, что приводит к более тонкой детализации изображения и лучшему разрешению. Однако они также имеют меньшую площадь для захвата света, что может снизить общую чувствительность системы. Большие пиксели, с другой стороны, имеют большую площадь поверхности для сбора фотонов, но могут пожертвовать разрешением ради светочувствительности.

Что касается сбора света, размер пикселя определяет, сколько света детектор может захватить в любой момент времени, что влияет на яркость и четкость получаемого изображения. Чем больше пиксель, тем больше фотонов он может собрать, что может улучшить общее качество изображения, особенно в условиях низкой освещенности.

Сбор большего количества фотонов за счет большей площади пикселя.

Что бы вы предпочли использовать для сбора дождевой воды: ведро или чайную чашку? Чем больше площадь пикселя, тем больше фотонов он поймает.

Количество фотонов, собираемых камерой, прямо пропорционально площади пикселя, то есть при сравнении камеры с другой, имеющей вдвое больший размер пикселя, площадь пикселя, а следовательно, и светособирающая способность, будет в четыре раза больше у камеры с большим размером пикселя. Если квантовая эффективность и другие факторы останутся неизменными, камере с меньшим размером пикселя потребуется в четыре раза более длительная выдержка или в четыре раза более яркое изображение, при условии, что она будет воспроизводить тот же сигнал, что и камера с большим размером пикселя.

Ещё одним фактором является поле зрения. При одинаковом количестве пикселей более крупные пиксели будут покрывать большую площадь объекта съёмки (при условии, что оптическая система способна это обеспечить).

(обеспечивая это поле зрения).

И наконец, следует учитывать, что более крупные пиксели камеры могут иметь физически большую площадь для хранения собранных фотоэлектронов во время экспозиции изображения. Максимальное количество фотоэлектронов, которое может быть сохранено, называетсяПолная вместимость скважины, тогда значение может быть выше, что позволит улавливать более яркие сигналы.

Типичные размеры пикселей камеры: чем больше площадь пикселя, тем больше фотонов она захватывает.

Рисунок 2: Типичные размеры пикселей камеры; большая площадь пикселя захватывает больше фотонов.

Слева направо: размер пикселя для типичной камеры смартфона (1,2 мкм), для документационной камеры с малым размером пикселя (2,4 мкм), для типичного sCMOS-сенсора для микроскопических объективов со средним увеличением (6,5 мкм) и для sCMOS-сенсора с большим размером пикселя для приложений с большим увеличением или высокой чувствительностью (11 мкм). Светосборная способность пропорциональна площади пикселя.

Размер пикселя в пространстве объектов и его значение

Однако следует учитывать очень важный момент: с точки зрения светособирающей способности, разрешения и поля зрения, важен именно конечный «размер пикселя в пространстве объекта», также называемый «масштабом изображения». Он определяет, какая часть объекта съемки видна каждому пикселю изображения, создаваемого камерой.

Для данной оптической системы переключение между двумя разными камерами с разными размерами пикселей приведет к изменению светособирающей способности и разрешения. Однако, если увеличение можно изменить без влияния на светособирающую способность или пропускную способность таким образом, чтобы размер пикселя в пространстве объекта у двух камер оставался одинаковым, то светособирающая способность, поле зрения и разрешающая способность будут одинаковыми.

Однако для большинства микроскопов и линзовых систем уменьшение увеличения (приводящее к увеличению размера пикселя в пространстве объекта) часто сопровождается уменьшением числовой апертуры (для микроскопов) или размера апертуры линзы (для линз), что может значительно снизить светособирающую способность оптической системы.

Почему размер пикселя важен для сбора света

Если у вас есть две камеры с одинаковым общим размером сенсора, но разными размерами пикселей, то в данной оптической системе на оба сенсора попадет одинаковое количество фотонов. Так почему же площадь пикселя имеет значение?

В основе любого обсуждения размера пикселя в микроскопии лежит важнейшая взаимосвязь между размером пикселя и эффективностью сбора света. Проще говоря, размер пикселя напрямую влияет на то, насколько хорошо микроскоп может собирать свет и преобразовывать его в полезную информацию. Большие пиксели имеют большую площадь поверхности для сбора фотонов, что приводит к лучшему сбору света. Это обеспечивает более четкие и детализированные изображения, особенно в слабо освещенных образцах.

С другой стороны, меньшие пиксели захватывают меньше фотонов из-за уменьшенной площади поверхности. В результате они могут давать изображения с более низким контрастом и более высоким уровнем шума, особенно при недостатке света. Меньшие пиксели также могут приводить к более низкому соотношению сигнал/шум (SNR), что может ухудшить качество изображения. Для микроскопических приложений, требующих обнаружения слабых сигналов, таких как визуализация живых клеток или флуоресцентная визуализация при слабом освещении, большие пиксели могут значительно улучшить качество получаемого изображения.

Например,флуоресцентная микроскопияКак правило, для обнаружения слабых сигналов от флуоресцентно меченых образцов требуется более высокая чувствительность. В таких случаях предпочтительнее использовать пиксели большего размера, поскольку они захватывают больше фотонов, что приводит к получению более четких и ярких изображений слабых флуоресцентных сигналов без необходимости увеличения времени экспозиции или интенсивности света. Это особенно важно при изучении динамических биологических процессов в живых клетках, где чрезмерное воздействие света может повредить образец.

Вконфокальная микроскопияНеобходимость в разрешении и сборе света сбалансирована. Хотя меньшие пиксели могут обеспечить более высокое разрешение и более тонкую детализацию, большие пиксели часто необходимы при визуализации более толстых образцов или при исследовании живых клеток, где светочувствительность имеет решающее значение. Большие пиксели помогают собирать больше фотонов из разных фокальных плоскостей, обеспечивая лучшие изображения в более глубоких слоях без чрезмерной экспозиции, которая может привести к фотообесцвечиванию.

Более крупные пиксели также обладают улучшенным динамическим диапазоном, что позволяет им захватывать более широкий диапазон интенсивности света без насыщения. Это особенно полезно при съемке образцов, имеющих области с различной интенсивностью света. Благодаря большему размеру пикселя сенсор может захватывать как яркие, так и слабые области на одном изображении без потери деталей ни в одном из случаев.

Компромисс между размером пикселя, разрешением и сбором света.

При выборе оптимального размера пикселя для микроскопии существует неизбежный компромисс между разрешением и сбором света. Меньшие пиксели обеспечивают более высокое разрешение, поскольку больше пикселей размещается на той же площади, что приводит к более тонкой детализации. Однако недостатком является то, что меньшие пиксели имеют меньшую площадь поверхности для сбора света, что может привести к снижению чувствительности и повышению уровня шума.

С другой стороны, более крупные пиксели повышают эффективность сбора света и могут улучшить яркость и контрастность изображения, особенно в условиях низкой освещенности. Однако платой за это является снижение разрешения, поскольку меньшее количество пикселей доступно для захвата мелких деталей образца.

Оптимальный размер пикселя зависит от конкретного применения и типа используемой микроскопии. Например, в приложениях для получения изображений высокого разрешения, таких как электронная микроскопия, обычно предпочтительнее использовать пиксели меньшего размера для захвата мелких деталей. Однако в приложениях, где светочувствительность более важна, таких как флуоресцентная микроскопия или микроскопия живых клеток, чаще всего предпочтительнее использовать пиксели большего размера.

Выбор размеров пикселей для конкретных методов микроскопии

Исследователи должны учитывать уникальные потребности своего приложения:

●Флуоресцентная микроскопия:Более крупные пиксели часто предпочтительны из-за их превосходных возможностей по сбору фотонов, что имеет решающее значение для обнаружения слабых сигналов флуоресценции в условиях низкой освещенности. Это обеспечивает более яркие и четкие изображения флуоресцентно меченых образцов без необходимости чрезмерной выдержки.

●Конфокальная микроскопия:Критически важен баланс между размером пикселя и разрешением. Хотя меньшие пиксели могут обеспечить более высокое разрешение для визуализации тонких структур, большие пиксели могут быть предпочтительнее в случаях, когда требуется повышенная чувствительность к слабым сигналам, например, при визуализации живых клеток.

●Электронная микроскопия:В изображениях высокого разрешения обычно используются пиксели меньшего размера для получения более мелких деталей при очень большом увеличении. Однако, если для получения изображения необходимо захватить больше света в образцах с низким контрастом или более темных образцах, более эффективными могут оказаться пиксели большего размера.

Учитывая конкретные цели используемой микроскопической методики — будь то максимизация разрешения, повышение светочувствительности или достижение оптимального соотношения сигнал/шум — исследователи могут оптимизировать выбор размера пикселя, чтобы обеспечить получение наилучших возможных результатов своих исследований.

Заключение

Размер пикселя играет ключевую роль в сборе света для микроскопии, влияя как на чувствительность, так и на разрешение получаемых изображений. Более крупные пиксели лучше собирают больше света, что делает их идеальными для условий низкой освещенности и повышает отношение сигнал/шум. Однако это имеет и обратную сторону, поскольку большие пиксели могут снижать разрешение, ограничивая возможность захвата мелких деталей.

Напротив, меньшие пиксели позволяют достичь более высокого разрешения за счет захвата более мелких деталей, но они, как правило, менее чувствительны к свету, что может привести к более шумным изображениям, особенно в условиях низкой освещенности. Поэтому выбор правильного размера пикселя требует тщательного баланса, и понимание специфических требований каждой микроскопической методики имеет решающее значение.

В конечном итоге, ключ к успешной микроскопии заключается в выборе оптимального размера пикселя для конкретного применения. Учитывая факторы, влияющие на светочувствительность, разрешение и качество изображения, исследователи могут адаптировать свой подход, чтобы обеспечить достижение наилучших результатов в своих научных исследованиях. Будь то максимизация сбора света для флуоресцентной микроскопии или обеспечение высокого разрешения в электронной микроскопии, размер пикселя является критически важным элементом в стремлении к более четким и точным изображениям.

Хотите узнать, какие микроскопические камеры лучше всего подходят для ваших исследований?Связаться с намиЧтобы узнать больше о наших высокопроизводительных микроскопических камерах.