[像素大小] 優化成像的更重要的相機規格之一

時間2025年2月22日

相機像素大小是指相機感光元件上像素單元的物理寬度和高度,通常以微米 (μm) 為單位。這是針對成像應用進行最佳化的更重要的相機規格之一,因為它會影響相機的靈敏度及其捕捉精細細節的能力。

雖然感光元件像素大小很重要,但實際上,在應用光學系統放大倍率後,最終影像像素大小決定了相機的許多成像特性。影像像素大小等於感測器像素大小除以系統總放大倍率。因此,固定焦平面光學系統(例如顯微鏡物鏡)與可對焦系統(例如傳統相機鏡頭)之間存在顯著差異。在後者中,可以透過靠近或遠離成像對象,或使用變焦鏡頭來改變放大倍率,從而改變放大倍率,進而改變有效成像像素大小。

對於使用定焦平面顯微鏡物鏡的光學系統,或變焦倍數和與主體距離均固定的基於鏡頭的系統,更大的像素可以收集更多光線,從而提供更高的靈敏度。打個比方,如果你想收集雨水,用桶子比用杯子更有效。像素面積是一個重要因素,這意味著在比較相機時,X 和 Y 方向上兩倍大小的像素具有四倍大的面積,因此將暴露在四倍數量的光子中。在低光源成像情況下,增加像素尺寸可以顯著提高靈敏度,並減少所需的曝光時間或光照水平。

在這些固定光學系統中,大像素的缺點在於影像中精細細節的解析度。像素越大,影像的「像素化」程度就越高。如果影像中一個像素的直徑為 1 μm,它將無法顯示小於 2 μm 左右的細節,否則相鄰的特徵會模糊成一個整體。

然而,相機像素尺寸並非解析精細細節的唯一限制因素。光學系統也對細節的解析度有限制,在細節模糊之前,可以解析到多小的細節。每個光學系統都有相應的最小像素尺寸,低於此尺寸,細節解析度幾乎不會提升,但靈敏度仍會受到影響。對於基於顯微鏡物鏡的系統,此限制主要由物鏡的數值孔徑 (NA) 決定。

像素尺寸為 6.5 μm 的相機最適合搭配 60 倍高數值孔徑顯微鏡物鏡。像素尺寸為 10 或 11 μm 的相機則適合搭配 100 倍高數值孔徑物鏡。在每種情況下,像素越大,靈敏度越高,但像素越小,影像細節解析度並不一定越高。

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