2025/09/30雖然彩色相機在消費級相機市場佔據主導地位，但單色相機在科學成像領域更為常見。
相機感光元件本身並不具備偵測所採集光線顏色或波長的能力。要獲得彩色影像，需要在靈敏度和空間取樣方面做出一些妥協。然而，在許多成像應用中，例如病理學、組織學或某些工業檢測，顏色資訊至關重要，因此彩色科學相機仍然很常見。
本文探討了彩色科學相機的定義、工作原理、優勢和局限性，以及它們在科學應用中優於單色科學相機的方面。
什麼是彩色科學相機？
科學彩色相機是一種專門用於成像的設備，能夠以高保真度、高精度和高一致性捕捉RGB顏色資訊。與注重視覺效果的消費級彩色相機不同，科學彩色相機專為定量成像而設計，在定量成像中，色彩準確度、感測器線性度和動態範圍至關重要。
這些相機廣泛應用於明場顯微鏡、組織學、材料分析和機器視覺等需要視覺判讀或基於顏色的分類的應用領域。大多數彩色科學相機都基於CMOS或sCMOS感測器，旨在滿足科學和工業研究的嚴格要求。
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實現色彩：拜耳濾鏡
傳統上，相機中的色彩偵測與顯示器和螢幕上的色彩再現方式相同：透過將相鄰的紅色、綠色和藍色像素組合成全彩「超像素」。當 R、G 和 B 通道的值都達到最大值時，就會出現白色像素。
由於矽相機無法偵測入射光子的波長，因此必須透過濾波來實現每個 R、G 或 B 波長通道的分離。
在紅色像素中，每個像素上方都放置了一個單獨的濾光片，用於阻擋除紅色光譜範圍之外的所有波長的光；藍色和綠色像素的處理方式類似。然而，為了在二維空間中實現正方形鋪砌（儘管有三個顏色通道），需要使用一個由一個紅色像素、一個藍色像素和兩個綠色像素組成的超像素，如圖所示。
彩色相機的拜耳濾鏡佈局
彩色相機採用拜耳濾鏡佈局，將彩色濾鏡添加到各個像素中，該佈局使用重複的四像素正方形單元，每個單元包含綠色、紅色、藍色、綠色四個像素。四像素單元內的像素順序可以不同。
綠色像素之所以被優先考慮，一方面是因為大多數光源（從太陽到白色 LED）在光譜的綠色部分錶現出峰值強度，另一方面是因為光探測器（從矽基相機感測器到我們的眼睛）通常在綠色部分具有最高的靈敏度。
然而，在影像分析和顯示方面，影像通常並非以每個像素僅顯示其R、G或B值的形式呈現給使用者。相機透過將相鄰像素的值進行內插（稱為「去拜耳化」），為每個像素產生一個三通道RGB值。
例如，每個紅色像素都會產生一個綠色值，該值要麼來自附近四個綠色像素的平均值，要麼透過其他演算法產生；附近四個藍色像素的情況也類似。
顏色的優點和缺點
優點
● 你可以看到它是彩色的！顏色傳遞有價值的訊息，可以增強人類的解讀能力，尤其是在分析生物或材料樣本時。
● 與使用單色相機拍攝連續的 R、G、B 影像相比，拍攝 RGB 彩色影像要簡單得多。
缺點
● 與單色相機相比，彩色相機的感光度會大幅降低，具體降低程度取決於波長。在光譜的紅色和藍色區域，由於只有四分之一的像素濾光片能夠透過這些波長的光，因此彩色相機在這些波長下的光線收集量最多只有同等單色相機的25%。在綠色區域，這一比例為50%。此外，沒有任何濾光片是完美的：峰值透射率會低於100%，根據特定波長的不同，透射率可能會更低。
● 由於取樣率也因上述因素而降低（R、B 色降至 25%，G 色降至 50%），精細細節的解析度也隨之下降。以紅色像素為例，由於只有四分之一的像素能夠捕捉到紅光，因此用於計算解析度的有效像素尺寸在每個維度上都增大了兩倍。
●彩色相機通常都包含紅外線 (IR) 濾光片。這是因為矽基相機能夠偵測到人眼看不見的紅外線波長，波長範圍在 700 奈米到 1100 奈米左右。如果不濾除這些紅外光，就會影響白平衡，導致色彩還原不準確，成像效果與人眼所見不符。因此，必須濾除這些紅外光，這意味著彩色相機不能用於需要使用這些波長的成像應用。
彩色相機的工作原理是什麼？
典型的彩色相機量子效率曲線範例
圖中分別展示了帶有紅色、藍色和綠色濾光片的像素的量子效率隨波長的變化關係。圖中也展示了未加濾光片時相同感測器的量子效率。添加濾光片會顯著降低量子效率。
科學彩色相機的核心是其影像感測器，通常是一個CMOS相機或者sCMOS相機（科學級CMOS），配備拜耳濾光片。從光子捕捉到影像輸出的工作流程包括以下幾個關鍵步驟：
1.光子探測：光線進入鏡頭並照射到感光元件上。每個像素都根據其所攜帶的顏色濾光片對特定波長的光線敏感。
2.費用轉換：光子會在每個像素下方的光電二極體中產生電荷。
3.讀出與放大：電荷被轉換成電壓，逐行讀取，並透過類比數位轉換器進行數位化。
4.顏色重建：相機的機載處理器或外部軟體使用去馬賽克演算法，從過濾後的資料中插值產生全彩影像。
5.影像校正：後製步驟，如平場校正、白平衡和降噪，用於確保輸出準確可靠。
彩色相機的性能很大程度上取決於其感測器技術。現代CMOS相機感測器提供高幀率和低噪聲，而sCMOS感測器則針對低光照靈敏度和寬動態範圍進行了最佳化，這對於科學研究至關重要。這些基本要素為比較彩色相機和黑白相機奠定了基礎。
彩色相機與黑白相機：主要區別
低光照工作中彩色相機影像與黑白相機影像的比較
左圖為彩色相機拍攝的紅色波長螢光影像，右圖為單色相機拍攝的螢光影像，兩台相機的其他規格相同。彩色影像的訊號雜訊比和解析度明顯低於單色影像。
雖然彩色相機和黑白相機有許多相同的組件，但它們在性能和應用場景方面卻存在顯著差異。以下是簡要對比：
| 特徵 | 彩色相機 | 黑白相機 |
| 感測器類型 | 拜耳濾波CMOS/sCMOS | 未濾波CMOS/sCMOS |
| 光敏感性 | 降低（由於濾色片阻擋光線） | 更高（無濾光片造成的光線損失） |
| 空間解析度 | 降低有效解析度（去馬賽克） | 全原生分辨率 |
| 理想應用 | 明場顯微鏡、組織學、材料檢測 | 螢光、低光成像、高精度測量 |
| 顏色數據 | 捕獲完整的 RGB 訊息 | 僅拍攝灰階影像 |
簡而言之，彩色相機最適合用於對顏色進行判讀或分析的情況，而單色相機則非常適合用於提高靈敏度和精度的情況。
彩色相機在科學應用的優勢
儘管彩色相機存在一些局限性，但在許多對色彩區分要求極高的專業領域，它們的表現仍然優於其他相機。以下列舉幾個它們表現突出的例子：
生命科學與顯微鏡
彩色相機常用於明場顯微鏡，尤其是在組織學分析中。諸如蘇木精-伊紅染色或革蘭氏染色等染色技術會產生基於顏色的對比，而這種對比只能透過RGB成像進行解讀。教學實驗室和病理科也依賴彩色相機來拍攝生物標本的逼真影像，用於教學或診斷。
材料科學與表面分析
在材料研究中，彩色成像對於識別腐蝕、氧化、塗層和材料邊界至關重要。彩色相機有助於偵測單色影像可能遺漏的表面光潔度細微變化或缺陷。例如，評估複合材料或印刷電路板通常需要精確的色彩表徵。
機器視覺與自動化
在自動化檢測系統中，彩色相機用於物件分類、缺陷檢測和標籤驗證。它們使機器視覺演算法能夠根據顏色線索對零件或產品進行分類，從而提高製造過程中的自動化精度。
教育、文獻紀錄與推廣
科研機構通常需要高品質的彩色影像用於出版物、專案申請書和科普宣傳。彩色影像能夠更直觀、更吸引人地呈現科學數據，尤其適用於跨領域交流或公眾科普。
最後想說的話
彩色科學相機在現代影像工作流程中扮演著至關重要的角色，尤其是在色彩區分至關重要的場景下。雖然它們的靈敏度和原始解析度可能不如單色相機，但它們能夠提供自然、易於解讀的影像，因此在從生命科學到工業檢測等許多領域都不可或缺。
在選擇彩色相機還是黑白相機時，請考慮您的成像目標。如果您的應用需要低光照性能、高靈敏度或螢光檢測，那麼黑白科學相機可能是您的最佳選擇。但對於明場成像、材料分析或任何涉及顏色編碼資訊的任務，彩色相機可能更為理想。
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