2025/10/10感光元件上像素的物理尺寸是相機非常重要的規格參數。這裡，像素尺寸指的是像素網格中重複單元在「x」和「y」（即平行於感測器本身的方向）上的尺寸。這也被稱為“像素間距”。像素感光部分的實際寬度，或像素在感測器中的物理深度，都在其他規格參數中有所體現，而非像素尺寸。
圖 1：像素尺寸的定義
相機像素在 x 和 y 方向上的大小由相機像素網格上重複單元的大小決定，而不是由任何像素組件（例如，微透鏡）的物理尺寸決定。
隨著感測器製造流程的改進，像素尺寸也越來越小。
這對於消費級相機和手機相機來說非常理想，因為更小的感光元件面積可以降低感光元件成本。然而，對於這些相機，使用者不太可能知道像素尺寸，因為相機規格中通常也不會顯示像素尺寸。那麼，像素尺寸在科學成像中為何如此重要呢？
對於科學成像而言，像素越小並非總是越好。像素尺寸會影響兩個重要因素：相機分辨精細細節的能力，以及相機透過有效捕捉光子所獲得的靈敏度。一個過於簡化的經驗法則是：像素越小，影像中能夠捕捉到的細節就越多，但相機的靈敏度也會越低。
像素尺寸在顯微鏡中的作用
像素尺寸指的是構成影像的各個感測器的物理尺寸。這些感測器收集穿過或反射被成像樣本的光線中的光子。在數位成像系統中，感測器上的像素數量及其尺寸決定了可以收集的光量以及影像的精細程度。
顯微鏡中相機或偵測器的像素尺寸直接影響其性能。較小的像素在感測器上的密度更高，從而獲得更精細的影像細節和更高的解析度。然而，它們也具有較小的感光面積，這可能會降低系統的整體靈敏度。另一方面，較大的像素具有更大的光子收集表面積，但可能會為了提高感光度而犧牲解析度。
就光線收集而言，像素尺寸決定了探測器在任何給定時間能夠捕捉的光量，這會影響最終影像的亮度和清晰度。像素越大，能夠收集的光子就越多，這可以提高影像的整體質量，尤其是在低光源環境下。
利用更大的像素面積收集更多光子
你會選擇用桶子還是茶杯來收集雨水？像素面積越大，捕獲的光子就越多。
相機的光子收集能力與像素面積成正比，這意味著，如果將一台相機與另一台像素尺寸是其兩倍的相機進行比較，那麼像素尺寸更大的相機的像素面積（以及由此帶來的光收集能力）將是後者的四倍。在量子效率和其他因素保持不變的情況下，像素尺寸較小的相機需要四倍的曝光時間或四倍亮度的成像物件才能達到與像素尺寸較大的相機相同的偵測訊號。
另一個因素是視場角。在像素數量相同的情況下，較大的像素可以覆蓋成像物件較大的區域（前提是光學系統能夠做到這一點）。
提供這種視野）。
最後要考慮的是，較大的相機像素可以擁有更大的物理面積，用於儲存影像曝光期間收集到的光電子。可儲存的最大光電子數稱為…滿井容量這樣就能獲得更高的值，從而可以捕捉到更亮的訊號。
圖 2：典型的相機像素尺寸，更大的像素面積可以捕捉更多光子。
從左到右依序為：典型智慧型手機相機的像素尺寸（1.2 μm）、小像素文件相機的像素尺寸（2.4 μm）、用於中等倍率顯微鏡物鏡的典型 sCMOS 感測器的像素尺寸（6.5 μm）以及用於高倍率或高靈敏度應用的大像素 sCMOS 感測器的像素尺寸（11 μm）。光收集能力與像素面積成正比。
物件空間像素大小及其重要性
然而，有一點非常重要：從聚光能力、解析度和視場角來看，最終的「物空間像素尺寸」（也稱為「影像比例尺」）才是關鍵。它指的是相機產生的影像中每個像素所包含的成像物件的大小。
對於給定的光學系統，在兩個像素尺寸不同的相機之間切換會導致聚光能力和解析度變化。然而，如果能夠在不影響聚光能力或光通量的情況下改變放大倍率，使得兩台相機的物空間像素尺寸相同，則聚光能力、視場角和解析度將保持不變。
然而，對於大多數顯微鏡和基於透鏡的系統而言，放大倍率的降低（導致物空間像素尺寸增大）通常伴隨著數值孔徑（對於顯微鏡）或透鏡孔徑尺寸（對於透鏡）的減小，這會顯著降低光學系統的光收集能力。
為什麼像素尺寸對光線收集很重要
如果兩台相機的感光元件總尺寸相同，但像素尺寸不同，在給定的光學系統中，相同數量的光子會落在這兩個感測器上。那麼，為什麼像素面積很重要呢？
顯微鏡像素尺寸討論的核心在於像素尺寸與光收集效率之間的關鍵關係。簡而言之，像素尺寸直接影響顯微鏡收集光線並將其轉換為可用資訊的能力。較大的像素擁有更大的表面積來收集光子，從而實現更好的光收集。這使得影像更清晰、更精細，尤其是在光線昏暗的樣本中。
另一方面，由於表面積較小，較小的像素捕獲的光子數量也較少。因此，它們可能會產生對比度較低、雜訊較高的影像，尤其是在光線不足的情況下。較小的像素也會導致訊號雜訊比 (SNR) 降低，從而降低影像品質。對於需要檢測微弱訊號的顯微鏡應用（例如活細胞成像或低光螢光成像），較大的像素可以顯著提高最終影像的品質。
例如，螢光顯微鏡通常需要更高的靈敏度才能偵測到螢光標記樣本的微弱訊號。在這種情況下，較大的像素尺寸更佳，因為它們可以捕捉更多光子，從而在無需增加曝光時間或光照強度的情況下，獲得更清晰、更明亮的微弱螢光訊號影像。這在研究活細胞中的動態生物過程時尤其重要，因為過多的光照可能會損害樣本。
在共聚焦顯微鏡分辨率和光收集的需求需要權衡。雖然較小的像素可以提供更高的解析度和更精細的細節，但在對較厚的樣本或活細胞進行成像時，由於光靈敏度更為關鍵，通常需要較大的像素。較大的像素有助於從不同的焦平面收集更多的光子，從而在不產生過度曝光（可能導致光漂白）的情況下，獲得更深層組織更清晰的影像。
更大的像素尺寸也意味著更廣泛的動態範圍，使其能夠捕捉更豐富的光強度變化而不會飽和。這對於拍攝光強度變化較大的樣本尤其有利。更大的像素尺寸使得感測器能夠在同一幅影像中同時捕捉到明亮和昏暗的區域，而不會損失任何細節。
像素尺寸、解析度和光線收集之間的權衡
在選擇顯微鏡的最佳像素尺寸時，分辨率和光收集能力之間存在著固有的權衡。較小的像素可以提供更高的分辨率，因為在相同的面積內可以容納更多的像素，從而獲得更精細的細節。然而，缺點是較小的像素表面積較小，這會導致靈敏度降低和雜訊升高。
另一方面，更大的像素可以提高光線收集效率，增強影像的亮度和對比度，尤其是在低光源環境下。然而，這樣做的代價是解析度降低，因為可用於捕捉樣本精細細節的像素數量減少。
最佳像素尺寸取決於特定應用和所使用的顯微鏡類型。例如，在高解析度成像應用中，如電子顯微鏡，通常優選較小的像素以捕捉精細細節。然而，在對光靈敏度要求更高的應用中，例如螢光成像或活細胞成像，較大的像素通常是更好的選擇。
為特定顯微鏡技術選擇像素尺寸
研究人員必須考慮其應用的獨特需求：
●螢光顯微鏡：由於大像素具有更優異的光子收集能力，因此通常更受青睞，這對於在低光源條件下偵測微弱的螢光訊號至關重要。這確保了在無需過長曝光時間的情況下，獲得更明亮、更清晰的螢光標記樣品影像。
●共聚焦顯微鏡：像素尺寸和解析度之間的平衡至關重要。雖然較小的像素可以提供更高的解析度來成像精細結構，但在需要提高對微弱訊號的靈敏度的情況下，例如活細胞成像，較大的像素可能更合適。
●電子顯微鏡：在高解析度成像中，通常使用較小的像素來捕捉高倍率下的精細細節。然而，如果成像需要捕捉低對比度或較暗樣本中的更多光線，則較大的像素可能更有效。
透過考慮顯微鏡技術的具體目標——無論是最大化分辨率、提高光靈敏度還是實現最佳信噪比——研究人員可以優化像素尺寸的選擇，以確保他們的研究獲得最佳結果。
結論
像素尺寸在顯微鏡的光收集中起著至關重要的作用，它會影響所拍攝影像的靈敏度和解析度。較大的像素能夠收集更多的光線，因此非常適合低光源環境，並能提高訊號雜訊比。然而，這也帶來了一定的權衡，因為較大的像素會降低分辨率，從而限制捕捉精細細節的能力。
相較之下，較小的像素可以透過捕捉更精細的細節來實現更高的分辨率，但它們對光的敏感度較低，這會導致影像雜訊增加，尤其是在低光源條件下。因此，選擇合適的像素尺寸需要仔細權衡，並且了解每種顯微鏡技術的特定要求至關重要。
歸根結底，顯微鏡成像成功的關鍵在於為特定應用選擇最佳像素尺寸。透過考慮影響光敏性、解析度和影像品質的因素，研究人員可以調整方法，確保在科學研究中獲得最佳結果。無論是最大化螢光顯微鏡的光收集效率，還是確保電子顯微鏡的高解析度，像素尺寸都是獲得更清晰、更精確影像的關鍵因素。
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