相机像素大小是指相机传感器上像素单元的物理宽度和高度,通常以微米 (μm) 为单位。这是针对成像应用进行优化的更重要的相机规格之一,因为它会影响相机的灵敏度及其捕捉精细细节的能力。
虽然传感器像素大小很重要,但实际上,在应用光学系统放大倍数后,最终图像像素大小决定了相机的许多成像特性。图像像素大小等于传感器像素大小除以系统总放大倍数。因此,固定焦平面光学系统(例如显微镜物镜)与可聚焦系统(例如传统相机镜头)之间存在显著差异。在后者中,可以通过靠近或远离成像对象,或使用变焦镜头来改变放大倍数,从而改变放大倍数,进而改变有效成像像素大小。
对于使用定焦平面显微镜物镜的光学系统,或变焦倍数和与拍摄对象距离均固定的基于镜头的系统,更大的像素可以收集更多光线,从而提供更高的灵敏度。打个比方,如果你想收集雨水,用桶比用杯子更有效。像素面积是一个重要因素,这意味着在比较相机时,X 和 Y 方向上两倍大小的像素具有四倍大的面积,因此将暴露在四倍数量的光子中。在弱光成像情况下,增加像素尺寸可以显著提高灵敏度,减少所需的曝光时间或光照水平。
在这些固定光学系统中,大像素的缺点在于图像中精细细节的解析度。像素越大,图像的“像素化”程度就越高。如果图像中一个像素的直径为 1 μm,它将无法显示小于 2 μm 左右的细节,否则相邻的特征会模糊成一个整体。
然而,相机像素尺寸并非解析精细细节的唯一限制因素。光学系统也对细节的解析度存在限制,在细节模糊之前,可以解析到多小的细节。每个光学系统都有相应的最小像素尺寸,低于此尺寸,细节分辨率几乎不会提升,但灵敏度仍然会受到影响。对于基于显微镜物镜的系统,此限制主要由物镜的数值孔径 (NA) 决定。
像素尺寸为 6.5 μm 的相机最适合搭配 60 倍高数值孔径显微镜物镜。像素尺寸为 10 或 11 μm 的相机则适合搭配 100 倍高数值孔径物镜。在每种情况下,像素越大,灵敏度越高,但像素越小,图像细节分辨率并不一定越高。