像元尺寸是什么,科学相机的像元尺寸如何选择?

time23/04/06

像元尺寸是指传感器上单位像元的物理宽度和高度,单位一般是微米(μm),它既能影响相机的灵敏度,也会影响科学相机捕获细节(采样率)的能力,是成像应用系统最重要的相机参数之一。

传感器像元尺寸很重要,但实际应用中,经过光学系统放大后得到的图像像素大小才是真正决定相机的成像特性的关键。图像像素大小是通过将传感器像元尺寸除以总系统放大倍率来计算得出的。

图像像素大小=传感器像元尺寸/光学系统总放大倍率

因此,不同光学系统由于总放大倍率的影响因素不同,对于像元尺寸的选择也会存在显著差异。对于可以灵活调整焦距和成像距离的光学系统,我们通常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率,所以我们传感器像元尺寸的选型可以结合现场实际情况做出灵活调整。而对于显微镜这类光学系统而言,由于物镜的焦距和成像对象的距离都是固定的,所以我们可以认为更大的像元可以帮助收集更多的光子,芯片的灵敏度也越高,这就好比你要收集雨水,水桶会比杯子更有效。

像元尺寸

像元尺寸(面积)是一个重要因素,如果像元的X和Y方向的尺寸各提升两倍,则单像素的面积相当于提升了四倍,可以帮助收集四倍数量的光子。在弱光成像的应用中,增加像素尺寸可以大大提高相机的感光度,提升灵敏度,从而减少曝光时间、降低对光照条件的要求。

但在这些固定倍率的光学系统中,大像素也有缺点。它可能会影响图像中精细细节的解析能力。如果图像像素越大,图像的“像素化”程度就越大。假设图像中的一个像素宽度只有1μm,它就无法分辨小于2μm的细节信息,因为相邻的细节特征会模糊成一个整体。

像元尺寸

另外要注意的是,相机像元大小并不是解析精细细节、提高采样率的唯一限制因素,光学系统也会对其有所限制。每个光学系统都有一个对应的最小像素尺寸,这种情况下,即使选择更小像元尺寸的相机,不仅细节分辨率不会有所提升,还会降低成像灵敏度。在使用显微镜物镜的光学系统中,这种限制主要由物镜的数值孔径 (NA) 决定。

这也就是为什么,像元尺寸为 6.5μm 的科学相机非常适合60倍高NA显微镜物镜。而10或11μm像元尺寸的科学相机则可与100倍高NA物镜匹配,因为这种搭配是光学系统的分辨率极限和像元灵敏度、细节分辨能力三方的平衡结果。

科学相机选型推荐

1)适合60倍物镜的科学相机 - Dhayan 400BSI V3, Dhyana 401D
2)适合100倍物镜的科学相机 - Dhayan 95V2

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