像素大小像素是傳感器的一部分，它收集光子，以便將它們轉(zhuǎn)化為光電子。多個(gè)像素覆蓋傳感器表面，因此可以確定檢測(cè)到的光子數(shù)量以及這些光子的位置。

像素有許多不同的尺寸，每種尺寸都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。較大的像素由于表面積的增加而能夠收集更多的光子。這允許更多的光子轉(zhuǎn)化為光電子，從而提高傳感器的靈敏度。但是，這是以分辨率為代價(jià)的。

較小的像素能夠提供更高的空間分辨率，但每個(gè)像素捕獲的光子更少。為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以對(duì)傳感器進(jìn)行背照，以最大限度地提高每個(gè)像素捕獲和轉(zhuǎn)換的光量。

像素的大小也決定了傳感器的整體尺寸。例如，具有 1024 x 1024 像素的傳感器，每個(gè)像素的 169 μm2表面積，傳感器尺寸為 13.3 x 13.3 mm。然而，具有相同像素?cái)?shù)的傳感器，現(xiàn)在具有 42.25 μm2表面積，傳感器尺寸為 6.7 x 6.7 mm。

相機(jī)分辨率

相機(jī)分辨率是成像設(shè)備分辨靠近的兩個(gè)點(diǎn)的能力。分辨率越高，可以從對(duì)象中解析的細(xì)節(jié)就越小。它受像素大小、放大倍率、相機(jī)光學(xué)元件和奈奎斯特極限的影響。相機(jī)分辨率可以通過(guò)以下公式確定：

其中 2.3 補(bǔ)償奈奎斯特極限。該限值由樣本的瑞利準(zhǔn)則確定。瑞利準(zhǔn)則的定義是，是否可以將兩個(gè)相鄰的艾里圓盤(來(lái)自光源的衍射圖案的中心亮點(diǎn))彼此區(qū)分開(kāi)來(lái)，從而確定可以分辨的最小點(diǎn)(如圖1所示)。

圖 1：左圖：兩個(gè)相鄰的 Airy 圓盤，可以相互區(qū)分。右： 兩個(gè)無(wú)法區(qū)分的 nieghboring Airy 圓盤，因?yàn)樗鼈兊陀谌鹄麥?zhǔn)則。

奈奎斯特極限決定了傳感器是否可以區(qū)分兩個(gè)相鄰物體。如果兩個(gè)物體之間的距離大于奈奎斯特極限，或超過(guò)該極限至少 2 倍，則傳感器可以區(qū)分兩個(gè)物體。奈奎斯特極限由您嘗試成像的物體的空間頻率(給定距離內(nèi)的亮點(diǎn)數(shù))決定。例如，如果您嘗試測(cè)量相距 α nm 的幾個(gè)亮點(diǎn)，則至少需要測(cè)量每個(gè)αnm 以捕獲空間頻率(即解析亮點(diǎn))。這種空間頻率允許將亮點(diǎn)之間的間隙捕獲為黑色像素(即沒(méi)有信號(hào)的像素)。如果亮點(diǎn)之間的距離小于像素的大小，則不會(huì)捕獲黑色像素，因此無(wú)法解析亮點(diǎn)。這就是為什么像素越小，分辨率越高，如圖 2 所示。

圖 2：示意圖顯示，兩個(gè)對(duì)象之間至少需要有一個(gè)像素寬度才能克服奈奎斯特極限，從而可以解析兩個(gè)對(duì)象。這就是為什么較小的像素提供更高的分辨率，因?yàn)樗鼈兡軌騾^(qū)分較小的物體。

鏡頭分辨率

在確定整體系統(tǒng)分辨率時(shí)，考慮相機(jī)鏡頭的分辨率也很重要。透鏡分辨物體的能力受到衍射的限制。當(dāng)物體發(fā)出的光通過(guò)透鏡孔徑時(shí)，它會(huì)發(fā)生衍射，在圖像中形成衍射圖案(如圖3A所示)。這被稱為 Airy 圖案，并且有一個(gè)中心點(diǎn)被明亮的環(huán)包圍，中間有較暗的區(qū)域(圖 3B)。中心亮點(diǎn)稱為艾里圓盤，其角半徑由下式給出：

其中 θ 是角分辨率(弧度)，λ 是光的波長(zhǎng) (m)，D 是透鏡的直徑 (m)。

被成像物體上的兩個(gè)不同點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生兩種不同的 Airy 圖案。如果兩點(diǎn)之間的角間隔大于它們的艾里圓盤的角半徑，則可以解析兩個(gè)物體(瑞利準(zhǔn)則)。但是，如果角度間隔較小，則對(duì)象上的兩個(gè)不同點(diǎn)將合并。如圖3C所示。

圖 3：(A) 光源通過(guò)透鏡孔徑時(shí)產(chǎn)生的衍射圖案的描述。(B) 由通過(guò)孔徑的光衍射確定的艾里圖案示例。(C) 頂部：兩個(gè)相鄰的 Airy 圖案，由于 Airy 圓盤的分離，它們可以相互區(qū)分。中間：兩個(gè)合并的 Airy 磁盤，防止它們被區(qū)分。底： 兩個(gè)相鄰的 Airy 模式完全合并。

艾里圓盤的角半徑由透鏡的孔徑?jīng)Q定;因此，鏡頭光圈的直徑也決定了分辨率。由于透鏡孔徑的直徑與艾里圓盤的角半徑成反比關(guān)系，因此孔徑越大，角半徑越小。這意味著更大的光圈會(huì)導(dǎo)致更高的鏡頭分辨率，因?yàn)檩^小細(xì)節(jié)之間的距離可以保持大于艾里圓盤的角半徑。這通常就是為什么天文望遠(yuǎn)鏡具有較大的透鏡直徑，以便能夠解析恒星中更精細(xì)的細(xì)節(jié)。

總結(jié)

像素有各種尺寸，具體取決于應(yīng)用程序所需的內(nèi)容。大像素尺寸最適合不太關(guān)心高分辨率的低光成像條件。相比之下，較小的像素尺寸最適合明亮的成像條件，在這些條件下，分辨精細(xì)細(xì)節(jié)至關(guān)重要。

像素的大小也決定了傳感器上的像素?cái)?shù)，固定的傳感器尺寸在表面上具有較多的像素，而像素表面積較小。

相機(jī)分辨率由像素大小、鏡頭光圈、放大倍率和奈奎斯特限制決定。克服奈奎斯特限制取決于像素大小，像素越小，細(xì)節(jié)越小。這是因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰物體之間的距離需要大于一個(gè)像素大小的距離，從而可以捕獲一個(gè)黑色像素來(lái)區(qū)分兩個(gè)物體之間的間隙。

鏡頭分辨率受衍射限制。當(dāng)來(lái)自物體的光通過(guò)透鏡孔徑衍射時(shí)，就會(huì)形成通風(fēng)圖案。這些艾里圖案具有明亮的中心點(diǎn)，稱為艾里圓盤，其角半徑由透鏡孔徑直徑?jīng)Q定。如果兩個(gè)相鄰物體之間的角間隔大于艾里圓盤的角半徑，則可以分辨兩個(gè)相鄰物體。由于這與光圈直徑成反比，因此鏡頭光圈越大，分辨率越高。

在為研究應(yīng)用選擇合適的相機(jī)時(shí)，需要考慮像素尺寸和鏡頭光圈直徑。

審核編輯 黃宇