像素大小像素是传感器的一部分,它收集光子,以便将它们转化为光电子。多个像素覆盖传感器表面,因此可以确定检测到的光子数量以及这些光子的位置。
像素有许多不同的尺寸,每种尺寸都有其优点和缺点。较大的像素由于表面积的增加而能够收集更多的光子。这允许更多的光子转化为光电子,从而提高传感器的灵敏度。但是,这是以分辨率为代价的。
较小的像素能够提供更高的空间分辨率,但每个像素捕获的光子更少。为了克服这个问题,可以对传感器进行背照,以最大限度地提高每个像素捕获和转换的光量。
像素的大小也决定了传感器的整体尺寸。例如,具有 1024 x 1024 像素的传感器,每个像素的 169 μm2表面积,传感器尺寸为 13.3 x 13.3 mm。然而,具有相同像素数的传感器,现在具有 42.25 μm2表面积,传感器尺寸为 6.7 x 6.7 mm。
相机分辨率
相机分辨率是成像设备分辨靠近的两个点的能力。分辨率越高,可以从对象中解析的细节就越小。它受像素大小、放大倍率、相机光学元件和奈奎斯特极限的影响。相机分辨率可以通过以下公式确定:
其中 2.3 补偿奈奎斯特极限。该限值由样本的瑞利准则确定。瑞利准则的定义是,是否可以将两个相邻的艾里圆盘(来自光源的衍射图案的中心亮点)彼此区分开来,从而确定可以分辨的最小点(如图1所示)。
图 1:左图:两个相邻的 Airy 圆盘,可以相互区分。右: 两个无法区分的 nieghboring Airy 圆盘,因为它们低于瑞利准则。
奈奎斯特极限决定了传感器是否可以区分两个相邻物体。如果两个物体之间的距离大于奈奎斯特极限,或超过该极限至少 2 倍,则传感器可以区分两个物体。奈奎斯特极限由您尝试成像的物体的空间频率(给定距离内的亮点数)决定。例如,如果您尝试测量相距 α nm 的几个亮点,则至少需要测量每个αnm 以捕获空间频率(即解析亮点)。这种空间频率允许将亮点之间的间隙捕获为黑色像素(即没有信号的像素)。如果亮点之间的距离小于像素的大小,则不会捕获黑色像素,因此无法解析亮点。这就是为什么像素越小,分辨率越高,如图 2 所示。
图 2:示意图显示,两个对象之间至少需要有一个像素宽度才能克服奈奎斯特极限,从而可以解析两个对象。这就是为什么较小的像素提供更高的分辨率,因为它们能够区分较小的物体。
镜头分辨率
在确定整体系统分辨率时,考虑相机镜头的分辨率也很重要。透镜分辨物体的能力受到衍射的限制。当物体发出的光通过透镜孔径时,它会发生衍射,在图像中形成衍射图案(如图3A所示)。这被称为 Airy 图案,并且有一个中心点被明亮的环包围,中间有较暗的区域(图 3B)。中心亮点称为艾里圆盘,其角半径由下式给出:
其中 θ 是角分辨率(弧度),λ 是光的波长 (m),D 是透镜的直径 (m)。
被成像物体上的两个不同点会产生两种不同的 Airy 图案。如果两点之间的角间隔大于它们的艾里圆盘的角半径,则可以解析两个物体(瑞利准则)。但是,如果角度间隔较小,则对象上的两个不同点将合并。如图3C所示。
图 3:(A) 光源通过透镜孔径时产生的衍射图案的描述。(B) 由通过孔径的光衍射确定的艾里图案示例。(C) 顶部:两个相邻的 Airy 图案,由于 Airy 圆盘的分离,它们可以相互区分。中间:两个合并的 Airy 磁盘,防止它们被区分。底: 两个相邻的 Airy 模式完全合并。
艾里圆盘的角半径由透镜的孔径决定;因此,镜头光圈的直径也决定了分辨率。由于透镜孔径的直径与艾里圆盘的角半径成反比关系,因此孔径越大,角半径越小。这意味着更大的光圈会导致更高的镜头分辨率,因为较小细节之间的距离可以保持大于艾里圆盘的角半径。这通常就是为什么天文望远镜具有较大的透镜直径,以便能够解析恒星中更精细的细节。
总结
像素有各种尺寸,具体取决于应用程序所需的内容。大像素尺寸最适合不太关心高分辨率的低光成像条件。相比之下,较小的像素尺寸最适合明亮的成像条件,在这些条件下,分辨精细细节至关重要。
像素的大小也决定了传感器上的像素数,固定的传感器尺寸在表面上具有较多的像素,而像素表面积较小。
相机分辨率由像素大小、镜头光圈、放大倍率和奈奎斯特限制决定。克服奈奎斯特限制取决于像素大小,像素越小,细节越小。这是因为两个相邻物体之间的距离需要大于一个像素大小的距离,从而可以捕获一个黑色像素来区分两个物体之间的间隙。
镜头分辨率受衍射限制。当来自物体的光通过透镜孔径衍射时,就会形成通风图案。这些艾里图案具有明亮的中心点,称为艾里圆盘,其角半径由透镜孔径直径决定。如果两个相邻物体之间的角间隔大于艾里圆盘的角半径,则可以分辨两个相邻物体。由于这与光圈直径成反比,因此镜头光圈越大,分辨率越高。
在为研究应用选择合适的相机时,需要考虑像素尺寸和镜头光圈直径。
审核编辑 黄宇
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