像素大小和相机分辨率

　　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 α nm 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