成清晰的像說明什麼

“你這個手機相機解析度是多少？”

“XPPO，前後2000萬，拍照更清晰！”

“哇，解析度這麼高！”

說到解析度，大家第一個反應是看有多少畫素，而且認為畫素越多，解析度就越高，影象質量也越好。這種說法，當我們單純看影象解析度或者顯示器解析度時，也可以說沒錯。但在討論科研相機的解析度和成像質量時，單看畫素個數是不全面的，應該使用更科學的標準來判斷。今天我們就來詳細的聊一聊科研相機的解析度。內容分為以下幾個部分：

科研相機的解析度

顯微鏡的光學解析度

相機與顯微鏡的解析度匹配

C-Mount對解析度的影響

實驗論證

科研相機的解析度

如下圖所示，假設相機晶片尺寸不變，當畫素個數越多時，影象的解析度也越提高。但注意這裡有一個前提，

相機晶片尺寸不變

。事實上，當畫素個數增加時，單個像元的尺寸變小，這才是解析度提高的真正原因。所以更準確地說，是像元尺寸越小，相機解析度越高。

由此我們得到關於解析度的第一個結論：

像元尺寸決定相機解析度。像元尺寸越小，解析度越高。

既然這樣，我們是不是應該總是選擇像元小的相機就好了呢？顯然不是，這裡穿插一點信噪比的討論。以單個像元來看，如果影響信噪比的其他幾個引數如量子效率（QE）、讀出噪聲（read noise）、暗噪聲（dark noise）都不變，

像元尺寸越大，單個像元收集到的訊號越多，則影象的信噪比越高

。所以，信噪比和解析度是相互制約的兩個引數。提高信噪比要求像元儘量大，提高解析度要求像元儘量小。在選擇相機的時候，如果是極弱光和高速的應用，需要追求極限靈敏度，那麼選擇像元儘量大的相機，譬如Photometrics Prime 95B sCMOS像元11 μm；如果追求解析度，那要選擇像元儘量小的相機，譬如Photometrics Iris15，1500萬畫素，像元小至4。25 μm。通常對顯微成像的應用，希望兩者兼顧，我們給出關於解析度的第二個結論：

相機的解析度和顯微鏡的光學解析度需要相匹配，才能獲得高質量的影象。

現在我們先談談顯微鏡的解析度。

顯微鏡解析度

顯微成像，是樣品上的光訊號透過物鏡放大後成像的過程。由於物鏡收集訊號的開口尺寸（Objective aperture）是有限的，訊號在透過物鏡邊界時會發生衍射。這個現象可以把物鏡的開口近似為一個小孔來說明。

如下圖所示，發生衍射後所成的像，比實際的樣品大。通常XY方向在200-300nm，Z方向在500-800nm。

圖2。 衍射極限點

顯微鏡物鏡所成的像，為中間一個亮點，和一系列環繞它的亮度漸弱的衍射環組成，稱為

艾裡斑

。物鏡的

數值孔徑（NA）

越大，中間的亮斑越小。

亮斑的尺寸可以由公式計算：

其中λ是光的波長，NA是物鏡的數值孔徑。

當兩個艾裡斑不斷接近，直到肉眼不可分辨時，艾裡斑中心間隔的距離就是此物鏡的解析度。

圖4。 瑞利判據

物鏡解析度由以下公式定義，稱為瑞利判據（Rayleigh Criterion）

透過以上公式，我們可以計算出各個物鏡的解析度。接下來就是最重要的

相機的解析度與物鏡的解析度匹配

的問題了。那究竟如何做匹配呢？C-Mount又是如何影響解析度的呢？小編先賣個關子，大家一定能從我們解析度下篇中找到答案。

關鍵詞：顯微成像、光學解析度、信噪比、相機的解析度與物鏡的解析度匹配