相机像素大小（像素大小）与成像系统分辨率之间的关系

在显微成像系统中，分辨率通常用于评估其成像能力. 这里的分辨率通常是指光学系统的极限分辨率和成像检测器的图像分辨率. 最终图像的实际分辨率取决于两者的综合影响. 如果光学分辨率太高，则如果图像分辨率不够精细，则实际分辨率将降低到低于图像分辨率；否则，图像分辨率会降低. 如果相机分辨率太高，但是光学系统的分辨率低，则无法清晰地看到物体. 精细的结构. 因此，在选择相机时，我们最好根据系统需要达到的分辨率进行考虑（请直接移至文章底部以得出实际操作的结论）.

1. 光学系统分辨率

光学系统的分辨率是指最小距离，在该距离下可以详细分辨“物体”通过光学系统后的“图像”. 通常，我们将使用光学系统可以区分的两个图像点之间的最小距离. 可以将大于此距离的两个像点识别为两个点，小于此距离的两个像点将通过光学系统. 将被认可为一点. 对于黑白图案（荧光样品实际上是黑白图案），此分辨率也可以用在单位距离内可分辨的黑白线的数量表示. Lamellipodia和Filopodia之间的区别.

图1从“事物”到“喜欢”的变形

该分辨率的原因是由于光学系统的衍射和像差，从“物体”到“图像”发生“失真”. 这种失真是由空间中高频信号的丢失引起的（光学系统可以被视为空间中的低通滤波器，它只能允许一定带宽内的空间频率信号通过）. 常见的理解是减弱“黑色”到“白色”过渡的清晰度和对比度，使其平滑而模糊. 如下图所示，黑白条纹的真实灰度可以由方波信号表示. 通过光学系统后，如图像A和下面的波形所示，原始信号被“平滑”，方波的每个峰都被加宽为贝塞尔峰，并且信号的斜率在黑色交点处发生变化. 白色下降到固定水平（此下降斜率是系统带宽产生的滤波效果）. 当我们使原始条纹密集（增加空间频率）时，系统仍会以固定带宽进行滤波，以便这些加宽的峰会彼此重叠，从而失去重叠部分的对比度，从而产生图像B的效果. 切换到带宽更宽的系统2时，信号的高频部分将得到更好的保留，因为在黑白结处信号变化的斜率更大，并且对比度更接近实际情况，例如作为图像B'.

回到我们熟悉的生物荧光成像，上面的分辨率概念与样品的发射光的波长和通过瑞利标准的光学系统的数值孔径有关. 也就是说光学系统分辨率，在传统的宽视场荧光下，光学系统的最终分辨率为d =0.6λ/ NA. 波长越短，NA值越大，分辨率越高（可以将其理解为在空间中保留高频信号的程度越高）.

2. 相机图像分辨率

在讨论光学系统的分辨率之后，让我们看一下相机的图像分辨率. 图像分辨率相对容易理解，即在一个单位距离内使用多少像素显示图像. 以我们的ORCA-Flash4.0为例，该芯片的像素大小为6.5μm. 在40倍物镜的放大率下，光学系统会将1μm的物体放大为40μm的图像. 这样的图像将显示为40 / 6.5 = 6.15像素，因此图像分辨率为6.15像素/μm. 如果将实际对象推回，则图像中像素所代表的实际距离为1 / 6.15 = 162 nm（实际上是像素大小/放大倍数）. 根据这个原理，我们可以得出结论，像素尺寸越小，图像分辨率越高.

3. 相机采样与光学分辨率的匹配关系

那么如何选择成像系统以匹配图像分辨率，以使整个系统达到光学极限分辨率？在这里，我们还需要使用上图中的黑色和白色条纹示例. 无论是图中的图像A，B还是B'，x方向上图像的灰度都可以通过图像下方的波形图显示. 相机芯片将以该像素大小作为单位距离均匀地整合此方向上的曲线，以获得每个像素的值. 此过程是连续信号的离散采样. 因为芯片上的像素以固定的距离排列，所以此样本的空间采样周期l对应于像素大小（更准确地说，两个像素的中心点之间的距离，因为需要考虑芯片填充因子），该频率是单位距离内的像素数. 上述黑白条纹图案的空间频率是白/黑条纹重复出现的频率，条纹间隔是它们的空间周期d. 频率越高，周期d越短. 根据奈奎斯特采样定理（请参阅: ），我们需要使用连续信号最高频率的两倍作为离散采样的频率，以恢复连续信号的特性. 因此，我们需要的芯片采样周期l应小于或等于条带间隔d的一半. 对于彼此靠近的两个对象点也是如此. 这样，我们可以将光学极限分辨率与像素大小联系起来. 对于生物成像系统，光学极限分辨率是与荧光信号变化的最大频率相对应的空间周期d =0.6λ/ NA，因此像素大小l = d×放大倍数/ 2（请注意，将物点放大了通过物镜得到的下一个像点的距离为d×放大倍率.

图3“图像”的空间频率和相机的采样频率

1. 现有的显微镜和照相机，我想知道当前成像系统的分辨率是什么

我们可以使用桶理论来考虑这个问题. 光学系统的分辨率（光学分辨率）和相机的图像分辨率是整个成像系统分辨率的“木板”上的两个“木板”. 成像系统的分辨率等于其中两个“木板”的较差.

对于显微镜:

光学分辨率= 0.61 *λ/ NA.

其中，λ是波长（对于荧光显微镜光学系统分辨率，是荧光探针的发射波长）； NA是物镜的数值孔径（可以在物镜上找到）.

相机图像分辨率= 2 *像素大小/放大倍率

举一个具体的例子: 一个荧光显微镜，带有一个NA1.4 63x油镜，在光路上没有其他放大倍数；观察一个509nm绿色荧光样品.

（1）一种Hamamatsu Flash 4.0相机，像素大小为6.5um. 其光学分辨率为:

光学分辨率= 0.61 * 509nm / 1.4 = 222nm

其相机的图像分辨率为:

相机图像分辨率= 2 * 6.5um / 63 = 206nm

比较两者，光学分辨率差（即该值较大），因此整个系统的分辨率限于光学分辨率，即222nm.

（2）如果使用的是11um相机. 其光学分辨率仍然相同:

光学分辨率= 0.61 * 509nm / 1.4 = 222nm

但是其相机的图像分辨率为:

相机图像分辨率= 2 * 6.5um / 63 = 349nm

比较两者，相机的图像分辨率差（即值较大），因此整个系统的分辨率限于相机像素的大小，即349nm.

2. 现有的显微镜，我想知道如何从成像分辨率的角度选择相机

首先，以下建议仅从成像分辨率的角度出发. 选择摄像机时，信噪比通常是更关键的考虑因素.

我们以GFP发射波长λ= 509 nm为例. 当使用具有不同放大倍率的普通显微镜物镜时，光学极限分辨率和相应的相机芯片像素大小匹配如下:

原则上，实际像素大小应小于理想像素大小. 像素越小，细节的分辨率越好（但小于理想值的1/2不会显着改善）

但是从图像信噪比的角度来看，像素越大，信噪比越高. 除了不同相机的像素大小不同外，灵敏度和噪点也不同. 因此，在选择成像系统时，必须充分考虑实际情况，以平衡并选择各种条件.

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/shumachanpin/article-185058-1.html