數位影像基礎原理│數位攝影機與顯微鏡的搭配

文章來源：https://www.microscopyu.com/digital-imaging/fundamentals-of-digital-imaging

類比影像的拍攝與顯影在這個講求效率的時代中，除了在某些特定場合與需求外，目前大部分的影像都被數位攝影機取代，在”取得影像”這方面，數位攝影機在感測器上就已經先將影像分割成一格一格的像素，再藉由現代電腦視覺技術的發展，將影像編碼解碼儲存成不同格式的圖檔，用各種數值調整方法做影像後處理。而在顯微鏡觀察細微特徵的影像中，攝影機與顯微鏡的搭配也是成像結果的重要一環。在第一步「取得影像」中，會遇到的第一個問題是：數位攝影機的感測器像素是不是愈多愈好呢？

眾所皆知，像素數愈高則影像可以被分割成更小的單位，也就可以得到愈精細的解析度與愈細緻的畫面，若像素數不夠，甚至會導致無法辨識的狀況。但只追求高像素數是沒有辦法得到更細緻影像的，原因在於攝影機感測器的像素尺寸需要與光學鏡頭的解析度需求搭配，當光學解析度無法再更小，即使感測器能將影像分割更細也沒有意義。（圖1）

▲圖1 中圖是像素數適中的結果，右圖因像素不足無法辨識為 2，左圖則因光學解析度已到達繞射極限，即使增加攝影機感測器的像素數仍只能得到和中圖一樣的結果，因此增加了製作成本但未得到影像更細緻的效益。

既然如此，會產生第二個問題：要怎麼知道多少像素數才是適中的呢？

像素數是由像素尺寸與感測器晶片尺寸計算而來的，其關係如下：

像素單位尺寸 × 像素數 = 晶片有效尺寸

所以需要先了解像素尺寸與感測器晶片有效尺寸怎麼計算。一般來說，感測器的像素至少要比光學解析度小一半才恰可辨識，即 “光學解析度/感測器像素尺寸 > 2”。例如在顯微鏡下使用 NA 1.4 的 100 倍物鏡，以波長 550nm 為準計算的阿貝繞射極限為 0.22µm，則經過 100 倍物鏡後投影在感測器表面的尺寸為 22µm，這是光學解析度，套用在感測器的像素尺寸上就是至少要小於 11µm 才能辨識，而再考慮各種偏差與計算需求，實際使用通常像素尺寸建議在光學解析度的 1/3 到 1/10 左右，也就是約 7µm 到 2.2µm 左右。其中 1/3 的比例通常偏向只要辨識即可，若需要使用影像量測則會偏向 1/10。

在確定像素的單位尺寸後，接下來考慮的則是攝影機感測器的晶片尺寸。

長：11000µm / 2.2µm * (4/5) = 4000 (pixel)
寬：11000µm / 2.2µm * (3/5) = 3000 (pixel)