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时间:2026-04-01
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光学成像系统中,如果说物镜+显微镜筒是传递和收集光信息的成像前线,那么相机传感器则是汇聚光和转换光信息的核心处理站。
镜头的分辨率决定了成像能力的最高上限,镜头和相机的匹配程度则决定了视觉系统的最终检测精度和检测效率。

如何为镜头匹配合适的相机?
大多数显微镜物镜是圆形的,而相机传感器通常是矩形的。因此,如果相机传感器尺寸太大,物镜将光聚焦在相机传感器的一个小圆形部分,导致晕纹,并且在图像中呈现暗边和黑角。
后置适配器,相当于传统显微镜中的目镜,其作用是在不影响图像质量的基础上,最大化相机的成像视野。
适配器的放大倍率越高,获得的视场越小。另一方面,适配器的放大倍率越低,视场越大。但是放大倍率过低,则可能导致图像出现光晕;如果放大倍率过高,图像信息会丢失,出现黑角。
下面是针对不同传感器芯片选择适配器放大倍率的快速参考:
| 传感器芯片 | 适配器匹配倍率参考 |
| 1/3'' | 0.35x |
| 1/2'' | 0.5x |
| 2/3'' | 0.66x |
| 1'' | 1x |
像元 Pixel Size是指相机的一个像素在长和宽方向上所代表的实际大小,是匹配相机最重要的决定因素之一。理论上像元可以通过显微镜的分辨率和样品采样频率计算得到:
确定显微镜分辨率
根据根据使用Ernt Abbe的横向(即XY)分辨率衍射公式: 镜头系统的分辨率d=λ/2NA
例如:当照射波长λ =550nm, 4x NA值为0.2物镜,分辨率d=550/(2 x 0.2)=1375nm
计算采样频率fs
为了让物镜分辨到的样品细节也能被相机分辨清楚,根据奈奎斯特采样定理(为了充分再现信号,应按周期以期望最高采样频率的2倍进行采样。)
fs=d/2=1375/2=687.5nm
计算像元尺寸
像元尺寸=采样频率x系统放大倍数,在上面的例子中像元尺寸=687.5x4=2750nm=2.75μm
下面是一组常见放大倍数和匹配像元尺寸μm的表格:
| 物镜/NA值 | 分辨率μm | 理想像元 |
| 4x(0.20) | 1.5 | 2.9 |
| 10x(0.45) | 0.64 | 3.2 |
| 20x(0.75) | 0.39 | 3.9 |
| 40x(1.30) | 0.22 | 4.5 |
分辨率指的是传感器上的像素格数=水平像素数×垂直像素数,比如2448 x 2048≈5MP
一般来说,分辨率较高的相机能有更小的像元尺寸。然而,显微镜的光学限制决定了,更高的像素数或更小的像元尺寸并不总是能提供更高的分辨率。另一方面,像素越大,收集的光越多, 这对相机的灵敏度有影响。因此,需要在分辨率和灵敏度之间进行权衡。
实现更好的分辨率的关键是根据相关的NA值、放大倍率、采样频率选择适当的像元尺寸,在两个相同尺寸的候选传感器之间,建议优先选择像元较小的传感器。
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文章转自Navitar官方微信公众号。