根据光学系统分辨率选择合适的相机
发布时间:2022-03-23 00:00:00 阅读次数:1321
分辨率是光学系统的一项重要性能指标,用于衡量系统的成像能力。成像系统的分辨率由光学分辨率和相机分辨率两部分决定,根据短板效应,其大小取决于其中较低的那个。可以将光学系统看成是线性不变的低通滤波器,一般来说,高频部分反映物体的细节传递能力,中频部分反映物体的层次传递情况,而低频部分则反映物体的轮廓传递情况,如图1所示,物体经光学系统成像,频率不变,对比度下降,并在某一频率处截止,即对比度为零。

图1.光学滤波示意图。

当系统受限于光学分辨率时,提高相机分辨率也不能使一些细节清晰成像,而当系统受限于相机分辨率时,可以选择更换更换像元尺寸更小的相机,以此来提高成像系统的分辨率。 

实例

利用显微镜直接观察荧光样品,荧光波长为626 nm,光路中除物镜之外,其余光学元件无放大效果。物镜具体参数为:放大倍数20X,数值孔径(NA)0.85,判断选用像元尺寸为6.9 μm的CMOS相机探测是否合适?

计算光学分辨率与相机分辨率如下:

  • 光学分辨率=0.61λ/NA

=0.61*626/0.85=449.2 nm;

  • 探测器分辨率 =2*相机像元尺寸/放大率

=2*6.9/20=0.69 μm=690 nm;

此时,探测器分辨率远低于光学分辨率,其组合分辨率取决于相机的分辨率,更换相机可以提高分辨效果。

若物镜不变,那么应该选择多大的像元尺寸?

  • 根据探测器分辨率计算公式,反推相机像元尺寸=分辨率*放大率/2=449.2*20/2=4492 nm=4.492 μm

故应选择像元尺寸小于4.492 μm的相机。这样相机分辨率高于成像系统的分辨率,其组合分辨率取决于物镜的分辨率。

在为成像系统选择探测相机时,分辨率可作为一项重要的参考指标。当然这不是唯一参考,探测器的信噪比、暗电流噪声以及响应速度也是决定其能否适用的重要参数。较小的像元尺寸可以拥有更高的分辨率,从而提高探测的画面细节,但信噪比低;暗电流噪声与芯片温度有关,最终影响信噪比;响应速度即帧率,应与物体变化相匹配。这些因素都影响相机的价格,用户可以根据实际要求挑选高性价比的相机。

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