技術(shù)文章
時間:2026-04-01
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光學(xué)成像系統(tǒng)中,如果說物鏡+顯微鏡筒是傳遞和收集光信息的成像前線,那么相機傳感器則是匯聚光和轉(zhuǎn)換光信息的核心處理站。
鏡頭的分辨率決定了成像能力的最高上限,鏡頭和相機的匹配程度則決定了視覺系統(tǒng)的最終檢測精度和檢測效率。

如何為鏡頭匹配合適的相機?
大多數(shù)顯微鏡物鏡是圓形的,而相機傳感器通常是矩形的。因此,如果相機傳感器尺寸太大,物鏡將光聚焦在相機傳感器的一個小圓形部分,導(dǎo)致暈紋,并且在圖像中呈現(xiàn)暗邊和黑角。
后置適配器,相當(dāng)于傳統(tǒng)顯微鏡中的目鏡,其作用是在不影響圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上,最大化相機的成像視野。
適配器的放大倍率越高,獲得的視場越小。另一方面,適配器的放大倍率越低,視場越大。但是放大倍率過低,則可能導(dǎo)致圖像出現(xiàn)光暈;如果放大倍率過高,圖像信息會丟失,出現(xiàn)黑角。
下面是針對不同傳感器芯片選擇適配器放大倍率的快速參考:
| 傳感器芯片 | 適配器匹配倍率參考 |
| 1/3'' | 0.35x |
| 1/2'' | 0.5x |
| 2/3'' | 0.66x |
| 1'' | 1x |
像元 Pixel Size是指相機的一個像素在長和寬方向上所代表的實際大小,是匹配相機最重要的決定因素之一。理論上像元可以通過顯微鏡的分辨率和樣品采樣頻率計算得到:
確定顯微鏡分辨率
根據(jù)根據(jù)使用Ernt Abbe的橫向(即XY)分辨率衍射公式: 鏡頭系統(tǒng)的分辨率d=λ/2NA
例如:當(dāng)照射波長λ =550nm, 4x NA值為0.2物鏡,分辨率d=550/(2 x 0.2)=1375nm
計算采樣頻率fs
為了讓物鏡分辨到的樣品細節(jié)也能被相機分辨清楚,根據(jù)奈奎斯特采樣定理(為了充分再現(xiàn)信號,應(yīng)按周期以期望最高采樣頻率的2倍進行采樣。)
fs=d/2=1375/2=687.5nm
計算像元尺寸
像元尺寸=采樣頻率x系統(tǒng)放大倍數(shù),在上面的例子中像元尺寸=687.5x4=2750nm=2.75μm
下面是一組常見放大倍數(shù)和匹配像元尺寸μm的表格:
| 物鏡/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 |
分辨率指的是傳感器上的像素格數(shù)=水平像素數(shù)×垂直像素數(shù),比如2448 x 2048≈5MP
一般來說,分辨率較高的相機能有更小的像元尺寸。然而,顯微鏡的光學(xué)限制決定了,更高的像素數(shù)或更小的像元尺寸并不總是能提供更高的分辨率。另一方面,像素越大,收集的光越多, 這對相機的靈敏度有影響。因此,需要在分辨率和靈敏度之間進行權(quán)衡。
實現(xiàn)更好的分辨率的關(guān)鍵是根據(jù)相關(guān)的NA值、放大倍率、采樣頻率選擇適當(dāng)?shù)南裨叽纾趦蓚€相同尺寸的候選傳感器之間,建議優(yōu)先選擇像元較小的傳感器。
在機器視覺產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天,用戶很容易就能在市場上找到不同規(guī)格,不同成像特點的工業(yè)傳感器/相機,搭建一個最合適的視覺檢測系統(tǒng)的挑戰(zhàn)性在于相機+鏡頭成像系統(tǒng)最終的匹配度。

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成像案例參考:
顯微鏡頭+相機 硬核成像案例
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