相机基础知识
诸如CCD或CMOS之类的相机传感器可将入射光转变为电信号进行处理。这个处理过程并不完善；因为撞击传感器的每个光子不一定都会让传感器产生对应的电子。量子效率(QE)即光子产生电子的平均概率，用转换百分数表示。与具有低量子效率成像器的相机相比，具有高量子效率成像器的相机产生信号所需的光子较少。
量子效率与成像器构成材料(例如，硅)的性能有关。由于硅的波长响应不均匀，QE便也是一个与波长相关的函数。图1和下面的总结表格中提供QE曲线，可以在特定应用的波长范围下比较不同相机的响应率。注意，科研级相机内的行间转移CCD通常印有微透镜阵列，在空间上与像素阵列相匹配。这样，落在光敏像素之外的光子就被重新引导至像素，使传感器获得最大填充因数。此处的QE曲线图包含了微透镜阵列的影响。
购买相机时，需要考虑预期应用，也就是进行所谓的“光预算”。在强光下，选择量子效率足够高的相机就可，然后再考虑其他因素，比如传感器格式、帧率和接口。在低光下，需要考虑量子效率，以及读出噪声和暗电流，见下所述。
噪声源
在相同照明条件下，对相同的物体拍摄几张图片，每个像素记录的信号仍会有所差异。假设照明强度恒定、均匀，相机拍摄图像中的“噪声”是测量信号中空间和时间振动的总和。噪声中含有几部分分量：
· 暗电流散粒噪声(σD)：即使在没有光子入射到相机上，也会存在暗电流。它是由硅片中自发产生电荷而引起的热现象(价电子经过热激发至导带中)。在曝光过程中，暗电子数量的变化即为暗电流散粒噪声。它与信号高低水平无关，但与传感器的温度有关。随着温度降低，暗电流会减少，因此，冷却相机可以减少相关的暗电流散粒噪声。
读出噪声(σR)：产生电子信号时，就会生成读出噪声，主要是在读出放大器处测量电子的误差造成，这一般由传感器的设计引起，但也会受到相机电路的设计影响。它与信号高低水平和传感器温度无关，大于较快的CCD像素时钟速率。
· 光子散粒噪声(σS)：该噪声是与落在像素上的光子相关的统计噪声。由于光子的测量结果符合泊松统计结果，光子散粒噪声便与测量信号高低水平有关。它与传感器温度无关。如果光子散粒噪声明显高于暗电流散粒噪声，那么，冷却相机对噪声的改善作用就可忽略不计。
· 固定图形噪声(σF)：该噪声是由像素效率的空间不均匀性引起的，与信号高低水平和传感器温度无关。注意，在下方的讨论中，固定图形噪声可以忽略不计；对于我们科研级CCD相机而言，这是一种有效假设，但对于其它非科研级的传感器而言，可能需要考虑该噪声。
图像质量(由信噪比[SNR]表示)是一个比值，即：
· 信号电子的数量，其估算为以下项的乘积：
o 亮度级，用光子/秒表示的光子通量表示
o 曝光持续时间(秒)
o 和量子效率(QE)
· 比，噪声电子的数量，其估算为以下项的正交和：
o 光子散粒噪声
o 读出噪声
o 和暗电流散粒噪声
由光子产生的信号电子，与图像生成、读出和数字化期间产生的噪声电子无法区分。SNR是一种方便的“优值”，以评估在特定条件下，信号电子如何良好地克服系统中的噪声电子。它提供了一种定量比较图像的方法，因为SNR较高通常意味着图像质量有着明显的提高。
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Exposure |
Camera Recommendation |
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< 1 s |
Standard Non-Cooled Camera Generally Sufficient |
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1 s to 5 s |
Cooled Camera Could Be Helpful |
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5 s to 10 s |
Cooled Camera Recommended |
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>10 s |
Cooled Camera Usually Required |
强光成像
强光条件被认为“散粒噪声有限”，意味着光子散粒噪声是噪声的主要来源，而暗电流可以忽略不计。鉴于此，SNR与信号的平方根成比例。因此，增加曝光时间并不会对图像质量有很大影响。这样，就可以使用QE足够高的任意传感器了。其他考虑，比如成像器尺寸、包装尺寸、成本、接口、快门、触发、配件和软件，可能对选择过程更为重要。通常不要求TE冷却，因为曝光时间很短，暗电流散粒噪声很少。
低光成像
低光条件被认为“读出噪声有限”，意味着光子产生的电子必须克服传感器中的读出噪声，而其他传感器噪声源在这种条件下可以忽略不计。这种情况下，信噪比与曝光持续时间具有线性关系，因此，曝光较长时间拍摄低光图像时，效果明显要好。但是，并不是所有应用都能忍受长时间曝光；例如，视场中强度或运动快速变化的情况。对于低光图像，具有一个读出噪声低、QE高、暗电流慢的成像器有助于成像。正因如此，我们推荐在低光应用中使用我们的科研级CCD或sCMOS相机。曝光持续时间超过大概3到5秒时，TE冷却比较有益。
其他考虑
即使暗电流散粒噪声不是总噪声的主要来源，曝光时间长也应该考虑到热电冷却器，因为冷却有助于减少热像素效应。热像素在长时间曝光后会出现“星场”图形。
我们的科研级CCD相机基于行间CCD传感器。行间CCD可被视为一种在水平和竖直(H x V)像素阵列上产生二维电荷矩阵的装置。每个像素累积的电荷与曝光期间入射光子的数量成比例。曝光后，电荷矩阵的每个电荷横向移动到相邻的遮光元件中。储存的电荷逐行垂直地移入或移动到水平移位寄存器中。一行电荷被加载到水平移位寄存器之后，电荷会连续移出装置，并转变成电压，用于产生模拟和/或数字显示。这种结构的优势在于，一旦电荷转移到遮光列中，下次曝光便可立即在光敏像素上开始。
下面的讨论，我们主要集中于给显微镜物镜搭建的成像系统计算视场；有关使用机器视觉相机镜头时的视场信息。
在显微镜系统中，需要知道相机传感器的大小会如何影响能够在给定时间内成像的样品区域。这也就是所谓的成像系统的视场。它的计算方法是用以毫米为单位的传感器尺寸除以成像系统的放大倍率。
选择成像器的尺寸时，还必须与传感器的其他参数相平衡。一般而言，增大传感器的尺寸，会减小最大帧率。
相机传感器的大小一般以“格式”表示。格式指定以分数英寸表示，代表视频管的外直径，视频管的成像对角线最接近数字传感器芯片的对角线。这些尺寸并不十分标准，因此，不同制造商的相同格式，在具体尺寸中，有时甚至是高宽比，都会存在有些差异。图1以35 mm胶片帧为比例，展示了几种格式的传感器近似尺寸。
图1：不同相机格式大小的图示，参考35 mm的全帧幅。请注意，显示的大小和高宽比为近似值，其因特定传感器而异。
人们常将像素数(H x V)误解为相机的分辨率。但准确地来说，分辨率是光学分辨率：分辨微小特性的能力。我们下面的讨论将主要集中在使用显微镜物镜的成像系统。
计算成像系统的分辨率
在成像系统中，分辨率是有极限的。在设计用来限制像差的成像系统中，比如高质量显微镜中，对分辨率的唯一限制来自于衍射。在焦平面处的图像可以被认为是物体每个点独立而重叠的衍射图案的集合。当一个衍射斑或艾瑞斑中心的最大值在另一个衍射斑或艾瑞斑的第一极小值的位置时，两个相邻的点刚好可以被分辨出来。这种情况就是所谓的瑞利准则，可以表示为：
R=1.22λ/(2NA),
此处，R为两个艾里斑之间的距离，λ为光的波长，NA为显微镜物镜的数值孔径。例如，数值孔径为0.75的物镜，分辨率为(1.22*550 nm)/(2*0.75) = 0.45 μm。
确定所需的相机像素大小
显微镜的物镜也具有放大倍率；该值表示样品在图像平面的放大量。例如，2倍物镜生成的图像尺寸为原物体的两倍。因此，如果使用数值孔径为0.75、放大倍率为40倍的物镜，在550 nm的光下，样品的分辨率极限为0.45 μm。样品中长度为0.45μm的特征将在图像中放大40倍，使得该特征在图像平面处长为17.9 μm。
为了精确地表示CCD或CMOS相机离散成像阵列上的图像，需要运用奈奎斯特准则，即图像可分辨的最小特征需要传感器以两倍该速率采样；也就是说，需要(至少)两个像素捕获每个光学可分辨特征。在上面数值孔径为0.75、放大倍率为40倍的物镜例子中，这就意味着像素大小需要小于或等于8.9 μm，因此，至少需要两个像素才能准确地呈现最小可分辨特征的图像。
最后一个例子中，成像的光学元件是成像系统分辨率的限制因素；但是，有些物镜(尤其是放大倍率值较低的物镜)可分辨的最小特征可能太小，以致无法通过相机成像。例如，数值孔径为0.13、放大倍率为4倍的物镜，在550 nm的光下，可分辨的最小特征长为2.58 μm，这就要求相机像素大小为5.2 μm。由于我们相机的最小像素尺寸为5.5 μm，相机就成为了该成像系统中的限制因素；而可以成像的最小样品特征为3.7 μm。
分辨率与波长
分辨率与波长成比例关系，因此，需要考虑成像波长对分辨率的影响，因为它与特定的成像系统有关。图2为几种数值孔径的物镜(实线)投影图像尺寸与波长关系的曲线图。图中还给出了假设都使用60倍物镜时，每种相机类型可分辨的最小特征(图2中的虚线)。
图2呈现了成像系统中分辨率的一个重要细节。波长越短，越接近紫外波段，物镜可以成像的最小尺寸越小。但是，给这些较小的特征成像也要求较小的相机像素。实线位于虚线下方处的特征无法通过相机成像(相机成为了该成像系统的限制因素)；与此相反，实线位于虚线上方处的特征能够通过相机成像(物镜成为了该成像系统中的限制因素)。
