淺談數位相機感光技術與拍攝

-遲日江山麗,春風花草香。泥融飛燕子,沙暖睡鴛鴦-

透過眼睛,秀麗光景穿過眼睛鞏膜、瞳孔、水晶體、玻璃體最後投射在視網膜上,讓我們接觸到大自然的各種美麗景色,宛如我們的靈魂之窗。

數位相機也如同眼睛一般,裏頭有個感光元件扮演視網膜的角色,通常是CCD (Charge Coupled Device,電荷耦合元件) 或是CMOS(Complementary Metal– Oxide -Semiconductor)。這類型感光元件是一種高度光敏感的半導體材料,能收集來自鏡頭的光線並轉換成電子數位訊號,進而產生數位影像。感光元件產生影像的大致流程包括:

1. 感光顆粒陣列的曝光。

2. 光子累積後轉換成電子。

3. 勢井(potential well)收集電子。

4. 放大器放大輸出訊號。

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在這其中每一個感光顆粒對應數位照片裡的一個像素,經過步驟2、3、4產生不同強度的電子訊號,最後電腦再將這些訊號依強度解讀為各種深淺的灰階值,幾百萬個不同深淺的灰色小點就能拼湊成一幅完整的影像!

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感光元件的靈敏度?

拍夜景、生日吹蠟燭、燭光晚餐…,我們常讓相機處於光線不足的情況下進行拍攝,如果相機對光的靈敏度不夠,相機就必須延長曝光時間,但長曝光時間容易因震動而模糊影像,同時也造成影像傳輸延遲,變得遲眉鈍眼。所以感光元件的靈敏度在微光、昏暗環境下便顯得格外重要。量子效率(Quantum Efficiency,QE)亦稱光電轉換效率,能評估感光元件的靈感度—也就是光子轉換成電子的能力。高QE的感光元件能在昏暗環境中偵測到微弱光芒,例如從組織細胞發出的蛋白螢光。QE值如下表示:

QE = ne/np         

其中ne為感光元件產生的光電子(photoelectrons)數,np為感光元件捕捉到的光子數。市售消費型相機的QE值通常約在20%~50%之間,而工程級或科學級的高階感光元件則能提升至70%以上。若再輔以其他技術如薄型背照式CCD (Back Thinning/Illuminated CCD),讓入射光從CCD背面進入,QE值甚至可提高至90%以上。相對的,背照式CCD製造成本及技術門檻也高出許多。影響感光元件吸收光子的效率除了本身的半導體矽材料,入射光波長也會影響其吸收能力。波長超過1100nm的光子由於能量太低,不容易在感光元件上產生光電效應。通常在450~750nm可見光區間是最容易被吸收產生光電效應的波長,所以此範圍的QE也相對較高。靈敏的感光元件在短時間內就能收集到足夠的光線,同時減少噪訊(noise)產生的機會,更清晰的拍攝快速移動或光訊號微弱的樣本。

像素越多越好?

一般總是認為相機的像素(Pixel)越高,照片品質就越好。“600萬像素比300萬像素好,能有1000萬像素更好”。這其實只對了一部份,有時候高像素甚至會產生反效果:一個和尚有水喝,兩個和尚搶水喝,三個和尚沒水喝!高像素雖然能記錄更多影像細節,但在相同感光面積的感光元件上,因為感光能力有限,在來源光線及感光元件物理面積有限的情況下,為了增加更多像素勢必得讓感光顆粒變小,反而每一個像素捕捉到的光子變少,減少了光的吸收,造成圖像曝光不足、成像品質低落。另外,顯微鏡因物理限制有光學繞射極限(diffraction limit),不能無窮解析樣品的影像,所以即使用上更高像素數的感光元件,拍攝高倍率、超過光學繞射極限的影像也無法拍出更清楚的影像。

為達到更佳的感光能力及成像品質,感光元件尺寸就必須加大,讓感光顆粒也變大以增加捕捉光的效率。一般常見的感光元件尺寸(對角線長度)有1/2.5”、1/1.8”、2/3”、1”,尺寸越大相對截取光線越多,對成像品質有實質上的助益。但大尺寸感光元件製造良率較低、耗電、速度慢,價格也較高昂。所以只是一味的追求高像素相機並無法拍出品質佳的照片。

黑白或彩色?

axiocam-512-color.jpg                          axiocam-702-mono.jpg

為什麼常看到相機要分成黑白或彩色呢?雖然感光元件的原理類似人體眼睛裡的視網膜,但不若視網膜分有錐狀細胞感應彩色光線、柵狀細胞感應光線強度。如文章第一段所述,因為感光元件藉由捕捉光子產生0與1的電子數位訊號,所以感光元件的影像最初只有單色灰階影像。若要產生彩色影像,就必須在CCD前再多放一塊紅(R)綠(G)藍(B)色的濾色片,濾色片上整齊重複排列R、G、B三種顏色的微小透鏡,每種顏色的下方位置都對應一個感光像素,若感光像素上面對應紅色區塊,感光像素就感應到穿過濾片的紅光,有些像素感應綠光,其餘則感應藍光。

整體而言,負責感應紅光的像素只有原本像素的1/3,另外的藍、綠色光也各只有1/3。有了RGB訊號,電腦就能將他們組合成彩色影像。但為了獲得三色影像我們便犧牲了像素解析度,每個顏色解析度只剩1/3,而且因為光路上多了這層彩色濾片,造成更多光子損失,所以感光元件捕捉的光子變少了,彩色感光元件的感光力就比不上無濾片的單色感光元件!

儘管現在有許多技術如三濾片感光元件、像素位移掃描式感光元件等可以彌補彩色感光元件的不足,但整體而言單色相機的效能還是比彩色相機更卓越。所以一旦您需要拍攝微弱光訊號,或需求高速快門、高速攝影,單色相機還是最佳選擇;但若需拍攝組織染色等彩色樣本,彩色相機依然是不二的選擇!

工欲善其事,必先利其器。在顯微攝影時想拍出完美照片,一切都脫離不了光,必須讓一切的細節精準到位:

  1. 具備一台高感度(QE值)的相機
  2. 使用穿透光顯微鏡攝影時,適切的調整燈源亮度。
  3. 使用反射光(螢光)顯微鏡攝影時,確保激發光源穩定且明亮。
  4. 製作良好的樣本(樣品切片薄、正確且對比明顯的染劑)
  5. 妥善調整顯微鏡光路
  6. 高解像力的鏡頭

在一切細節完美的就緒,就在按下快門的一刹那,所有的美麗圖像精巧細節便能為你盡蒐眼底!

參考資料來源:蔡司顯微鏡 ZEISS On-line Campus   http://zeiss-campus.magnet.fsu.edu

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