光学系统的强度取决于它最薄弱的环节。在设计成像系统时，传感器分辨率是一个重要的因素，确保传感器和探测器的良好匹配非常重要。
把这些场景:
和你的鹦鹉自拍
在显微镜上放一个数字传感器
用你的新数码相机拍摄你的无花果甜甜圈
用最简单的术语来说，以上这些都是由一个物体，一个成像物体或透镜，以及一个由一组称为像素的微小光桶组成的传感器组成。像素通过将光子转换成电能来探测光。
从物体中行进的光通过在检测器上形成图像的目标调制
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你如何弄清楚你需要多少像素？嗯，这取决于透镜畸变，衍射和孔径尺寸和焦点之间的折衷。
像差距
像差是图像缺陷，是色或单色。色差与颜色有关：只聚焦某些颜色的颜色井或颜色分解并达到不同的探测器区域将白线变成彩虹条。单色像差是由于设计和镜头放置不适当。这些都有许多味道，包括球形，散光，昏迷和扭曲，以及每个的亚型。
衍射
为了确保尖锐的图像，镜头设计人员需要考虑现有的镜头限制因素，例如衍射。衍射是通过通过诸如透镜圆周的边缘的光的担忧，并且这种透镜将被标记衍射极限．
衍射对图像质量的影响是由f-number表示的f/＃。请注意，这是与镜头焦距的比率 - 不是其入口瞳孔直径的比率 - 而不是镜头的焦距。
f/#=(焦距)÷(瞳孔直径)
对于一个普通的镜头，直径是镜头的直径。如果有虹膜，其直径通常是虹膜的直径。
例1，没有虹膜
镜头:500毫米焦距，100毫米直径
f/#=(500 mm) / (100 mm) = 5
的f/ #f/ 5，发音为“eff-number是eff-five”
例2，用虹膜
镜头:500毫米焦距，100毫米直径
虹膜:直径50毫米
f/＃=（500 mm）/（50 mm）= 10
的f/ #f/ 10.
通过减少相机镜头f/ 5f/10时，焦距增加，图像变暗。通过把f数和衍射联系起来，这将会告诉探测器要区分两个物体必须相距多远。多亏了瑞利勋爵，这一点在公式中得到了体现:
在这里,x是图像中不同点之间的最小距离，λ是波长。因此，波长（紫光是最短的），所需的像素越短。
假设你正在从远处拍摄两盏紫色圣诞树灯的照片。在F / 8.，紫光，x= 3.7微米，这意味着他们的图像必须是> 3.7微米的距离，他们的图像从一个碰撞到两个。
随着物体移动得更远，它们的图像变得更加可辨别
虽然较低的f值可以更好地解决图像的细节问题，但镜头中心的工作比周边更好。为了最小化衍射同时最大化有效的镜头面积，你可以在摄影中选择一个f光圈在可用范围的中间f/ 8。
一般来说，更大直径的镜头收集更多的光。对于像手机相机这样的小镜头，曝光时间会延长，以确保图像不会变暗。
为了说明这一点，让我们看看以下场景中的设计注意事项。
一个点和拍摄相机
在照相机中，镜头系统将物体的聚焦像产生在探测器上。假设一个f/ 8相机镜头，如果您在探测器处检查近3.7微米的细节，则浪费探测器像素。
在实践中，我们尝试在每个最小特征大小上至少匹配两个像素，因此，在单色中，我们关心2x2像素簇。根据奈奎斯特采样定理，您需要对一个信号进行“采样”的频率至少是您希望检测的变化最快的部分的两倍。还有一个与彩色摄影相关的额外因素，但为了保持简单，我们将把这个限制在单色成像。
在紫色光的例子上，我们将使用1.8微米像素。普通尺寸的“1/3”数码相机传感器测量4.8毫米× 3.6毫米．在这种情况下，传感器的窄轴应该有小于：
((3.6 mm)(1000微米/毫米)/(1.8微米/像素如上))= 2000像素
高效分辨率= 2,667 x 2,000像素= 5.3百万像素
如果供应商填充，请在F / 8单色系统中进入“1/3”数字传感器的区域，这可能不值得付钱。另一方面，如果该大小的传感器只有20万像素，则可能缺少大量细节。
机器视觉系统
这里所需的像素数取决于成像对象的大小和所需的详细信息。
假设对象是一个27英寸的正方形，其中包含打字文本和由细直线组成的符号，就像UPC条形码一样。要计算出传感器需要多少像素:
我们在看什么？
我们的正方形物体的尺寸是686 x 686毫米
需要的最精细的细节是0.5毫米，这是单条印刷线的宽度
最好的图像细节应该在每个轴上投影2个或更多像素。
我们有一个不错的实惠的镜头，可以解决一定数量的“线对/ mm”，例如40线对/毫米，或80点/ mm，或2,032个点/ in
设计方案
·我们需要沿着物体的每一侧解析1,372个点（686 / 0.5）
为了将每个点投影到每个方向的两个传感器像素上，我们需要在传感器的每一侧至少2744个像素
对于成像比为4:3的传感器，我们至少需要1000万像素:2744 × 3659。
总之，在设计相机系统时，您需要考虑：
的影响f/＃在分辨率，成本，衍射效果和焦点上
镜头尺寸及其有用区域对焦点和亮度的影响
经验丰富的光学工程师的价值可以准确地预测光学系统的分辨率
作者感谢Matthias Ferber对本文进行了有益的讨论。
