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如何提升科研级CCD相机成像信噪比?从这6个因素出发来看看

发表时间:2021-04-19  |  点击率:28

    如果希望提升科研级CCD相机成像的信噪比,改善信号较弱时的成像质量,在相机选型、使用中我们要注意哪些因素呢?

    大致来说,可以从以下6个方面来综合考虑:

    曝光时间

    光学系统的素质

    像素尺寸

    制冷与暗电流

    量子效率

    读出噪声(R)

    影响科研级CCD相机信噪比的因素(1)——曝光时间

    无论是从大家日常的理解还是从信噪比公式中,我们都很容易得出曝光时间(t)越长,信噪比越高的结论。

    然而,曝光时间长了,帧速就无法得到保障。曝光时间为1s的时候,无论如何帧速也是无法超过1帧/秒的。

    小结:曝光时间的延长能够提升信噪比,但是会损失帧速。

    影响信噪比的因素(2)——光学系统的素质

    对于同一样品发出的信号,光学系统直接影响到落到相机上的光信号强度(即公式中的"P")。对于显微成像而言,常见的的提升方式就是选择更好的物镜;一般而言,数值孔径(NA)越大,物镜对信号的收集能力越强。

    影响信噪比的因素(3)——像素尺寸

    像素尺寸也是影响信噪比公式中的"P"(入射的光子数目);像素尺寸越大,落到一个像素上的光子就越多。在其他参数都一致的情况下,信噪比自然就越高。但过大的像素尺寸会损失相机的分辨率。

    小结:在不调节光路仅仅更换相机的情况下(这是非常常见的场景),采用更大像素尺寸的相机在增加信噪比的同时往往会降低图像的分辨率。

    影响信噪比的因素(4)——制冷与暗电流

    由于暗电流(信噪比公式中的"D")来源于材料中电子的热运动,所以芯片温度越高,暗电流越大;对于同一芯片,近似的规律是温度每下降10度,暗电流减小一半。

    当前市场上的中科研相机的暗电流通常都很小,在1s以下曝光时间时,暗噪声相比于读出噪声通常可以忽略。但由于暗电流随曝光时间会积累,所以越是长曝光时间的应用,制冷就越重要。

    影响信噪比的因素(5)——量子效率

    量子效率(即信噪比中的QE)为光子在相机像素上转换成为电子的比例。同样是100个光子落到一个像素上,QE82%意味着相机能够转换得到82个电子;QE72%则代表能转换得到72个电子。显然,QE越高,相机的信噪比越高。

    影响信噪比的因素(6)——读出噪声(R)

    在信号较弱的成像中,来自信号的散粒噪声较小;而暗电流的散粒噪声(即暗噪声)在当前的科研相机都是很低的,在曝光时间1s这个量级甚至更短的时候,暗噪声通常可以忽略;此时读出噪声(即信噪比公式中的"R")就称为特别需要考量的因素了。

    对于同样的芯片,读出噪声的大小与读出速度有关,无论对于CCD相机还是sCMOS相机,读出速度越快,读出噪声越高。而sCMOS相对于CCD的一个核心优势,就是高速读出时依然能够保持极低的读出噪声。

    读出噪声的重要性也使得其和QE一起变成了相机被重点关注的两个参数。单纯考察两者中的一个优势并不能正确预测成像的信噪比。如图9所示,同样拍一个绿色荧光样品,QE较高的ORCA-Spark成像质量却不如ORCA-Flash4.0LT,就是因为ORCA-Flash4.0LT的读出噪声较低,综合考虑时ORCA-Flash4.0LT的信噪比更好。

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