相机增益的测算

公式

当相机工作在光子散粒噪声（Shot Noise）限制区时。

相机拍到的图像，亮度是以灰度值（ADU）为单位的，我们可以用图像分析软件计算出感兴趣区（ROI）的平均灰度值 Mean-ADU 和标准差 SD-ADU （即以 ADU 为单位的噪声）。

以上公式①变为。

这样，我们就可以计算出。

以上计算中，图像的标准差即代表噪声的前提是，图像区域内没有任何样品结构造成的亮度变化，否则标准差还应包含这个结构信息。为此，可以连续拍摄两张同样场景的图像，然后把两张图像相减。相减后的图像就只包含光子散粒噪声了。如果以 SD-subtract 代表差值图像的标准差，SD-image1和SD-image2代表单张图像的标准差，则以下公式成立。

因为两张图像设置完全相同，SD-image1 = SD-image2，所以。

那么，以上公式最后变为。

这样算出的 Gain 单位为 e–/ADU。

拍摄

通过公式⑤，我们知道只需要拍摄3张图像，就可以计算出 Gain 了。

1.拍摄一张短曝光时间的黑图像（bias 图像）以计算offset。对同一台相机，偏置（offset）是一个常数，在相机完全无信号的情况下，将曝光时间设为0，拍摄一帧图像。

2.拍摄两张平均亮度大概在相机动态范围中间区域的图像。如果相机是12bit的，有4096 灰度级，那么图像的平均亮度最好在 2000 左右。这个可以通过调整曝光时间，或照明光强度来实现。基本要求是图像上不能有接近饱和（＞4000 ADU，此时相机失去了线性度），或太暗（ 《200ADU，此时相机没有工作在光子信号限制区，我们计算的条件不满足）的区域。如果您的相机是 14bit 的，那么灰度级是16384，上面的值需要按比例进行调整。

计算

1. 首先在 Image J 中打开 bias 图像，用 Analyze》measure，得到图像的 mean 值即为 Offset。

2. 接下来，打开另外两张图片，选择 Analyze 》 Measure 得到两张图片的平均灰度值，然后再用 Analyze 》 Summarize 就可以得到平均值 Mean-Image1， Image2。

3. 计算差异图像的标准差：选择 Analyze 》 Image Calculator，将两张图片进行 subtract，并勾选 32-bit （float） result，得到两张图片的差值图像。

选择 Analyze 》 Measure 即可看到差值图像的标准差 SD-substarct。

4. 然后代入前面的公式⑤，就可以算出系统增益，这里需注意减去偏置值。

也可以设置不同的曝光时间，重复上述步骤，用多次测量所得的值作图，通过拟合曲线来观察增益的线性度。

Gain

1.CCD/CMOS相机的Gain是出厂设置好的，不会改变；

2.EMCCD的EM Gain会随着使用老化衰减，正常使用7~10年左右，每隔一段时间应校准一次；

3.根据厂家不同，Gain 有多种表示方式。有些相机只有一个Gain，有些有三个Gain，有些连续可调（如0.5x-20x），或ISO100–ISO1200等等。以上测试，只对应当时设定的那个Gain有效。如果实际使用时，因为样品或成像方式变化，需要改变Gain的设置，对每个Gain都需要测量。建议在保存图像时，在文件名上反映出Gain的设置；

4.同一台相机，Gain的倍数越大，相机的满阱容量越小（更早饱和）；

5.同一台相机，在软件中调节Gain的设置，图像亮度会变化，但实际探测到的电子数不变，因此信噪比变化不大；

6.Binning不影响Gain。

审核编辑 ：李倩