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图 1:相机传感器边缘的热积聚和暗电流噪声。随着长时间曝光热量的增加,这种噪音会传播到整个相机,并会影响图像质量。
科学相机的灵敏度至关重要,如果灵敏度不足,甚至可能无法获取样品的清晰图像。在 Teledyne Photometrics,灵敏度至关重要,我们对高灵敏度相机的方法有两个:最大化信号收集,并最小化噪声水平。虽然前者主要取决于 QE 和像素大小,但后者是一个更大的主题。
科学相机上的噪声是一种误差,其来源有很多,但主要可分为两类:
随机噪声,例如读取噪声、暗电流和光子散粒噪声。这些在帧与帧之间并不是恒定的,可以通过统计分布来描述,并通过对连续帧进行平均来减少。
图案噪声,由特定传感器像素的微小差异引起,导致较亮或较暗像素的“固定”图案。
本文重点讨论暗电流噪声,如图1所示。
暗电流
暗电流由相机传感器内的热能产生。当相机传感器曝光图像时,相机中的电子器件会加热传感器,热能的积累会导致热电子在传感器上积聚。这些热电子独立于与落在传感器上的光子(光强度)成比例生成的光电子。不幸的是,相机传感器不知道这些类型的电子之间的区别,因此在传感器像素阱中积累的任何热电子(以及光电子)在读出时都会被计为信号,尽管不是来自传感器的信号的一部分样品。这就是所谓的暗电流。
每种型号的科学相机,无论是使用 CCD、EMCCD 还是 CMOS 传感器,都会有暗电流规格。这表示每秒曝光时每个像素上积累的电子数量,通常显示为 e – /p/s。暗电流越高,相机执行长时间曝光成像的能力就越差。
然而,由于暗电流取决于温度,因此可以通过冷却来减少其影响。科学相机可以使用热电(TE)或珀尔帖冷却与强制空气或液体冷却相结合,以降低传感器在运行过程中的温度,如图2所示。一般来说,传感器每冷却 6-7 °C,暗电流的影响就会减半。这就是为什么科学相机通常配备风扇,并在数据表中注明其工作温度,以减少暗电流等噪声源的影响。理想情况下,暗电流应减少到在典型曝光时间内其贡献可以忽略不计的程度。
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图 2:科学相机冷却和 Citadel Chamber 技术。左图显示了采用 Citadel 腔室设计原理的 CMOS 相机内的典型温度水平(徽标右)。传感器冷却绝对均匀,与窗口处于比较好距离,热量有效排出。
但是,虽然暗电流与温度有关,但它也与曝光时间有关(e/p/s 中的“第二”部分)。例如,Teledyne Photometrics Prime BSI sCMOS 的典型暗电流为 0.5 e – /p/s,这意味着两秒的曝光将导致每个像素产生一个电子的暗电流。这里要考虑的重要部分是:您的曝光时间是多长?典型的荧光成像、低光成像和高速成像都具有低信号和短曝光时间的特点,远低于一秒,通常低于 100 毫秒。当使用高灵敏度相机时,可以在非常短的曝光(远低于 1 秒)内收集足够的信号,并且在这些情况下暗电流的积累可以忽略不计。
使用现代相机技术,由于曝光时间短,不需要激进和过度的冷却。这就是为什么 Teledyne Photometrics 可以制造 Prime BSI Express(无液体冷却)和 Moment(非冷却)等相机,由于其高灵敏度和低曝光时间,可以摆脱冷却,并且不会遇到暗电流问题除非使用 2 秒或更长时间的曝光,否则会产生噪音。
暗电流噪声和热像素
虽然科学相机在其数据表上标明了暗电流规格,但这可能因传感器而异。所述暗电流规格是整个传感器的整体平均值,暗电流存在变化(称为暗电流噪声),并且存在暗电流大于平均水平的像素(称为热像素)。
暗电流噪声是传感器上暗电流的统计变化。例如,给定相机的暗电流规格可能为 1.0 e – /p/s。对于四秒曝光,每个像素总共生成四个电子。由于暗电流噪声遵循泊松统计,因此均方根 (RMS) 暗电流噪声是暗电流的平方根,在本例中为 2 e – /p。
热像素的暗电流高于传感器其余部分的平均水平。虽然这些热像素只占很小的一部分,但它们会反复具有比其他像素更高的背景值。由于这是传感器制造过程中产生的影响,因此每个热像素位置将保持固定,因此可以进行校正,Teledyne Photometrics 相机具有可定制的像素去斑滤镜,以避免热像素的任何影响。
CCD/EMCCD 和 CMOS
谈到暗电流时需要注意的一个因素是,典型 CCD/EMCCD 的暗电流值远低于典型 CMOS。例如,与具有暗电流的 Retiga R6 CCD 相比,Prime 95B sCMOS 的暗电流为 0.55 e – /p/s(风冷时,如果使用液体冷却,该值为 0.3 e – /p/s) 0.00073 e – /p/s。这种低得多的暗电流历来使得 CCD 在长时间曝光应用中很受欢迎,例如曝光时间为几分钟到几小时的成像发光。
然而,得益于Teledyne Photometrics 的Retiga E7 CMOS, CMOS 技术也已发展到可以实现长时间曝光成像的程度。 Retiga E7 的暗电流低于 0.001 e – /p/s,曝光时间超过一个小时,与 CCD 相比,CMOS 技术还有许多其他优点,例如速度更快、传感器尺寸更大和易于使用。
概括
暗电流是一个与时间和温度相关的因素,可能会导致相机传感器上产生噪声。曝光时间越长,暗电流的贡献就越大,这就是为什么相机通常配备冷却选项和热像素校正的原因。虽然 CCD 技术的暗电流历来较低,但具有超低暗电流的 Retiga E7 CMOS 的出现,将长时间曝光成像带入 CMOS 时代!
审核编辑 黄宇
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